濾波器在聲發射信號噪聲預處理中的應用

馬菲　王春嫻

摘要：隨著復合材料的廣泛應用，利用聲發射技術實現損傷聲發射源定位技術逐步成熟，在定位技術中對信號中噪聲的處理非常重要。本文在詳細分析聲發射源定位中噪聲模型的基礎上，設計了一種基于形態學的濾波器，給出了濾波器用于聲發射信號降噪的理論依據。實驗結果表明，基于數學形態學的濾波器在去除聲發射信號噪聲方面是有效的，與其他常用的信號處理方法相比有明顯的優勢。

關鍵詞：聲發射 數學形態學 濾波器 噪聲處理

中圖分類號：TH165.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0071-02

對復合材料進行實時健康監測，找出其損傷部位，以確保設備和裝置的安全運行，但進行實時監測時現場的噪聲非常嚴重，因此如何對初始聲波信號進行有效的濾波就至關重要了。常用的濾波器方法有時域平均法、小波濾波器、均值濾波器、平滑濾波器等，這些常用的數字濾波器因為基于時域、頻域或者時頻域而設計的，所以會存在著時滯、相移等缺陷，尤其是當信號頻率與噪音干擾相互疊加時，這些濾波器更難以將噪音過濾。基于數學形態學的濾波器是一種新型非線性濾波器，相比傳統的濾波手段，形態學濾波器更快速、簡便，尤其在對數據的實時處理方面優勢明顯，同時，形態學濾波在現行相位上的良好表現保證其取得更好的濾波效果，作為信號預處理手段，其效果完全符合后期需要。

1 數學形態學濾波器的設計

基于形態學開、閉運算建立起來的形態學濾波器是用一個結構元素B對初始信號串聯地使用開、閉運算。這樣聲發射信號中比結構元素小的游離的噪聲將被濾除。若原始聲發射為A，結構元素為B，那么形態濾波器的構成用如下模型表示：

在上式中發現廣義形態濾波器的權系數在整個濾波過程中均保持不變，這樣固定的權無法使濾波效果達到最佳。如何通過調節權系數使得濾波效果達到最優的目的，可以借助于梯度法對權系數進行迭代優化，使其達到最優化狀態。

2 基于數學形態學濾波器的聲發射信號處理實驗與分析

首先，以常見的聲音信號為例，對基于數學形態學聲發射信號濾波器有效性進行驗證。對原始信號進行加噪處理，加入干擾噪音0.02cos（1000t），其進行數學形態濾波器濾噪，所得結果圖如圖3-1所示。

通過圖3-1可以看出采用數學形態濾波器對信號進行濾波處理的效果良好，達到了預期效果。

針對復合材料聲發射信號濾波方法進行研究，以斷鉛實驗模擬復合材料損傷檢測時的聲發射信號，對測量獲得的信號采用基于數學形態學濾波器進行濾波，以消除干擾信號的影響。如圖3-2所示，通道1信號為原始采集的聲發射信號，通道2信號為添加高斯白噪聲后的聲發射信號。

通過觀察可以看出，聲發射信號受到高斯白噪聲的嚴重干擾，非常有必要對其進行信號過濾處理。采用上述針對編織復合材料設計的數學形態濾波器對聲發射信號進行過濾，即經過廣義開-閉濾波器和廣義閉-開濾波器處理后的信號如圖3-3所示。

再用均值濾波器對復合材料聲發射信號進行濾波，其濾波效果與經過數學形態學濾波器處理的效果進行比較，以驗證數學形態學濾波的優越性，圖3-4所示為均值濾波器處理后的波形。

從圖3-3與圖3-4比較來看，數學形態學濾波器效果更好，因為均值濾波器邊緣值出現模糊現象，并且有一定的延遲。通過實驗可以發現，數學形態濾波器的結構元素寬度與數學形態濾波器低通特性有一定的關系，寬度越大，數學形態濾波器的幅頻特性通過相應的寬度就會越窄。

3 結語

采用數學形態濾波器對聲發射信號進行預處理，其對噪聲的抑制效果明顯。數學形態濾波器與其他濾波器相比，有著冪等性、平移不變性，單調性等優點，經過均值濾波器處理過后的聲發射信號存在局部干擾，同時可以看出具有明顯的相位延遲。而經過數學形態濾波器處理過后，除了主頻外，其余頻率幅值趨近于零。同時通過對相關理論的分析發現，其應用不僅僅局限于聲發射信號，還可為滑模控制算法提供一定的思路與設計，滑模控制其中一個最大的瓶頸問題在于抖振，如何減弱抖振成為滑模控制研究的重中之重的問題了。為此，可以借助于非線性的數學形態學濾波器對高頻抖振進行控制輸入信號過濾。從而可以有效的削弱控制抖振問題。

參考文獻

[1]王樹文，等.數學形態學在圖像處理中的應用[J].計算機工程與應用，2004（32）.

[2]崔屹.圖像處理與分析—數學形態學方法及應用[M].北京：科學出版社，2000.

[3]楊暉，張繼武.數學形態學在圖像邊緣檢測中的應用研究[J].遼寧大學學報，2005（1）.

[4]盧緒祥，劉雨佳，李錄平，陳鎮南，黃章俊.形態濾波在滑動軸承聲發射信號降噪中的應用[J].動力工程學報，2013，33（4）.

[5]LI Bing，ZHANG Peilin，WANG Zhengjun， et al. Gear fault detection using multi-scale morphological filters[J]. Measurement，2011，44（10）.

[6]蔣章，鄧艾東，蔡賓宏.基于梯度法的自適應廣義形態濾波在碰摩聲發射信號降噪中的應用[J].中國電機工程學報，2011，31（8）.

[7]馬澤瑋.廣義形態濾波在滾動軸承降噪中的應用[J].運城學院學報，2014，32（4）.

[8]郝如江，盧文秀，褚福磊.形態濾波在滾動軸承故障聲發射信號處理中應用[J].清華大學學報（自然科學版），2008（5）.

[9]CHIEMENTIN X，MBA D，CHARNLEY B， et al. Effect of the denosing on acoustic emission signals[J]. Journal of Vibration and Acoustics，2010，132.（3）.