鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號分離方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號分離方法，針對鐵磁性材料脈沖漏磁檢測法響應(yīng)信號復(fù)雜、難以對缺陷進(jìn)行定量、檢測效果較差等問題，通過盲信號分離理論與技術(shù)，使用線性混合模型并采用獨(dú)立成分分析ICA的方法將渦流信號和漏磁信號從混合的檢測信號中分離出來，實(shí)現(xiàn)了對鐵磁性材料內(nèi)外缺陷的定量評估更加精確與高效，提高了信號的信噪比，增強(qiáng)了信號靈敏度，使原本采用單一的濾波和時域求平均等信號處理方法變得豐富。
【專利說明】鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號分離方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號為渦流信號與漏磁信號的線性疊加，本發(fā)明通過盲信號分離算法，實(shí)現(xiàn)渦流信號和漏磁信號的分離，方便對缺陷的定量分析，提高脈沖漏磁對鐵磁性構(gòu)件的檢測效果，屬于無損檢測及信號處理領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]脈沖漏磁檢測作為一種新型無損檢測方法，可以對導(dǎo)電材料的表面和近表面進(jìn)行檢測，因其具有很寬的頻譜，只需一次掃描就能分析被測試件不同深度的缺陷，因其檢測能力出眾，目前在壓力容器、石油管道、鐵軌等鐵磁性構(gòu)件的無損評估領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于鐵磁性構(gòu)件與非鐵磁性構(gòu)件的渦流檢測內(nèi)部磁疇的不同，在鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號中往往不是純粹的渦流信號，還包含了漏磁信號。因?yàn)樵阼F磁性構(gòu)件中迅速衰減的渦電流會對構(gòu)件產(chǎn)生局部磁化，而有缺陷的地方就會產(chǎn)生漏磁場，以至于漏磁信號和渦流信號發(fā)生了混合，有必要對其進(jìn)行分離和提取。
[0003]在對脈沖漏磁響應(yīng)信號的后期處理中一般采用經(jīng)典的時域?yàn)V波的方法，在濾波過程中會損失一部分有用的信號或還有噪聲信號的剩余，隨著對缺陷精確定量評估的需要，這種傳統(tǒng)的信號處理方式已難以滿足實(shí)際要求，故需要采用新的信號處理技術(shù)，故而提出了一種基于鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號盲分離方法。
[0004]盲源分離(blind source separat1n, BSS)技術(shù)簡稱盲分離，是指在未知源信號及其混合過程的情況下，只利用一組由傳感器陣列觀測到的混合信號(也稱為觀測信號)，來分離混合信號從而恢復(fù)源信號或者是混合過程的信號處理方法，在過去的二十多年間是信號處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0005]盲源分離技術(shù)最初起源于“雞尾酒會”問題，在二十世紀(jì)九十年代之前一致困擾著科技工作者，盲源分離技術(shù)就是為了解決此問題而提出來的。盲信號分離中的“盲”具有兩重含義:(1)源信號未知；(2)信號的混合過程未知。在實(shí)際問題當(dāng)中經(jīng)常面臨著源信號和混合參數(shù)未知的情況，因此盲源分離具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在線性混合盲分離算法的研究領(lǐng)域，已經(jīng)有成熟的數(shù)學(xué)模型和豐富的研究成果產(chǎn)生。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)學(xué)科的不斷深入，大量行之有效的盲分離算法不斷被提出，使盲分離問題逐漸成為當(dāng)今信息處理領(lǐng)域中最熱門的研究課題之一，在無線電通信、圖象處理、地震信號處理、陣列信號處理和生物醫(yī)學(xué)信號處理等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]一種鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號分離方法，包括如下步驟:
[0008](I)脈沖漏磁探頭對鐵磁性構(gòu)件進(jìn)行缺陷檢測并采集磁場信號；
[0009](2)對采集的磁場信號進(jìn)行預(yù)處理；
[0010](3)采取同一缺陷信號采集兩次構(gòu)成輸入矩陣將單通道盲源分離欠定問題轉(zhuǎn)化為正定問題；
[0011](4)根據(jù)采集的磁場信號的矢量疊加原理，認(rèn)為渦流信號與漏磁信號的線性疊加，采用線性盲源分離算法對信號進(jìn)行分離；
[0012](5)將分離的渦流信號和漏磁信號與鐵磁性構(gòu)件內(nèi)外缺陷對應(yīng)，進(jìn)而識別缺陷。
[0013]所述在鐵磁性構(gòu)件中，激勵脈沖信號源經(jīng)傅里葉分解包含直流分量與各次諧波分量的疊加，鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號中不僅含有渦流信號，同時渦流信號包含了漏磁信號。
[0014]所述步驟(2)中的預(yù)處理包括對采集的磁場信號的放大、濾波、去噪，以及濾波、主成分提取、白化、快速傅里葉變換。
[0015]所述步驟(4)中的盲源分離算法采用獨(dú)立成分分析法，首先要對磁場信號進(jìn)行分離處理，利用MATLAB軟件編寫盲分離的算法程序，通過MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)右邊緣引出輸出變量，使數(shù)據(jù)類型和輸入變量保持一致，把盲分離過程中的包括原始數(shù)據(jù)、混合數(shù)據(jù)、白化后的數(shù)據(jù)以及分離數(shù)據(jù)在內(nèi)的重要變量以圖形的方式顯示。
[0016]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:
[0017]本發(fā)明針對脈沖漏磁檢測法在鐵磁性材料缺陷檢測上的不足與采集信號效果不佳，提出基于鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號分離方法，將渦流信號和漏磁信號從檢測信號中分離出來，由單一信號分離出多個獨(dú)立成分屬于盲源分離欠定問題，此時混合矩陣是不可逆的病態(tài)矩陣，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)盲分離的需求。
[0018]欠定盲信號分離也是信號處理領(lǐng)域的一個研究難點(diǎn)也是關(guān)注重點(diǎn)，通常采用“二步法”來實(shí)現(xiàn)信號的盲分離，即先估計混合矩陣，再估計源信號，該問題的求解目前主要有變換域?yàn)V波法、利用傳統(tǒng)的盲信號分離法、基函數(shù)法、稀疏分解/表示法等，不同的方法各有特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。變換域?yàn)V波法通過域的變換，將本來重疊的信號分離開來，其在包含多個頻率分量的時域信號分離中得到了廣泛的應(yīng)用；利用傳統(tǒng)ICA/BSS法，通過構(gòu)造延遲向量、奇異值分解、多倍采樣等方法，將一維觀測量構(gòu)造為多維觀測量，從而將欠定問題轉(zhuǎn)換為適定問題，進(jìn)而采用傳統(tǒng)盲信號分離法實(shí)現(xiàn)信號分離；基函數(shù)法首先使用未經(jīng)混合的源信號作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，獲得源信號的基函數(shù)，再采用這些基函數(shù)恢復(fù)單通道混疊信號中的源信號；稀疏分解/表示法針對稀疏信號中某些時刻源信號數(shù)目少于或等于傳感器數(shù)目的情況，分離源信號。
[0019]脈沖漏磁響應(yīng)信號頻譜很寬，無論在時域還是頻域均重疊在一起，采用變換域?yàn)V波法難以分離渦流信號和漏磁信號。另外，鐵磁性材料脈沖漏磁響應(yīng)信號與材料的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、參雜度以及缺陷的種類等多種因素相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)試樣的制作費(fèi)時費(fèi)力且代價高昂，而基函數(shù)法需要預(yù)先采用非混疊源信號訓(xùn)練獲得源信號基函數(shù)，因此其不適用于鐵磁性脈沖漏磁響應(yīng)信號盲源分離。檢測時缺陷區(qū)域的渦流磁場和漏磁場同時作用，磁敏元件感應(yīng)的磁場信號并不是稀疏信號，所以稀疏分解/表示法也不適用于鐵磁性脈沖響應(yīng)信號盲源分離?？紤]到鐵磁性脈沖漏磁響應(yīng)信號包含的渦流信號和漏磁信號為相互獨(dú)立的成分，本發(fā)明采用獨(dú)立成分分析算法是鐵磁性脈沖響應(yīng)信號盲源分離的一種理想選擇。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是脈沖漏磁信號的處理結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2是盲信分離的理論模型，
[0022]圖3是盲信號的處理流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說明。
[0024]圖1是脈沖漏磁響應(yīng)信號的處理結(jié)構(gòu)圖，詳細(xì)說明了從信號的發(fā)生到分離的每一個步驟。
[0025]本發(fā)明應(yīng)用前提在于，在鐵磁性構(gòu)件中，激勵脈沖信號源經(jīng)傅里葉分解包含直流分量與各次諧波分量的疊加，因此，鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號中不僅含有渦流信號，同時由于渦電流對構(gòu)件產(chǎn)生微弱地局部磁化，使得渦流信號包含了漏磁信號。
[0026]步驟(I)，首先，由矩形波信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，經(jīng)由功率放大器放大后，經(jīng)過激勵線圈(即鐵氧體上的脈沖漏磁探頭)在鐵磁性構(gòu)件上產(chǎn)生渦流場和漏磁場，霍爾傳感器拾取它們的混合信號進(jìn)入信號調(diào)理電路。
[0027]步驟(2)，信號調(diào)理電路對采集的磁場信號進(jìn)行預(yù)處理，在脈沖漏磁響應(yīng)信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前，先進(jìn)行放大、濾波、去噪等一些預(yù)處理，使得信號后續(xù)處理更加便捷與有效；此外，還要對采集的磁場信號進(jìn)行濾波、主成分提取、白化、快速傅里葉變換等預(yù)處理。
[0028]數(shù)據(jù)采集卡用于采集信號，結(jié)合信號調(diào)理電路預(yù)處理后得到的信號和信號發(fā)生器的初始信號，完成采集。采集的信號顯示在PC機(jī)上。
[0029]步驟(3)，由單一缺陷信號分離出渦流信號和漏磁信號屬于盲源分離的欠定問題，因?yàn)樵葱盘柕臄?shù)目大于觀測的信號，為了方便研究，把這種單入兩出的問題轉(zhuǎn)化為兩入兩出的問題，采取同一缺陷信號采集兩次構(gòu)成輸入矩陣將單通道盲源分離欠定問題轉(zhuǎn)化為正定問題。
[0030]步驟(4)，從脈沖激勵源的傅里葉變換機(jī)理出發(fā)，根據(jù)采集的磁場信號的矢量場的線性疊加原理，認(rèn)為渦流信號和漏磁信號都是磁場矢量，可以看作是線性混合，采用線性混合盲分離算法對信號進(jìn)行分離。
[0031]采用磁敏元件感應(yīng)的磁場信號認(rèn)為是渦流信號與漏磁信號的矢量線性疊加，故采用發(fā)展最為成熟的線性混合的函數(shù)模型。然而，由于脈沖響應(yīng)信號的分離屬于欠定問題，此時混合矩陣是不可逆的病態(tài)矩陣，難以從單一響應(yīng)信號中分離出渦流和漏磁信號。因此，采用同一信號兩次觀測的方法，將兩次觀測的信號構(gòu)成二維觀測量，從而將單通道盲信號分離轉(zhuǎn)化為正定的盲信號分離問題。此時，可以用傳統(tǒng)的盲信號分離算法，如獨(dú)立成分分析法分離出渦流信號與漏磁信號。
[0032]在獨(dú)立成分分析法中，F(xiàn)astICA算法采用了定點(diǎn)迭代的優(yōu)化算法，使得收斂更加快速、穩(wěn)健。因此采用FastICA算法對鐵磁性脈沖漏磁響應(yīng)信號進(jìn)行分離。該算法采用牛頓迭代算法，對觀測變量X的大量采樣點(diǎn)進(jìn)行批處理，每次從觀測信號中分離出一個獨(dú)立分量，是一種快速的尋優(yōu)迭代算法。而采用傳統(tǒng)的時域?yàn)V波方法，由于渦流和漏磁信號的處于信號的各個頻段，難以對其進(jìn)行精確的定量分離，從而采用盲分離的方法使分離的信號更為接近原始信號，從而實(shí)現(xiàn)對鐵磁性材料內(nèi)外缺陷的全面而精確的定量評估。
[0033]圖3為鐵磁性脈沖漏磁響應(yīng)信號盲源分離處理流程圖。圖2的理論模型與圖3對應(yīng)，說明了信號從混合到分離的過程。
[0034]根據(jù)圖3所示的具體的獨(dú)立成分分析法的盲信號處理流程，圖1中，把信號引入MATLAB進(jìn)行處理，在設(shè)置變量過程中要選擇合適的數(shù)據(jù)類型，以免程序出現(xiàn)數(shù)據(jù)類型不匹配等錯誤。然后圖3中根據(jù)盲分離理論的線性混合模型模型編寫程序，將二維混合脈沖響應(yīng)信號作為FastICA算法的輸入矩陣，經(jīng)過去均值、白化、滑動平均、計算協(xié)方差、特征值處理后，利用FastICA算法估計分離矩陣，將渦流信號和漏磁信號成功從鐵磁性脈沖響應(yīng)信號中分離出來。然后再將分離出來的渦流和漏磁信號與鐵磁性構(gòu)件內(nèi)外缺陷種類對應(yīng)，進(jìn)而識別缺陷。上述FastICA算法的具體內(nèi)容可參見現(xiàn)有文獻(xiàn)。
[0035]步驟(5)，將分離出來的渦流信號和漏磁信號與鐵磁性構(gòu)件內(nèi)外缺陷對應(yīng)，進(jìn)而識別缺陷，為缺陷的定量分析打下理論基礎(chǔ)。此步驟識別缺陷的方式采用現(xiàn)有技術(shù)。
[0036]以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例?？梢岳斫猓绢I(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和構(gòu)思的前提下直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的其他改進(jìn)和變化，均應(yīng)認(rèn)為包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號分離方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)脈沖漏磁探頭對鐵磁性構(gòu)件進(jìn)行缺陷檢測并采集磁場信號； (2)對采集的磁場信號進(jìn)行預(yù)處理； (3)采取同一缺陷信號采集兩次構(gòu)成輸入矩陣將單通道盲源分離欠定問題轉(zhuǎn)化為正定問題； (4)根據(jù)采集的磁場信號的矢量疊加原理，認(rèn)為渦流信號與漏磁信號的線性疊加，采用線性盲源分離算法對信號進(jìn)行分離； (5)將分離的渦流信號和漏磁信號與鐵磁性構(gòu)件內(nèi)外缺陷對應(yīng)，進(jìn)而識別缺陷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號分離方法，其特征在于:所述在鐵磁性構(gòu)件中，激勵脈沖信號源經(jīng)傅里葉分解包含直流分量與各次諧波分量的疊加，鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號中不僅含有渦流信號，同時渦流信號包含了漏磁信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號分離方法，其特征在于:所述步驟(2)中的預(yù)處理包括對采集的磁場信號的放大、濾波、去噪，以及濾波、主成分提取、白化、快速傅里葉變換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述鐵磁性構(gòu)件的脈沖漏磁響應(yīng)信號分離方法，其特征在于:所述步驟(4)中的盲源分離算法采用獨(dú)立成分分析法，首先要對磁場信號進(jìn)行分離處理，利用MATLAB軟件編寫盲分離的算法程序，通過MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)右邊緣引出輸出變量，使數(shù)據(jù)類型和輸入變量保持一致，把盲分離過程中的包括原始數(shù)據(jù)、混合數(shù)據(jù)、白化后的數(shù)據(jù)以及分離數(shù)據(jù)在內(nèi)的重要變量以圖形的方式顯示。
【文檔編號】G01N27/82GK104267094SQ201410490384
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】周德強(qiáng), 王俊, 潘萌, 吳佳龍, 趙健, 杜陽, 謝廣喜 申請人:江南大學(xué)