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1、 导波信号处理算法研究 摘要:研究导波信号处理方法，根据其传播规律以及信号特征，设计算法，使其能够检测陶瓷保护管的缺损，并且不损坏被检测物品。通过对超声回波信号的读取，以及构造单频窄脉冲信号，对原始回波信号进行匹配滤波处理，再通过对截取波做相关处理和希尔伯特变换，得出时差，最终算出声速。对其研究的目的就是通过一种简便的方法，能够准确无误的定位缺损部位，从而能够进行无破坏，全面，全程的检测。对其主要的研究方法就是通过对超声导波信号的特征分析，采用相关和时延的方法，而关于其的研究成果的展示方式就是编写算法，然后在基于matlab的图像中分析数据，从而得出研究结果。对于导波信号的研究，本质就是需要我
2、们了解导波的特性，利用导波在传播过程中的特点以及方式，以数值计算的方式使得缺陷检测得到实现。在其过程中，我们需要用到的研究方法很多，要知道关于超声导波在管道中匹配滤波时会产生的频散和噪声等，从而要选择适当的方式对其进行必要的处理，使其产生的结果能够清晰明确的展现出我们需要的研究的一面，从而使之后的进一步关于检测的处理能够很顺利的进行。在这里，首先就要明确编写的算法本质就是对于导波信号的处理过程的展示，只有经过对其不断的调试和修改，在其所实现的图中将需要得出的结果能够很明确的表现出来，就实现了对其一系列研究的目的。 关键词：互相关函数，时延估计，希尔伯特变换，缺陷检测Research on Al
3、gorithm of guided wave signal processing Abstract：Study of guided wave signal processing method, according to the propagation rules and the signal features, algorithm design the detection of ceramic protection tube defects can, and does not damage the test items. Through reading the ultrasonic echo
4、signal, and structure of single frequency narrow pulse signal, on the original echo signal matched filter processing, through correlation and Hilbert transform to intercept the wave and time difference is obtained, finally calculate the speed of sound.The research purpose is through a simple and con
5、venient method, can be accurately locating the defect site, so as to be able to without damage, comprehensive, full detection. The main research methods is through of ultrasonic guided wave signal characteristic analysis, using method of correlation and delay, and Research on the display mode is to
6、write algorithm. Then based on the MATLAB image analysis data, and obtains results. For guided wave signal, in essence, is the need to our understanding of characteristics of guided waves, wave characteristics in the propagation process and ways of using pilot, by numerical calculation of the way th
7、e defect detection by Now. In the process, we need to use many research methods, to know about the guided wave in pipeline transmission will produce the frequency dispersion and noise and so on, therefore, it is necessary to choose the appropriate way to carry on the necessary processing, so as to p
8、roduce the results can clearly show we need on the side, so as to further treatment on the detection can very well.Here, we must first clearly written algorithm essence is for guided wave signal processing process, only after the debugging and modification, in the realization of the map will need to
9、 reach results can be very clear, will achieve the purpose of a series of research. Key words: cross correlation function, time delay estimation,Hilbert transform, defect detection 1 引言1.1 课题背景与意义 近年来，利用超声导波技术在检测管道腐蚀方面有很大的成就。经过大量的实验数据，已经在实际应用中有了很大的发展，现阶段由于检测过程中的复杂性，一般都是以计算数值的方式以及根据导波信号的特征来研究其中的关系，从而
10、实现对管道的维修。而之所以利用超声导波这种方式，就是因为其是一种无损检测，无损检测是一种能全面检测，并且能够全程检测的无破坏性检测方式，其好处就是可以在不必毁坏原材料的基础上发现研究对象存在的问题。我们将从以下几方面来学习。1.研究的目的和范围 我们所要了解的范围就是通过对超声导波信号特征以及传播规律的了解，通过设置算法的方式来实现对于管道检测的数值估计。在其中就需要我们对于导波的相关性以及时延的估计方法有一定的了解。在其检测过程中，需要在导管中传播超声波，通过研究超声波反射的波的具体情况，对导管进行关于缺陷的检测，测量其对于导波传播过程中的几何特性等。这种方法，穿透能力强，能够很精准的找到缺
11、陷位置，并且可以适用的材料很多，对于检测对象的形状以及大小没有过多的要求，总之就是试用范围及其广泛。2.使用价值和理论意义该项技术在我们的日常生活中有很大的用处，由于其方便，便宜，对于检测对象的广泛适用性，而且不会损坏检测对象，在未来的应用中有很大的潜力。能够使得在不便于破坏和挖掘检测对象的情况下，轻松地完成检测工作。现阶段的研究主要是基于其激励方式以及传播特性，而关于缺陷检测的研究也在向着更深的领域中探索。在我们国内这几年关于超声检测的研究也不仅仅局限在理论方面，在检测腐蚀等运用到超声检测的方面都有很大的发展。而且利用这种方式能够使得管道检测快速，能省去很多不必要的步骤，使得效率达到最大化，
12、对人们生活生活中起到一定的方便作用。3 理论依据和实验设备条件在关于超声导波的研究中我们要了解的理论依据有导波信号的特征，其相关以及时延的基础知识，关于信号的离散，滤波处理，以及希尔伯特变换等知识，以及检测所涉及的模板信号，处理过程等。基于以上所有，就要对算法的编写有一定的了解，对于算法能够达到熟练应用的程度。并且能够在matlab软件上仿真出其结果，进行相关的分析，得出结论。1.2 国内外文献综述在对于超声导波的无损检测探索时,最先是对平板中导波的探索。对于通过在弹性板中波的传播研究；以及关于各种不同波，如纵向波和扭转波等的传播问题,得到的相关方程公式；和在不同形状的柱体中导波传播的理论研究
13、,得出其在柱体壳中的表达公式，从而证实了截止频率存在与否。使得对于超声导波的研究有了很好的基础。在诸如多模态方面以及矩阵的排列算法等方面国外著名理工大学有了深刻的研究，并且设置出了数值计算的算法。在国内,对于超声导波研究理论方面的成就还比较少。但对于其在管道传播过程中的无损检测方面的理论和实际研究过程有着不断的突破。在上世纪八九十年代,一所美国的研究所利用磁伸超声波技术完成了缺陷检测。为其在大范围内的研究创造了一条先河。而且还有利用激励设备从中根据激励原理，激励出了超声波。最关键的对于利用超声波技术进行腐蚀检测也取得了一定的成就。在国内，由于对于超声波技术的发展起步比较晚。对于其的研究都处在基
14、础阶段，不过正是因为发展空间的巨大，已经能够从理论研究不断向实践设计转变，对于在导管的腐蚀以及缺陷检测方面能够设计出合理有用的器械，并将其运用到我们日常生活的管道检测，工程设计上来。而且随着我国对超声波技术的不断研究，利用其温度等的特性能够在航天等方面发挥重大的作用。当然，在超声波的某些方面，我国相比发达国家的发展还有一定的距离，但照着如今的发展速度，在不久的未来我们对于超声波技术的应用将会涉及各个方面，并能够对其有深入的研究。关于属于超声波中的扭曲波和纵波的实物图如下图1： 图1 扭曲波和纵波实物图扭曲波，顾名思义，就是遵循如图所示的震动方向和传播方向，其对于类似裂缝等的检测效率高，而且波的
15、损失较少，质量轻，很方便检测。纵波，对于频率范围较小的在管道内能够直线长距离传播方面有很大作用。1.3 本文要解决问题在研究中，要对陶瓷保护管进行检测，采用超声导波检测方式，通过对回波信号相关和时延等一系列的处理，得出时差，从而算出传播速度，完成检测。具体内容如下：1.分析导波检测技术的原理，引出用于检测的导波理论为后续研究奠定必要的基础。2.超声导波检测技术相比传统的检测技术，作用范围更全面，所以要充分了解超声导波的基础知识，能够通过对超声导波的处理了解其对于检测的过程。3. 根据理论设计算法，分别通过相关和时延方法来对导波缺陷处理，得到时间差。 内容安排为：在本论文中我们首先要简介超声导波，然后弄懂其检测原理，并且要能够对算法进行编程，这就需要了解关于导波的性质，特点，以及研究过程中涉及的方程，公式，设计编程过程中的回波信号，对其所进行傅里叶变化有必要的了解，能够对其调制过程，以及在其中产生的噪声进行处理，了解信号特征，匹配滤波过程，熟悉相关过程的运算，能够对其过程进行处理，随后对其进行仿真和实验，调试其过程，最后对其实验结果进行分析和讨论，得出结果。2 超声导波检测技术基本理论2.1 超声导波基本理论导波，就是一束波能够在导管中不断进行反射且能一直沿管道传播的一种波。由波与横波在传播过程中角度的大小比较会产生能量是否泄漏的不同结果。而在
