基于CEEMD和小波降噪的錨桿檢測方法

閆志勛

摘 要：針對錨桿電磁超聲信號夾雜的噪聲極大地影響有用信息的提取，提出一種基于CEEMD與小波閾值方法相結(jié)合的降噪方法。該方法利用CEEMD算法對錨桿電磁超聲信號進(jìn)行分解，得到有限個本征模態(tài)分量;然后，根據(jù)峭度指標(biāo)去除IMF分量中的噪聲分量，對剩余分量進(jìn)行重構(gòu)并進(jìn)行小波閾值處理，達(dá)到去噪效果。通過對錨桿信號數(shù)據(jù)的分析，結(jié)果表明：該方法與常用的降噪方法相比，擁有更好的抗噪性和降噪效果。

關(guān)鍵詞：CEEMD;小波降噪;錨桿檢測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.103

0 引言

在實(shí)際工程中，由于大量來自于外部環(huán)境和磁場的噪聲對錨桿信號產(chǎn)生干擾，對信號的分析造成嚴(yán)重影響[1]。本文基于以上問題提出CEEMD和小波閾值方法相結(jié)合的降噪方法應(yīng)用于錨桿電磁超聲檢測。

1 CEEMD方法

CEEMD方法是一種新的自適應(yīng)信號分解方法，該方法能有效地解決EMD方法存在分解不穩(wěn)定、模式混疊和端點(diǎn)效應(yīng)等問題，同時還能有效抑制EEMD人為添加白噪聲引起的誤差。

CEEMD包括以下幾個步驟：

第一步：將目標(biāo)信號加入高斯白噪聲序列yn（t）得到新的數(shù)據(jù)y1;

第二步：將新數(shù)據(jù)y1進(jìn)行EMD運(yùn)算，得到一組IMF分量，總體平均值記為IMF1;

第三步：將目標(biāo)信號加入與步驟1中符號相反的高斯白噪聲序列yn（t），得到新的數(shù)據(jù)中符號相反的y2;

第四步：將新數(shù)據(jù)y2進(jìn)行EMD運(yùn)算，得到一組IMF分量，總體平均值記為IMF2;

第五步：分別求取IMF1和IMF1對應(yīng)分量的平均值，則CEEMD的分解結(jié)果為IMF=（IMF1+IMF2）/2。

2 小波閾值降噪

小波變換是在短時傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種信號時頻分析方法，具有良好的時頻局部化處理能力[3]。目前，小波變換方法主要可分為3類：基于小波變換模極大值小波去噪、基于小波變換相關(guān)去噪和I值去噪法。其中小波閾值去噪方法由于重構(gòu)信號原理簡單、計算量小、且去噪效果較好，因此得到廣泛地應(yīng)用。

常用的小波閾值有固定閾值、無偏似然估計閾值、啟發(fā)式閾值和極大極小值閾值。小波閾值去噪主要分為如下幾個步驟：選取一個小波基并確定分解層數(shù)對噪聲信號進(jìn)行小波變換得到低頻小波系數(shù)和高頻小波系數(shù);然后分解的高頻小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理;得到處理后高頻系數(shù)，最后將低頻系數(shù)和處理的高頻小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，得到去噪信號。

3 試驗驗證分析

測試中采用的錨桿為長度為3m，直徑為22mm。線圈位置分別位于距左端面30cm處和60cm處。檢測的具體方法為：首先通過激勵線圈產(chǎn)生磁致伸縮導(dǎo)波，由感應(yīng)線圈接反射回來的信號，再通過采集模塊傳送至上位機(jī)。激勵信號到達(dá)端部時會發(fā)生反射并且信號發(fā)生了相位突變。因此，找到反射信號的相位變化時刻來計算錨桿的長度。假設(shè)錨桿的長度為L，超聲導(dǎo)波在錨桿中的傳播波速為c，感應(yīng)線圈接收到端面反射信號的時間為t，計算錨桿長度的公式為式（1），波速c一般取5000m/s。

為驗證本文方法相較于其他降噪方法的優(yōu)勢，將原始信號，小波閾值去噪，EEMD小波閾值處理，以及本文提出的降噪方法進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1所示。表1是原始信號和3種降噪方法得到的錨桿長度值和相對誤差率。

（c）本文方法降噪效果

從圖1和表1分析可知，波形可以看出，信號中存在大量噪聲信號，端面反射信號的時刻很難判斷;EMD小波閾值法波形平滑，但誤差率較大;而本文提出的降噪算法的降噪效果好，含噪聲較少且波形平滑，最大限度地恢復(fù)了原始信號，計算錨桿長度誤差最小，僅為1.6%。

4 結(jié)論

本文采取CEEMD與小波閾值去噪方法相結(jié)合的方式，利用峭度指標(biāo)確定敏感分量，借助小波變換時頻局部化處理能力，更大限度地去除噪聲。由分析可知，本文方法相較于傳統(tǒng)小波閾值方法以及EMD小波閾值降噪方法，降噪效果有較大改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]何文，王成，石文芳等.錨桿錨固質(zhì)量的超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2017（06）：567-572.

[2]胡敏，張娟娟，賈松陽.基于多小波和CEEMD的軸承故障診斷方法[J].哈爾濱軸承，2018，39（03）：3-8+12.

[3]韋力強(qiáng).基于小波變換的信號去噪研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2007.河北省研究生創(chuàng)新資助項目“錨桿磁致伸縮采集分析系統(tǒng)”（CXZZSS2018064）