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高壓水射流反射聲音信號實時采集與處理

高壓水射流反射聲音信號實時采集與處理

  高壓水射流是一項迅速發展起來的新技術,不僅可以實現對靶物的高效切割,而且可以通過識別射流沖擊靶物時產生的反射聲信號的特征值而識別靶物的材質和幾何尺寸[1-4]。要準確識別靶物材質和幾何尺寸,必須搭建高速、實時的聲音數據采集系統實時采集聲音信號。該聲音信號不僅包括射流沖擊靶物產生的反射聲,也包括環境噪聲和射流噴射后擾動周圍空氣介質產生的噪聲。要有效提取反映不同材質和幾何尺寸的聲音特征值,必須采用先進的信號處理方法進行降噪和特征值提取。本文采本文由論文聯盟http://收集整理用小波降噪的方法實現對反射聲信號的降噪和特征值提取,采用matlab語言進行編程,同時采用傳聲器結合ni公司的labview軟件和pci6251采集卡搭建數據采集系統,利用 math cript節點實現matlab與labview軟件的通訊,實現了高壓水射流靶物反射聲信號的大容量數據實時采集與處理[5-8]。
  1 小波分析基本原理
  11 小波函數
  小波在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率,而在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低頻率分辨率。通過小波變化可實現信號的降噪和重構。
  對于連續情況,小波序列為
  12 小波降噪基本原理
  水射流沖擊靶物目標產生的反射聲音信號不但包括有用的靶物材質聲信號,也包含了由于環境擾動帶來的噪音信號。要準確提取對應材質和幾何尺寸的有用信號,必須對采集到的信號進行降噪處理。www.haofudezsh51.com信號的降噪方法很多種,如ecg信號降噪法、gabor變換降噪法、小波變換降噪法等等。傳統的降噪方法在有用信號和噪聲的頻譜相互分離時具有良好的效果,但是當有用信號和噪聲的頻譜相互重疊時,則無法將它們區分開。小波的降噪方法是一種信息保持型的線性運算,可以準確得到信號在細微處的形態,有效的解決了時域頻域局部化矛盾,被越來越廣泛的應用于工程實際中,其具體原理如下[9-10]。
  假定含噪聲信號
  由此可以看出,閾值的選擇很大程度決定著降噪的效果。
  閾值的規則包括以下四種:
   rigrsure 是一種基于史坦的無偏似然估計原理的自適應閾值選擇;
   heursure 是一種啟發式閾值選擇規則,也是最優預測變量閾值選擇;
   fixed form 采用固定的閾值形式,產生的闡值大小是2lglengh(x);
   minimax 采用的是極大極小原理選擇閾值,它產生一個最小均方誤差的極值,而不是無誤差。

  當信號的高頻部分在噪聲域很小時,選用minimaxi和rigrsure閾值規則不容易丟失信號中的有用成分,但只除去較少的噪聲。選擇fixed form閾值規則可以有效地去除噪聲。而heursure是一種折衷的辦法。
  閾值也有軟閾值和硬閾值之分,兩者有比較明顯的區別。設w是小波系數的大小,是施加閾值后的小波系數大小,λ是閾值(見圖1)。
  硬閾值:當小波系數的絕對值小于給定閾值時,令其值為0,當大于閾值時,其值保持不變,如圖1a所示。
  軟閾值:當小波系數的絕對值小于給定閾值時,令其值為0,當大于閾值時,令其減去閾值,如圖1b所示。
  
  (a) 硬閾值 (b)軟閾值
  圖1 軟、硬閾值圖
  軟閾值法得到的小波系數整體連續性好,從而使估計信號不會產生附加振蕩,處理后的信號更平滑一些,但是也會丟失某些特征;硬閾值法在均方誤差意義上優于軟閾值,但所得的估計信號會產生附加信號,硬閾值可以保留信號的特征,但平滑方面有所欠缺.根據文獻[11]2 437研究的優化結果,本文程序里面采用軟閾值法,小波降噪算法選擇‘db3’母小波,分解層數為4的降噪模式,其降噪的程度更好,且突變點特征值更明顯。
  13 模極大值算法
  當水射流沖擊不同材質靶物時,傳感器采集到的反射聲音信號幅值會在靶物的邊界產生突變。信號中不規則的突變部分(奇異點)對應著不同的靶物幾何形狀參數的特征點,因此需要采用有效方法將特征值檢測出來。本文采用小波變換模極大值算法實現對特征值的檢測。模極大值算法的原理如下:
  在某一尺度x0存在一個點(x0,y0)使得wf(x0,y)y=0,則稱點(x0,y0)是局部極值點,且wf(x0,y)y在y=y0 上有一個模極大值,如果對y0的某一臨域內的任意點y,有|wf(x0,y)≤|wf(x0,y0)||,則稱為小波變換模極大值點。尺度空間中所有的模極大值點的連線稱為模極大值線。
  在通常情況下,信號的奇異性可分為兩種情況:一種是信號在某一時刻,幅值發生突變引起信號不連續,信號的突變點是第一種類型的間斷點;另一種是信號外觀上很光滑,其幅值沒有突變,但在信號的一階微分上有突變產生,且一階微分是不連續的,稱此為第二種類型的間斷點。水射流沖擊靶物得到的聲音信號會在靶物的邊界位置幅

值出現突變,所以屬于第一類型間斷點。借助模極大值算法思想,檢測對應材質突變點,用于后續建立相應的特征值數據庫及材質和幾何尺寸的在線識別。
  2 系統硬件和實驗設計
  為了實現信號的不失真采集及分析處理,本文利用傳聲器和ni公司的pci6251采集卡搭建聲音信號高速實時采集硬件系統。其中傳聲器選用杭州愛華儀器有限公司的測試傳聲器14423、awa14604型放大器組成的聲音測試單元,連接在bnc多功能接口盒上,通過數據采集卡pci-6251送入計算機。采用labview軟件編制聲音信號的采集軟件,試驗硬件系統結構如圖2所示。實驗時,將地雷埋在如圖2所示的位置,上面覆蓋有草和泥土,人工手持高壓水射流噴頭進行探測,同時將傳聲器和噴頭放在一起同步進行直線移動完成一段直線位移的探測和反射聲信號的采集。
  圖2 試驗裝置硬件圖
  3 系統軟件調試
  本系統軟件是在labview開發平臺上開發的,選擇daq助手相應的物理通道,實現對聲音信號的采集。同時應用matlab語言編制小波降噪技術和模極大值算法程序[11-14]2 735。通過調用math cript節點實現在labview的運行環境下對matlab程序的調用,即實現信號在軟件間的通訊,并可在面板中同時顯示出兩軟件運行結果。math scrip節點的程序主要包括:小波降噪、參數選擇、信號重構、圖標顯示。同時系統處理的某些信號需要進行離線分析,因此編制的軟件可以實現對該信號進行存儲,然后在后的分析中進行調用。系統軟件流程如圖3所示,系統軟件前面板如圖4所示,后面板的編程完成不同軟件間的信號通訊如圖5所示。系統軟件對math cript節點程序的調用,完成了小波的降噪過程,同時也可以把對應不同靶物材質的反射聲信號突變檢測出來(見圖6)。
  在上述實驗過程中,系統采集到的數據量達到幾十萬個,占用的物理空間非常大,給計算機的運算分析帶來很大壓力,為了便于后續分析,本文對信號進行取平均值處理, 將信號壓縮成4萬個關鍵數據便于后續模極大值處理。水射流沖擊到不同靶物邊緣時,產生的反射聲信號會發生突變, 通過模極大值程序運行可以檢測到靶物的邊緣(見圖7)。利用該值計算出的靶物直徑為300 mm,與試驗中預埋的地雷直徑完全相符。
  采樣點數
  (a) 采樣原始數據
  采樣點數
  (b) 采樣處理后數據
  4 結論
  從實驗結果可以看出,本文設計的高壓水射流反射聲音信號高速實時采集系統,可以實時采集水射流沖擊靶物得到的大容量反射聲音信號,利用小波降噪方法有效地將有用信號同環境噪音信號、水射流本底噪音信號分離,獲取對應不同靶物材質的特征值。利用模極大值方法獲得對應靶物幾何尺寸聲音突變點的特征值,用于后續的靶物材質和幾何尺寸特征值數據庫的建立,進而實現高壓水射流靶物的準確識別。
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  •  更新時間:2013-09-12 13:00:10  作者:楊洪濤 [標簽: 射流 實時 數據采集 高壓水 射流 實時 ]
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