DOI:10.13436/j.mkjx.2011.03.132 第 32 2011 卷第 年 03 03 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.32 No.03 Mar. 2011 小波空域去噪改进算法在焊接缺陷信号分析中的应用 郑州航空工业管理学院 尹 欣 1，2， 郑州 ， （1． 孙 新 1， 秦东浩 2 450015； 2. 西北工业大学 西安 摘 要 ： 针对高温合金摩擦焊接头超声检测中缺陷信号特点 ， 710072） ， 通过运用遗传算法对小波阈值 函数进行寻优 ， 提出一种小波空域相关系数去噪的改进算法 该方法可以对缺陷信号的相关系数 。 进行非线性阈值处理 ， 进而实现对非平稳焊接缺陷检测信号的去噪处理 为后续进一步实现缺陷 。 的准确分析奠定基础 。 小波空域 关键词 ： 去噪 ； ； 改进 ； 焊接缺陷 中图分类号 ： TN911； TP39 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1003 － 0794（2011）03 － 0255 － 03 Application of Improved Wavelet Air Zone De-noising Algorithm in Welding Defect Signal Analysis YIN Xin1，2， SUN Xin1， QIN Dong-hao2 （1. Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015, China； 2. Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China） Abstract： In view of the characteristic of defect supersonic examination signal of super-alloy friction welding joint, proposes one kind of wavelet air zone correlation coefficient de -noising improvement algorithm by using the genetic algorithm to carry on the optimization to the wavelet threshold value function. This method may carry on misalignment threshold value processing to the flaw signal correlation coefficient, and realize to de-noise to the non-steady weld defect detection signal. And it will lay the foundation for the following accurate analysis of the defects. Key words： wavelet air zone； de-noising； improvement； welding defect 0 引言 摩 擦 焊 接 属 于 固 相 热 压 焊 方 法 ， 化焊相比 ， 具有许多不可比拟的优点 。 与 传 统 的 熔 但当材料焊 接性差 、 焊接参数不当或表面清理不好时 在摩擦焊 ， 连接界面会 出现一些未 焊合和弱结 合缺陷 ， 如 何 准确的 对缺陷进行 定性定量分 析是研究的 重 因此 ， 点 。 采 用 超 声 C 扫 描 成 像 法 检 测 到 某 高 GH4169 温合金的缺陷信号 关法优化阈值函数 ， ， 并将遗传算法引入小波空域相 提出一种改进的去噪方法 为 ， 后续进一步进行缺陷的准确分析奠定基础 。 1 实验方案设计 超声检测实验系统如图 1 超声波探伤仪及探头 、A/D 所示 由计算机 、Ul- ， 采样卡等构成硬 traPAC 件部分 集 ， 并在系统 软件支持下 完成回波信 号的采 ， ， 实验中采用航空发动机常用材料 GH4169 焊接方式为惯性摩擦焊 合金来制备缺陷试样 ， 测得到的信号经预处理后如图 所示 。 2 高温 检 。 255 超声波 探伤仪 探头 试样 图 1 A/D采样卡 计算机 软件 信号去噪 信号采集去噪系统 200 100 0 -100 -200 -300 20 40 60 80 100 120 图 2 预处理后的摩擦焊超声检测信号 小波空域去噪改进算法 传统空域相关算法 设含噪信号分解的最大尺度为 2 2.1 j 换 数乘积 ， 尺 度 上 第 点 处 含 噪 信 号 n f 取相邻尺度 的小波系数 进行计算 定 义相关系 ， 表示 的 静 态 离 散 小 波 变 J，wf（j，n） Corrl（j，n）＝ l-1 仪wf（j＋i，n） i = 0 （1） 

32 式中 03 表示参与相关运算的尺度数 ， l ，j＜J-1 。 于信号的突变部分的宽度随着尺度的增大而增大 而且相邻的突变点在粗尺度上将会相互影响 因此 式 一般取 中 有 。 ， ， （1） ， l=2， 由 Corr2（j，n）＝wf（j，n）gwf（j＋1，n） 一般称 Corr2（j，n） 为尺度 上第 n=1，2，…N（2） 点的相关系 n j 数 。 ， 2.2 基于相关系数的阈值去噪改进算法 一般情况下 导致信号不是很连续 硬阈值法往往使得去噪信号有较 大的方差 软阈值法去噪的信 但会导致结果有较大的偏差 号虽然相对比较平滑 。 空域相关法去噪采取的是对相邻积系数硬阈值去噪 的思想 引入 为克服硬阈值法和软阈值法的缺点 ， ， ， 。 收缩因子函数 使得 U（P，tp）， f（j，n）=U（P，tp）wf（j，n） ＾ w 构造新的收敛因子函数 （1） 为了找出最优的阈值 Unew（P，tp，k） 即寻找 函数的最小 ， MSE 改进成一种连续的函数 Unew（P，tp，k）， ， （3） ， 将 点 如下式 U（P，tp） Unew（P，tp，k）= 1 1 1+exp（ -P+tp 1+exp（ -P-tp ） k k +1 （4） ） 利用遗传算法获得最优阈值 （2） 通过遗传算法极小化 *（j）） GCV（tp *（j） tp 得到最优阈值 但基本不 并且利用遗传算法对其极 一般不容易陷入 ， ， 虽然利用遗传算法寻优时间较长 *（j）。 tp 需要预先设定取值范围 小化时 局部极小点 ， ， 如果遗传代数选得足够大 。 结果分析 对所检测到的信号首先利用遗传算法寻优 3 ， 以试 遗传 最后得到的各 10， ， 20 代 0.1， 0.6， 为例 变异概率 原始种群数设为 sc15 交叉概率 ， 件中某缺陷信号 代数 层最优阈值分别为 按照同样的方法对其他检测信号进行阈值求解 对信号分别进行硬阈值去噪 法去噪和空域相关系数半软阈值去噪 如图 1548.46，756.96，1129.86，2964.83， 然后 传统空域 处理前后图形 软阈值去噪 。 、 、 ， 图 3、 从图 4 所示 图 。 可以看出 ， 4 3、 而在接合面部位波形变化有所不同 经过空域相关系数半软 阈值法去噪后的信号在非结合部 分 接 近 于 平 直 光 基本保留原 滑 基本可以表征采集点的信 始检测信号的突变部分 也可以大致 号特征 改进的阈值方法则不 判断出接合部位的焊接情况 根据去噪信号波形幅度 并且 ， ， ， 。 ， ， 。 第 卷第 期 小波空域去噪改进算法在焊接缺陷信号分析中的应用 尹 欣 等 a ， ， 0～1 适当调整 ——— 只要在 Vol.32No.03 的大小即可 管阈值的选取 ， 软阈值去噪方法有明 所得的重构信号信噪比比硬 显提高 种 阈值去噪法对缺陷回波信号去 噪 时 性 能 参 数 的 比 最大分解尺度取为 较 取在每 一 尺 度 上 采用的小波基是 。 改进阈值函数中 均方误差则有了明显降低 小波 阈值 为运用 Sym8 表 1 4 、 ， 。 ， a=0.4， λ 4， 可变的 号长度 ，j 即 λj， λj=σ 2log N 姨 为分解尺度 。 /log（j+1）， 其 中 N 为 信 100 0 -100 -200 -300 100 0 -100 -200 -300 100 0 -100 -200 -300 100 0 -100 -200 -300 100 0 -100 -200 -300 20 40 60 80 100 120 原始检测信号 （a） 20 40 60 80 100 120 硬阈值去噪信号 （b） 20 40 60 80 100 120 软阈值去噪信号 （c） 20 40 60 80 100 120 传统空域法去噪 （d） 20 40 60 80 100 120 空域相关系数半软阈值 （e） 图 3 无缺陷信号及不同去噪方法波形图 1 000 0 -1 000 256 20 40 60 80 100 120 原始检测信号 （a） 

Vol.32No.03 小波空域去噪改进算法在焊接缺陷信号分析中的应用 ——— 尹 欣 等 ， 第 32 卷第 03 期 20 40 60 80 100 120 硬阈值去噪信号 （b） 表 1 4 种方法的信噪比 （SNR） 和均方误差 比较 (RMSE) 信号类型 评价标准 硬阈值法 软阈值法 传统空域法 改进去噪法 无缺陷信号 缺陷信号 SNR RMSE SNR RMSE 21.336 0 5.533 0 15.717 4 57.116 2 16.925 0 9.194 1 12.909 5 78.914 4 18.296 0 7.851 6 14.364 5 66.743 0 7.448 1 27.374 9 10.750 4 101.183 9 从表 可以看 出 与硬 ， 、 软阈 值去 噪 及 传 统 空 1 改进阈值函数的去噪方法能够 域法去噪结果相比 ， 得到较小的均方误差 提高了重构信号的信噪比 ， ， 具有很好的去噪效果 。 20 40 60 80 100 120 软阈值去噪信号 （c） ［1］ 参考文献 ： 段立宇 雷永平 , . 力学行为的研究 摩擦焊接头伪结合界面的断口形貌形成机理及 西北工业大学学报 ,1993(11)( 增刊 )∶100-107. ［J］. 1 000 0 -1 000 1 000 0 -1 000 1 000 0 -1 000 1 000 0 -1 000 20 40 60 80 100 120 传统空域法去噪 （d） 20 40 60 80 100 120 空域相关系数半软阈值 （e） 图 4 有缺陷信号及不同去噪方法波形图 ［2］ANDREW G. BRUCE，HONG-YE GAO. Understanding wave Shrink： variance and bias estimation［J］. Biometrika, 1996 (4)：727-745. ［3］Bao Paul, Zhang Lei. Noise reduction for magnetic resonance images via adaptive multiscale products thresholding ［C］. EEE Transactions on Medical Imaging, 2003 (9)：1 089-1 099. 孟晋丽 张洪才 潘泉 基于相邻尺度积系数的半软阈值小波去噪 , , . 电子与信息学报 ［4］ ［5］ ［J］. 张德丰 ，2007(7)：1 649-1 653. . Matlab 小波分析与 工 程 应 用 ［M］. 北 京 ： 国 防 工 业 出 版 社 ，2008. 作者简介 ： 学硕士研究 生 ， 尹欣 （1975- ）， 河南郑州人 女 ， 副教授 ， ， 西北工业大 主 要 从 事 智 能 检 测 与 数 字 信 号 及 图 像 处 理 电 子 信 ， 箱 ：yinxin6688@126.com. 责任编辑 ： 武伟民 收稿日期 ：2010－09－19 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 257