本發(fā)明屬于信號(hào)后處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法。

背景技術(shù)：

無(wú)損檢測(cè)是指在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能、不傷害被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部組織的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谝鸬臒?、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化，以物理或化學(xué)方法為手段，借助現(xiàn)代化的技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法。

在橋梁、隧道、公路等工程中，經(jīng)常需要對(duì)錨桿、鋼筋籠、基樁、仰拱鋼支撐等進(jìn)行無(wú)損傷檢測(cè)，其主要原理為：對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行特征提取，通過(guò)對(duì)提取到的特征信號(hào)進(jìn)行分析，從而得到檢測(cè)結(jié)果。傳統(tǒng)的信號(hào)特征提取方法主要采用Fourier變換方法，通過(guò)Fourier變換獲得信號(hào)中包含頻率分量及各分量的相對(duì)強(qiáng)度信息的特征信號(hào)。但由于Fourier變換是一種整體變換方法，而無(wú)法獲得頻率隨時(shí)間演變的信息以及其變化情況。然而，在許多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，信號(hào)多為非平穩(wěn)信號(hào)，其統(tǒng)計(jì)量為時(shí)變函數(shù)。因此，傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法具有較大的使用局限性。另外，傳統(tǒng)的基于信號(hào)特征提取的分析方法，由于所提取的信號(hào)特征類型的局限性，導(dǎo)致其缺陷檢測(cè)分析方法，具有精度低、效率低等不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法，可有效解決上述問(wèn)題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供一種基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法，包括以下步驟：

步驟1，采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，得到被檢測(cè)對(duì)象的物性波形信號(hào)；其中，所述物性波形信號(hào)為數(shù)字信號(hào)形式；

步驟2，采用時(shí)頻分析方法對(duì)所述物性波形信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，得到二維時(shí)頻分析結(jié)果；

步驟3，對(duì)所述二維時(shí)頻分析結(jié)果中任意時(shí)刻進(jìn)行主頻信號(hào)的半峰全寬能量比分析，得到任意時(shí)刻頻譜的半峰全寬能量比；

本步驟具體包括：

步驟3.1，對(duì)所述二維時(shí)頻分析結(jié)果中各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)頻率及瞬時(shí)幅值進(jìn)行分析，得到與每一時(shí)刻唯一對(duì)應(yīng)的功率譜圖；所述功率譜圖的橫坐標(biāo)為頻率值，所述功率譜圖的縱坐標(biāo)為幅值；

步驟3.2，對(duì)所述功率譜圖進(jìn)行進(jìn)一步分析，定位到功率譜圖中的主頻信號(hào)；其中，所述主頻信號(hào)為具有峰值的波信號(hào)；

步驟3.3，對(duì)所述主頻信號(hào)進(jìn)行半峰全寬計(jì)算，得到半峰全寬的左邊界頻率ω₁和右邊界頻率ω₂；

本步驟包括：在所述主頻信號(hào)中定位到峰值A(chǔ)點(diǎn)；經(jīng)過(guò)峰值A(chǔ)點(diǎn)做一條平行于幅值軸的直線L1，直線L1與頻率軸相交于B點(diǎn)；取A點(diǎn)和B點(diǎn)連線的中點(diǎn)C；經(jīng)過(guò)C點(diǎn)作平行于頻率軸的直線L2；直線L2與功率譜圖相交的距離峰值A(chǔ)點(diǎn)最近的左右兩點(diǎn)分別記為D1和D2；D1點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率值即為左邊界頻率ω₁；D2點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率值即為右邊界頻率ω₂；

步驟3.4，以左邊界頻率ω₁和右邊界頻率ω₂作為積分上下限，對(duì)頻譜圖進(jìn)行積分，得到主頻峰值所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量值；表達(dá)式如下：

其中：E₁為主頻峰值所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量值；

ω₁、ω₂分別為半峰全寬的左邊界頻率ω₁和右邊界頻率ω₂；

F(ω)為該時(shí)刻頻譜函數(shù)；

步驟3.5，采用以下表達(dá)式計(jì)算得到該時(shí)刻總的能量值：

其中：E為該時(shí)刻總的能量值；

F(ω)為該時(shí)刻頻譜函數(shù)；

步驟3.6，將該時(shí)刻的主頻峰值所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量值與該時(shí)刻總的能量值相比，得到該時(shí)刻頻譜的半峰全寬能量比，表達(dá)式如下：

其中：s為該時(shí)刻頻譜的半峰全寬能量比；

步驟4，采用步驟3方法，求出各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量比，以時(shí)刻為橫坐標(biāo)，以半峰全寬能量比為縱坐標(biāo)，繪制得到整個(gè)信號(hào)的半峰全寬能量比曲線圖；

步驟5，對(duì)所述整個(gè)信號(hào)的半峰全寬能量比曲線圖進(jìn)行分析，得到被檢測(cè)對(duì)象的檢測(cè)結(jié)果。

優(yōu)選的，步驟1中，所采用的無(wú)損檢測(cè)方法包括：聲波檢測(cè)法、電磁波檢測(cè)法以及射線檢測(cè)法。

優(yōu)選的，步驟2中，所采用的時(shí)頻分析方法包括：短時(shí)傅立葉變換分析方法、連續(xù)小波變換分析方法、Wigner-Ville分布函數(shù)分析方法、加伯-韋格納分布函數(shù)分析方法和希爾伯特黃變換及S變換分析方法。

優(yōu)選的，步驟5具體為：

步驟5.1，通過(guò)多次試驗(yàn)得出某一被檢測(cè)對(duì)象在無(wú)缺陷時(shí)的半峰全寬能量比曲線圖；該半峰全寬能量比曲線圖作為半峰全寬能量比曲線樣本圖；

步驟5.2，當(dāng)需要對(duì)同一類被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行質(zhì)量分析時(shí)，得到被檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際半峰全寬能量比曲線圖；

步驟5.3，比較所述實(shí)際半峰全寬能量比曲線圖與所述半峰全寬能量比曲線樣本圖的差異度，如果差異度小于設(shè)定閾值，則判定被檢測(cè)對(duì)象無(wú)缺陷；

如果差異度大于等于設(shè)定閾值，對(duì)所述實(shí)際半峰全寬能量比曲線圖與所述半峰全寬能量比曲線樣本圖的差異性進(jìn)行詳細(xì)分析，得到被檢測(cè)對(duì)象的缺陷情況。

本發(fā)明提供的基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

能夠高精度、可靠、簡(jiǎn)單、快速的評(píng)價(jià)被檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)部缺陷，是一種能夠廣泛運(yùn)用的技術(shù)手段。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法的流程圖；

圖2為一種檢測(cè)信號(hào)波形圖；

圖3為對(duì)圖2的波形信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析后得到的二維時(shí)頻分析圖；

圖4為對(duì)應(yīng)二維時(shí)頻分析圖中某一時(shí)刻主頻的半峰全寬圖；

圖5為整個(gè)檢測(cè)信號(hào)的半峰全寬能量比值圖；

圖6為同一類被檢測(cè)物體的半峰全寬能量比樣本圖；

圖7為波紋管注漿不密實(shí)的鋼束注漿包裹比例圖；

圖8為波紋管注漿密實(shí)性反演圖像。

其中，圖5和圖6所示的檢測(cè)信號(hào)的譜圖中，橫坐標(biāo)表示波紋管位置，縱坐標(biāo)表示半峰全寬能量比值。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法，從時(shí)頻分析后的信號(hào)中提取到信號(hào)更多的特征信息，從而有利于進(jìn)行缺陷檢測(cè)分析等。具體的，該方法通過(guò)計(jì)算時(shí)頻分析后每一時(shí)刻的主頻分量的半峰全寬能量與該時(shí)刻總的能量比，進(jìn)而繪制出整個(gè)數(shù)字信號(hào)的主頻半峰全寬能量比曲線圖。通過(guò)分析整個(gè)數(shù)字信號(hào)的主頻半峰全寬能量比曲線圖，可以更加清晰地提取到檢測(cè)信號(hào)的特征信息，從而反映檢測(cè)物體內(nèi)部的真實(shí)狀況。本發(fā)明提供的方法可以應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)、振動(dòng)信號(hào)分析等領(lǐng)域。

參考圖1，本發(fā)明提供的基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法，主要包括以下步驟：

步驟1，采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，得到被檢測(cè)對(duì)象的物性波形信號(hào)；其中，所述物性波形信號(hào)為數(shù)字信號(hào)形式；該數(shù)字信號(hào)中包含了檢測(cè)對(duì)象在不同位置的振幅、頻率和相位信息，且該信息與檢測(cè)對(duì)象所處的位置及狀態(tài)有關(guān)。

本步驟中，所采用的無(wú)損檢測(cè)方法可以為現(xiàn)有技術(shù)中任何一種無(wú)損檢測(cè)方法，例如，聲波檢測(cè)法、電磁波檢測(cè)法以及射線檢測(cè)法等。所采用的檢測(cè)設(shè)備可以為超聲波探測(cè)儀或者是地質(zhì)雷達(dá)等，本發(fā)明對(duì)此并不限制。

步驟2，采用時(shí)頻分析方法對(duì)所述物性波形信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，得到二維時(shí)頻分析結(jié)果；

具體的，對(duì)檢測(cè)到的物性波形數(shù)字信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，通過(guò)時(shí)頻分析方法可以將非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)域與頻域分析結(jié)合起來(lái)，從而得到該數(shù)字信號(hào)的二維時(shí)頻分析圖，該二維時(shí)頻分析圖中既能夠反映信號(hào)的頻率信息，也能夠反映頻率信息隨著時(shí)間變化的一些規(guī)律。

常用的時(shí)頻分析方法通常分為兩大類：線性時(shí)頻分布和非線性時(shí)頻分布。線性時(shí)頻分布包括短時(shí)傅里葉變換(STFT)、Gabor展開及小波變換；而非線性時(shí)頻分布，常用的是雙線性時(shí)頻分布，該分布包括Wigner-Ville分布和廣義雙線性時(shí)頻分布等。

本發(fā)明中，所采用的時(shí)頻分析方法可以為現(xiàn)有技術(shù)中任何一種方法，本發(fā)明對(duì)此并不限制。

步驟3，對(duì)所述二維時(shí)頻分析結(jié)果中任意時(shí)刻進(jìn)行主頻信號(hào)的半峰全寬能量比分析，得到任意時(shí)刻頻譜的半峰全寬能量比；

本步驟具體包括：

步驟3.1，對(duì)所述二維時(shí)頻分析結(jié)果中各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)頻率及瞬時(shí)幅值進(jìn)行分析，得到與每一時(shí)刻唯一對(duì)應(yīng)的功率譜圖；所述功率譜圖的橫坐標(biāo)為頻率值，所述功率譜圖的縱坐標(biāo)為幅值；

步驟3.2，對(duì)所述功率譜圖進(jìn)行進(jìn)一步分析，定位到功率譜圖中的主頻信號(hào)；其中，所述主頻信號(hào)為具有峰值的波信號(hào)；更具體的，主頻信號(hào)為F(ω)的最高峰值及其對(duì)應(yīng)的頻率值。

步驟3.3，對(duì)所述主頻信號(hào)進(jìn)行半峰全寬計(jì)算，得到半峰全寬的左邊界頻率ω₁和右邊界頻率ω₂；

本步驟包括：在所述主頻信號(hào)中定位到峰值A(chǔ)點(diǎn)；經(jīng)過(guò)峰值A(chǔ)點(diǎn)做一條平行于幅值軸的直線L1，直線L1與頻率軸相交于B點(diǎn)；取A點(diǎn)和B點(diǎn)連線的中點(diǎn)C；經(jīng)過(guò)C點(diǎn)作平行于頻率軸的直線L2；直線L2與功率譜圖相交的距離峰值A(chǔ)點(diǎn)最近的左右兩點(diǎn)分別記為D1和D2；D1點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率值即為左邊界頻率ω₁；D2點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率值即為右邊界頻率ω₂；

步驟3.4，以左邊界頻率ω₁和右邊界頻率ω₂作為積分上下限，對(duì)頻譜圖進(jìn)行積分，得到主頻峰值所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量值；表達(dá)式如下：

其中：E₁為主頻峰值所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量值；

ω₁、ω₂分別為半峰全寬的左邊界頻率ω₁和右邊界頻率ω₂；

F(ω)為該時(shí)刻頻譜函數(shù)；

步驟3.5，采用以下表達(dá)式計(jì)算得到該時(shí)刻總的能量值：

其中：E為該時(shí)刻總的能量值；

F(ω)為該時(shí)刻頻譜函數(shù)；

步驟3.6，將該時(shí)刻的主頻峰值所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量值與該時(shí)刻總的能量值相比，得到該時(shí)刻頻譜的半峰全寬能量比，表達(dá)式如下：

其中：s為該時(shí)刻頻譜的半峰全寬能量比；

步驟4，采用步驟3方法，求出各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量比，以時(shí)刻為橫坐標(biāo)，以半峰全寬能量比為縱坐標(biāo)，繪制得到整個(gè)信號(hào)的半峰全寬能量比曲線圖；

步驟5，對(duì)所述整個(gè)信號(hào)的半峰全寬能量比曲線圖進(jìn)行分析，得到被檢測(cè)對(duì)象的缺陷檢測(cè)結(jié)果。

本步驟具體為：

步驟5.1，通過(guò)多次試驗(yàn)得出某一被檢測(cè)對(duì)象在無(wú)缺陷時(shí)的半峰全寬能量比曲線圖；該半峰全寬能量比曲線圖作為半峰全寬能量比曲線樣本圖；

步驟5.2，當(dāng)需要對(duì)同一類被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行質(zhì)量分析時(shí)，得到被檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際半峰全寬能量比曲線圖；

步驟5.3，比較所述實(shí)際半峰全寬能量比曲線圖與所述半峰全寬能量比曲線樣本圖的差異度，如果差異度小于設(shè)定閾值，則判定被檢測(cè)對(duì)象無(wú)缺陷；

如果差異度大于等于設(shè)定閾值，對(duì)所述實(shí)際半峰全寬能量比曲線圖與所述半峰全寬能量比曲線樣本圖的差異性進(jìn)行詳細(xì)分析，得到被檢測(cè)對(duì)象的缺陷情況。

下面介紹一個(gè)具體實(shí)施例：

對(duì)波紋管注漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，采用超磁聲波散射法，檢測(cè)波紋管注漿是否密實(shí)，步驟如下：

步驟1，從預(yù)應(yīng)力孔道一端產(chǎn)生超磁聲波信號(hào)，在預(yù)應(yīng)力孔道另一端檢測(cè)其波形信號(hào)記錄，得到如圖2所示的物性波形信號(hào)。

步驟2，對(duì)檢測(cè)到的物性波形信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，得到如圖3所示的二維時(shí)頻分析圖。

步驟3，對(duì)二維時(shí)頻分析圖中任意時(shí)刻進(jìn)行主頻信號(hào)的半峰全寬能量比分析，得到圖4所示的任意時(shí)刻頻譜的半峰全寬能量比。

步驟4，根據(jù)圖4所示的某一時(shí)刻主頻的半峰全寬圖，求出各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量比，從而得到圖5所示的該信號(hào)的完整的半峰全寬能量比圖。

步驟5，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中尋找到不同狀況下，同一類注漿密實(shí)不存在缺陷的檢測(cè)物體的半峰全寬能量比圖作為樣本。圖6所示即為同一類檢測(cè)物體的半峰全寬能量比樣本圖。

需要解釋的是，原則上，半峰全寬能量比圖或半峰全寬能量比樣本圖的橫坐標(biāo)為時(shí)刻，縱坐標(biāo)為半峰全寬能量比值。但是，為方便進(jìn)行半峰全寬能量比圖和半峰全寬能量比樣本圖的比較，從而確定缺陷位置，所以，本實(shí)施例中，對(duì)橫軸的時(shí)刻進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化，用時(shí)刻乘以檢測(cè)介質(zhì)中的傳輸速度，即得到時(shí)刻對(duì)應(yīng)的位置，單位為米。因此，圖5和圖6的橫坐標(biāo)為位置值，縱坐標(biāo)為半峰全寬能量比值。

比較圖6的半峰全寬能量比樣本圖和圖5半峰全寬能量比圖的差異，可以發(fā)現(xiàn)，在10m～25m、30.5m～39.5m兩處存在強(qiáng)烈的低頻散射信號(hào)，說(shuō)明這兩段波紋管脫空嚴(yán)重。從而根據(jù)圖5作出如圖7所示的鋼束注漿包裹比例圖，進(jìn)而反演出如圖8所示的波紋管注漿密實(shí)性反演圖像，這樣就可清晰地分辨出檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)部狀況，從而為檢測(cè)提供有力的技術(shù)支撐。

本發(fā)明提供的基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法，主要思路為：首先對(duì)數(shù)字波形信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，再對(duì)時(shí)頻分析后的各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)頻譜進(jìn)行分析，尋找到該時(shí)刻頻譜圖中幅值最高峰對(duì)應(yīng)的頻率，即主頻信號(hào)；然后，對(duì)主頻信號(hào)進(jìn)行半峰全寬計(jì)算，得到主頻半峰全寬的左右邊界頻率；再以左右邊界頻率作為積分上下限進(jìn)行積分，求取到半峰全寬范圍內(nèi)的信號(hào)能量，即：主頻峰值所對(duì)應(yīng)的半峰全寬能量值；再除以該時(shí)刻總的能量值，即得出該時(shí)刻主頻的半峰全寬能量比，以此類推，得出各個(gè)時(shí)刻的主頻半峰全寬能量比，繪制出主頻半峰全寬能量比曲線圖，通過(guò)分析該曲線圖，可以得到瞬時(shí)主頻半峰全寬能量比，能反映每一處頻率能量的分布情況，進(jìn)一步研究確定該參數(shù)與測(cè)試對(duì)象內(nèi)部狀況的關(guān)系，就可將該參數(shù)用于無(wú)損檢測(cè)、振動(dòng)信號(hào)分析等領(lǐng)域。

本發(fā)明提供的基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法，主要是在檢測(cè)信號(hào)處理中，運(yùn)用時(shí)頻分析方法分析信號(hào)后對(duì)時(shí)頻分析圖作進(jìn)一步分析的一種通用的數(shù)字信號(hào)的分析方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明首先提出了運(yùn)用主頻的半峰全寬能量比的概念來(lái)分析時(shí)頻分析后的數(shù)字信號(hào)處理的方法，并且明確地給出了半峰全寬能量比的計(jì)算方法。

根據(jù)本發(fā)明提到的半峰全寬能量比的概念，得到整個(gè)信號(hào)的半峰全寬能量比曲線圖作為判斷檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)部狀況，也是本發(fā)明所特有的。

(2)本發(fā)明為橋梁、隧道、公路等工程中的錨桿、鋼筋籠、基樁、仰拱鋼支撐等的無(wú)損傷檢測(cè)，提供了一種基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法，該方法能夠有效的提取檢測(cè)信號(hào)中的有用信息，為無(wú)損傷檢測(cè)提供一種可靠的依據(jù)。

(3)本發(fā)明提供的一種基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法，是一種通用的無(wú)損檢測(cè)后的信號(hào)處理方法，通過(guò)尋找處理信號(hào)中半峰全寬能量比譜圖，來(lái)提取檢測(cè)對(duì)象的具體狀況。

(4)本發(fā)明提供的基于時(shí)頻分析的數(shù)字信號(hào)后處理方法，是一種實(shí)用并且有效的橋梁、隧道、公路等工程項(xiàng)目中的檢測(cè)技術(shù)，能夠高精度、可靠、簡(jiǎn)單、快速的評(píng)價(jià)被檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)部缺陷，是一種能夠廣泛運(yùn)用的技術(shù)手段。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視本發(fā)明的保護(hù)范圍。