[发明专利]基于短时分形维数增强法的钢板腐蚀声发射信号去噪方法

权利要求书

1.一种基于短时分形维数增强法的钢板腐蚀声发射信号去噪方法，其特征在于：该方法通过对信号进行“分帧”处理后利用分形维数设计可变的平滑系数实现滤波作用的增强，提高信噪比，提高离散分数余弦变换算法去噪效果，该方法的具体步骤如下：

(1)、声发射信号的提取与预处理：

①、建立钢板腐蚀声发射检测实验装置，获取腐蚀信号；

②、在连续腐蚀声发射信号上叠加噪声信号；

(2)、将信号分为k帧，计算第k帧第i个采样点的声发射信号谱λ_s(k,i)、噪声谱λ_n(k,i)、第k帧噪声的分形维数及信噪比SNR(k)，i为第k帧的第i个采样点，并对X^a(k)进行滤波；

对腐蚀声发射信号进行分数阶为a的3周期离散分数余弦傅里叶变换

当n＝0时，Xⁿ(k,i)为第k帧信号第i个采样点本身；当n＝1时，Xⁿ(k,i)为第k帧信号第i个采样点的离散分数余弦变换；当n＝2时，Xⁿ(k,i)为第k帧信号第i个采样点的逆离散分数余弦变换；

(3)、测算第k帧的噪声分形维数

将集合X离散化成数字点集，N_Δ表示在离散空间间距为Δ的集合X的点数，将Δ网格放大为kΔ，N_kΔ表示离散空间间距为kΔ的集合X的点数；这样便有K个不同网格宽度上的点数：N_kΔ，k＝1，2…K，其中K充分大，使得N_kΔ>1，得到

其中：D^(k)(Δ)表示第k帧信号中两个相邻的采样点幅值之差绝对值之和；D^(k)(2Δ)表示第k帧信号中相邻三个点中幅值相差最大绝对值之和；

(4)、引入噪声系数β_N：β_N是随时间和频率变化的噪声系数：先用一个最优化平滑滤波器对带噪信号的功率谱滤波，得到一个噪声的粗略估计，然后找出粗略估计中在一定采样点范围内的最小值，对这个最小值进行偏差修正，即得到所要估计的噪声方差；采用短时分形维数为β_N的动态调整提供了参数，即第k帧的噪声系数为：

β_N(k)为噪声系数，有腐蚀声发射产生时：

无腐蚀声发射信号时：即β_N(k)＝1；

噪声谱λ_n(k,i)在无声发射信号段/有声发射信号段的估计值：

λ_n(k,i)＝β_N(k)λ_n(k-1,i)+(1-β_N(k))X²(k,i)；

则声发射信号谱λ_s(k,i)为：

λ_s(k,i)＝β_sλ_s(k-1,i)+(1-β_s)max{X^a(k,i)²-λ_n(k,i),0}，β_s＝0.99；

滤波器的输出信号是：

(5)、第k帧信噪比SNR(k)：

(6)、对滤波后的信号进行分数阶为2-a的离散分数余弦傅里叶变换，并进行合帧，输出信号。

2.根据权利要求1所述的基于短时分形维数增强法的钢板腐蚀声发射信号去噪方法，其特征在于：采样频率为5MHz，实验一共选取了8192点，共分为64帧，分帧时每帧的帧长为128个采样点。

3.根据权利要求1所述的基于短时分形维数增强法的钢板腐蚀声发射信号去噪方法，其特征在于：噪声为白噪声、有色噪声和粉红噪声，能分别模拟原油储罐所收到的电磁噪声、汽车驶过噪声或雨声影响、液滴滴落影响。

4.根据权利要求1所述的基于短时分形维数增强法的钢板腐蚀声发射信号去噪方法，其特征在于：分数阶为a＝1.2～1.4或a＝1.6～1.7效果良好。

5.根据权利要求1所述的基于短时分形维数增强法的钢板腐蚀声发射信号去噪方法，其特征在于：建立腐蚀声发射检测实验装置的具体方法为：在腐蚀钢板上安装声发射传感器，钢板的另一端浸泡在腐蚀液中，通过声发射传感器提取腐蚀声发射信号。