[发明专利]基于信号区段分割的超声信号接收及处理方法

权利要求书

1.一种基于信号区段分割的超声信号接收及处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、超声回波信号获取及同步上传与接收：采用超声波探伤装置(1)对被测对象进行超声波检测，获得被测对象的超声回波信号F(t)，并将所获得的超声回波信号F(t)同步传送至数据处理设备(2)；所述数据处理设备(2)对所接收到的超声回波信号F(t)进行同步存储；

其中，t表示时间参数，t_i为超声波探伤装置(1)的第i个采样时刻，f(t_i)为超声波探伤装置(1)的第i个采样时刻采样得到的信号值，i为正整数且i＝1、2、3、…、N_z，N_z为正整数且其为超声回波信号F(t)的信号长度；

步骤二、波峰与波谷确定：采用数据处理设备(2)对步骤一中所述超声回波信号F(t)的所有波峰与所有波谷分别进行确定，并对所确定的每个波峰和每个波谷的采样时刻与信号值分别进行同步记录；

本步骤中，所确定的每个波峰和每个波谷均为所述超声回波信号F(t)的一个极值点；

步骤三、极值点剔除：采用数据处理设备(2)且调用时域极值点剔除模块或频域极值点剔除模块进行极值点剔除，获得剔除后的M'个极值点，并按照各极值点的采样时间先后顺序对M'个所述极值点由前至后进行排列；其中，M'为正整数且其为本步骤中进行极值点剔除后获得的极值点的总数量；

其中，采用数据处理设备(2)且调用时域极值点剔除模块进行极值点剔除时，将步骤二中所确定的所有极值点中信号值的绝对值小于β'的极值点剔除，获得剔除后的M'个极值点；其中，β'＝α'×max|F(t)|，α'为常数且其取值范围为0.1～0.35，max|F(t)|为超声回波信号F(t)中信号值的绝对值最大值；

采用数据处理设备(2)且调用频域极值点剔除模块进行极值点剔除时，将步骤二中所确定的所有极值点中信号值的绝对值小于β的极值点剔除，获得剔除后的M'个极值点；其中，β为预先设定的剔除阈值且β＝α×max|Y(f)|，α为常数且其取值范围为0.25～0.35，Y(f)为超声回波信号F(t)的频谱，max|Y(f)|为超声回波信号F(t)的频谱中幅值的绝对值最大值；

步骤四、信号分割：采用数据处理设备(2)对超声回波信号F(t)进行分割，过程如下：

步骤401、相邻极值点时间间隔确定：采用数据处理设备(2)对步骤三中M'个所述极值点中相邻两个所述极值点的时间间隔分别进行确定，获得M'-1个相邻极值点时间间隔；

M'-1个所述相邻极值点时间间隔中第m'个所述相邻极值点时间间隔记作Δt_m'，Δt_m'为M'个所述极值点中第m'个极值点的采样时刻与第m'+1个极值点的采样时刻的时间间隔；其中，m'为正整数且m'＝1、2、…、M'-2、M'-1；

M'-1个所述相邻极值点时间间隔中除Δt₁之外的M'-2个所述相邻极值点时间间隔均为待判断时间间隔，Δt₁为M'个所述极值点中第1个极值点的采样时刻与第2个极值点的采样时刻的时间间隔；

步骤402、分割点判断及分割点的采样时刻确定：采用数据处理设备(2)由先至后对步骤401中M'-2个所述待判断时间间隔分别进行分割点判断，获得L个待分割时间间隔；其中，L为整数且L≥0，L为本步骤中所确定的待分割时间间隔的总数量；每个所述待分割时间间隔中均存在一个分割点；步骤一中所述超声回波信号F(t)中所存在分割点的数量与所述待分割时间间隔的数量相同，所述超声回波信号F(t)中所存在分割点的数量与L相同；

M'-2个所述待判断时间间隔的分割点判断方法均相同；对Δt_m'进行分割点判断时，对Δt_m'是否大于c·Δt_m'-1进行判断：当Δt_m'＞c·Δt_m'-1时，判断为Δt_m'为待分割时间间隔，且Δt_m'上所存在分割点的采样时刻为否则，判断为Δt_m'上不存在分割点；其中，c为常数且c＞2.1；t_总m'为M'个所述极值点中第m'个极值点的采样时刻与第m'+1个极值点的采样时刻之和；

步骤403、信号分割判断：对步骤402中所述的L进行判断：当L＝0时，判断为无需对所述超声回波信号F(t)进行分割，完成信号分割过程；否则，判断为需对所述超声回波信号F(t)进行分割，进入步骤404；

步骤404、分割点排序：采用数据处理设备(2)且按照采样时间先后顺序，将步骤402中所确定的L个所述分割点由前至后进行排序；

步骤405、信号分割：根据步骤404中排序后的L个所述分割点的采样时刻，由前至后将步骤一中所述超声回波信号F(t)分割为L+1个信号段，分割后的每个所述信号段均为一个分割信号；

步骤405中信号分割完成后，还需对分割后的L+1个所述分割信号分别进行信号提取；L+1个所述分割信号的信号提取方法均相同；

对L+1个所述分割信号中任一个所述分割信号进行信号提取时，采用数据处理设备(2)对该分割信号进行信号提取，该分割信号为待处理信号且其记作信号f(t)；

采用数据处理设备(2)对信号f(t)进行信号提取时，过程如下：

步骤A1、基于寻优算法的信号稀疏分解：采用数据处理设备(2)且调用稀疏分解模块对步骤一中所述待处理信号f(t)进行迭代分解处理，将待处理信号f(t)转换为并获得此时的迭代分解最佳原子集合；此时的所述迭代分解最佳原子集合中包含m个最佳匹配原子，为所述迭代分解最佳原子集合中的第n个所述最佳匹配原子；

式中R^m(t)为待处理信号f(t)经过m次迭代分解后的残差量，其中m为预先设定的迭代分解总次数且m为正整数，n为正整数且n＝1、2、…、m；a_n为第n次迭代分解后的最佳匹配原子与上一次迭代分解后残差量的展开系数；

为第n次迭代分解时采用数据处理设备(2)且调用寻优算法模块找出的最佳匹配原子；为Gabor原子且式中函数ψ(t)为高斯窗函数且r_n为的时频参数，r_n＝(s_n,u_n,v_n,w_n)，s_n为尺度参数，u_n为位移参数，v_n为频率参数，w_n为相位参数；

本步骤中，寻找最佳匹配原子时，根据预先设定的s_n、u_n、v_n和w_n的取值范围，采用数据处理设备(2)且调用寻优算法模块，找出使适应度值Fitness(r_n)最大的最佳时频参数，所找出的最佳时频参数为时频参数r_n；

其中，Fitness(r_n)为时频参数r_n的适应度值，表示R^n-1(t)与的内积；R^n-1(t)为待处理信号f(t)经过n-1次迭代分解后的残差量，R⁰(t)＝f(t)；

步骤A2、残差量判断：判断||R^m(t)||₂是否小于ε：当||R^m(t)||₂＜ε时，进入步骤A4；否则，当||R^m(t)||₂≥ε时，进入步骤A3；

其中，||R^m(t)||₂为步骤A1中所述R^m(t)的2-范数，ε为预先设定的残差量判断阈值；

步骤A3、最佳匹配原子优化，过程如下：

步骤A31、原子随机选取：采用数据处理设备(2)从此时的所述迭代分解最佳原子集合中随机取出一个最佳匹配原子作为待优化原子，所述待优化原子记作其中j为正整数且1≤j≤m；

此时的所述迭代分解最佳原子集合中除所述待优化原子之外的m-1个最佳匹配原子均为待处理原子，m-1个待处理原子组成此时的待处理原子集合；

步骤A32、最佳匹配原子查找：所找出的最佳匹配原子记作的时频参数记作时频参数r_j'，时频参数r_j'＝(s_j',u_j',v_j',w_j')；

对最佳匹配原子进行查找时，根据预先设定的s_j'、u_j'、v_j'和w_j'的取值范围，采用数据处理设备(2)且调用所述寻优算法模块，找出使适应度值fitness(r_j')最大的最佳时频参数，所找出的最佳时频参数为时频参数r_j'；再根据公式求解出最佳匹配原子

其中，表示与的内积，ψ₀(t)为步骤A31中m-1个所述待处理原子之和；

步骤A33、原子替换判断及原子替换：采用数据处理设备(2)且调用残值判断模块、适应度值判断模块或稀疏性判断模块，判断是否需对步骤A31中所述待优化原子进行替换，并根据判断结果对所述待优化原子进行替换；

采用数据处理设备(2)且调用残值判断模块判断是否需对步骤A31中所述待优化原子进行替换时，根据替换后残值||R_j'^m(t)||_ξ是否小于替换前残值||R_j^m(t)||_ξ进行判断：当||R_j'^m(t)||_ξ＜||R_j^m(t)||_ξ时，判断为需对步骤A31中所述待优化原子进行替换，将步骤A31中所述待优化原子替换为步骤A32中所述最佳匹配原子获得更新后的所述迭代分解最佳原子集合；否则，判断为无需对步骤A31中所述待优化原子进行替换，并进入步骤A35；

其中，R_j'^m(t)＝f(t)-ψ_j'(t)，R_j^m(t)＝f(t)-ψ_j(t)，ψ_j(t)为本步骤中进行原子替换判断之前所述迭代分解最佳原子集合中m个最佳匹配原子之和；||R_j'^m(t)||_ξ表示R_j'^m(t)的ξ-范数，||R_j^m(t)||_ξ表示R_j^m(t)的ξ-范数，ξ为常数且0≤ξ≤1；

采用数据处理设备(2)且调用适应度值判断模块判断是否需对步骤A31中所述待优化原子进行替换时，根据替换后适应度值Fitness(r_j')是否大于替换前适应度值Fitness(r_j)进行判断：当Fitness(r_j')＞Fitness(r_j)时，判断为需对步骤A31中所述待优化原子进行替换，将步骤A31中所述待优化原子替换为步骤A32中所述最佳匹配原子获得更新后的所述迭代分解最佳原子集合；否则，判断为无需对步骤A31中所述待优化原子进行替换，并进入步骤A35；

其中，表示R^j-1(t)与的内积，R^j-1(t)＝f(t)-ψ_j-1(t)，ψ_j-1(t)为此时所述迭代分解最佳原子集合中前j-1个最佳匹配原子之和；表示R^j-1(t)与的内积；

采用数据处理设备(2)且调用稀疏性判断模块判断是否需对步骤A31中所述待优化原子进行替换时，根据||R^j'||_ξ是否小于||R^j||_ξ进行判断：当||R^j'||_ξ＜||R^j||_ξ时，判断为需对步骤A31中所述待优化原子进行替换，将步骤A31中所述待优化原子替换为步骤A32中所述最佳匹配原子获得更新后的所述迭代分解最佳原子集合；否则，判断为无需对步骤A31中所述待优化原子进行替换，并进入步骤A35；

其中，R^j'为的残差量且R^j为的残差量且||R^j'||_ξ表示R^j'的ξ-范数，||R^j||_ξ表示R^j的ξ-范数；

本步骤中，完成原子替换判断及原子替换后，完成步骤A31中选取的一个所述最佳匹配原子的优化过程；

步骤A34、残差量判断：对步骤A33中完成一个所述最佳匹配原子优化后的残差量进行判断：当||R'_j^m(t)||₂＜ε时，进入步骤A4；否则，当||R'_j^m(t)||₂≥ε时，进入步骤A35；

其中，||R'_j^m(t)||₂为R'_j^m(t)的2-范数；R'_j^m(t)为根据此时所述迭代分解最佳原子集合中的m个所述最佳匹配原子对f(t)进行m次迭代分解后的残差量；

步骤A35、下一个最佳匹配原子优化：按照步骤A31中至步骤A33中所述的方法，对此时所述迭代分解最佳原子集合中未进行优化的一个所述最佳匹配原子进行优化；

步骤A36、残差量判断：对步骤A35中所述最佳匹配原子优化后的残差量进行判断：当||R”_j^m(t)||₂＜ε时，进入步骤A4；否则，当||R”_j^m(t)||₂≥ε时，返回步骤A35；

其中，||R”_j^m(t)||₂为R”_j^m(t)的2-范数；R”_j^m(t)为根据此时所述迭代分解最佳原子集合中的m个所述最佳匹配原子对f(t)进行m次迭代分解后的残差量；

步骤A4、信号重构：根据此时的所述迭代分解最佳原子集合，采用数据处理设备(2)得出待处理信号f(t)的近似信号f″(t)；其中，近似信号f″(t)为从待处理信号f(t)提取出的信号，

其中为此时所述迭代分解最佳原子集合中的第n'个所述最佳匹配原子，n'为正整数且n'＝1、2、…、m；a_n'为与根据此时所述迭代分解最佳原子集合中的前n'-1个所述最佳匹配原子对f(t)进行n'-1次迭代分解后残差量的展开系数。