基于提升小波变换的超声信号消噪技术

　　在超声无损检测和评价中,作为基础数据的超声回波信号往往受到电子噪声(包括热噪声和量化噪声)和结构噪声的干扰,信噪比较低,特别是在噪声材料如离心铸造的不锈钢、碳纤维复合材料、焊接接头和叠层材料等应用中,由其内部结构(如晶粒、碳纤维等散射体)引起的结构噪声对超声回波信号的影响更为严重,信噪比恶化问题更为突出,带来误检率和漏检率上升,已成为制约超声无损检测和评价技术可靠性提高的关键因素之一[1].由于结构噪声是一种相干性噪声[2],在超声换能器位置及其频响特性不变的情况,这种噪声的频率结构不会随着时间的改变而改变,因此,难以采用像消除电子噪声类似时间平均的技术来处理[3].尽管根据结构噪声频域分布特点发展起来的裂谱分析法(split spec-trum processing, SSP)对这种噪声的消除有一定的效果,并成为目前消除该类噪声最为有效的方法,但是,它也存在诸如对滤波器类型及其参数选择过于敏感,优化处理算法中信噪分离规则不能根据应用场合、信号和噪声的性质进行自适应地调整等一些致命的缺陷,阻碍了该方法在结构噪声消除中进一步的应用[1].

　　基于以上背景,本文根据结构噪声产生的机理,将提升小波变换多分辨率分析能力融合到传统裂谱分析法中,发展了一种具有提升小波变换多分辨率分析能力的超声信号消噪新方法,从而克服了传统裂谱分析法对滤波器类型及其参数选择过于敏感的问题,提高了裂谱分析法消噪性能的稳定性和超声回波信号的信噪比.

　　1　结构噪声的产生机理与裂谱分析法的局限性

　　结构噪声是由待检材料或结构内部的微观结构对超声入射波的散射所引起,因此,根据散射理论可知,散射系数αs既决定结构噪声的大小,又决定结构噪声随时间(距离)衰减的速度,并且散射系数与超声波波长λ、超声波频率f、散射体的平均直径及其各相异性的程度密切相关[4],即

　　式中:c1,c2,c3为和介质有关的常数.超声无损检测中常用的频段一般为20 MHz以下,所以散射主要发生在瑞利散射区域.在该区域,结构噪声的频谱函数可表示为[5]:

　　式中:cl为纵波速度;tk为散射体的位置,k=1,2,…,N,N为散射体的数目;βk=ηVk/c2l,η为一常数,Vk为散射体的体积;X(ω)为畸变小波x(t)的傅里叶变换[1].

　　由式(1)、式(2)可知,结构噪声具有很强的频率敏感性,即在不同的频率子带内结构噪声分布会发生明显的变化.据此,V.L.Nnwhause等[6]提出了裂谱分析法,其原理如图1所示.超声换能器所接收信号的频谱被窄带滤波器组分裂成N个等带宽的子带,返回时域后根据有用信号与结构噪声在这些子带内的不同表现特性,依据一定的规则实现它们的分离,极性阈值法(polarity thresholding algo-rithm)[7]就是常用方法之一,即