[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

说明书

本发明提出的短时分形维数增强法，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噪声滤波作用的增强，从而实现了对含噪信号的实时更新，提高了信噪比，提高了信号识别率。

技术领域：

本专利涉及声发射检测技术及现代信号处理技术，设计了短时分形维数增强法的信号去噪算法，可极大地提高信噪比，有效地应用于罐底钢板腐蚀声发射信号去噪研究。

背景技术：声发射技术对常压储罐腐蚀状况进行在线监测评估是目前的研究热点。其机理就是利用固定在储罐外壁的声发射传感器(主要是压电类)监测非清罐条件下储罐腐蚀过程中产生的应力波，通过接收到的声发射数据进行处理、分析后，评估罐底的腐蚀状态，从而安排维护计划，降低成本，确保储罐的安全。

罐底钢板腐蚀声发射信号(Corrosion Acoustic Emission)实际检测过程中，由于现场环境复杂，声发射传感器灵敏度极高，所以容易受到各种噪声的干扰，如果无法对噪声进行有效的处理，那么声发射检测结果的可靠性和准确性将无法得到保证，所以声发射检测过程中，噪声处理是关键的环节，也是声发射检测技术进一步发展的瓶颈。

在本方案设计之前，常用的罐底腐蚀声发射信号去噪方法主要包括参数分析法、经典谱分析、高阶谱分析、小波变换、神经网络等方法。其中发展较为成熟并广泛采用的方法是小波分析法。但当噪声水平较高的时候，小波变换噪声分解系数和信号分解系数难以区分，这对于短时瞬态突变的声发射信号尤其明显；小波基函数的选择目前尚无标准，得到的结论稳定性较低。

声发射信号是幅值、频率丰富的多模态信号，从幅值和频率上进行去噪是极其困难的。离散分数余弦变换(DCT)方法是通过检测各个时间窗内信号整体幅值的变化来捕捉信号变化情况，而不是去捕捉与噪声同一个数量级的信号突变，因此对噪声不敏感，在语音增强上已取得了良好地效果。然而，由于声发射源的多样性、瞬态性，利用DCT进行声发射信号降噪处理仍然不能取得满意的效果。

发明内容

发明目的：本发明提供了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，其目的是根据每一‘帧’含噪信号变化程度的不同实现实时去噪，提高信噪比，提高信号的识别率，从而解决以往的方法效果不理想的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

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白噪声、有色噪声、粉红噪声信号；

(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