小波时频分析方法在超声波信号处理中应用
姓名：房曙光 申请学位级别：硕士 专业：信息与信号处理 指导教师：刘琚
摘 要
对钢材内部质量的检测是加工制造过程中较为重要的一道工序，而对测试信号分析的方法也是长期研究的方向。论文对超声波在钢材料中传播的特点进行详细的分析，对超声检测系统进行建模，建立超声波发射信号、超声波传播过程和超声回波信号的数学模型，并在MATLAB软件中编程仿真出发射信号和回波信号的时域及频域图形。
超声发射信号经钢材内部传播，携带钢材内部结构的信息和噪声到达接收端成为超声回波信号，该信号具有非平稳的特点，对该信号的分析需要采用时频分析的方法。小波分析法是一种新的时频分析方法，论文选用了DB小波母函数，在MATLAB环境下对回波信号进行小波去噪分析，消除部分高频噪声。使用小波分析工具箱对去噪后的回波信号进行小波多分辨率分析，将信号分解为高频部分和低频部分，根据小波时频分析的结果及超声波的传播特点，确定出钢材内部缺陷以及缺陷的位置。
首先，对超声波无损检测的原理及特征进行分析，讨论了超声波的基本物理量和超声波的基本特性，给出超声波检测钢材的检测模型。根据超声波在钢材料中传播的特点，对比了传统的傅里叶分析法的缺点，确定了对回波信号进行分析所采用的方法——小波时频分析方法。
其次，简要介绍了小波时频分析的基本理论，包括连续小波变换、离散小波变换和小波快速算法，特别分析了在超声回波信号检测中所使用的小波基，对小波基的特性进行了详细的研究：通过比较不同小波基的特性，选取了DB小波作为超声回波信号小波时频分析的小波母函数。
再次，针对超声波传播的特点，分析了超声发射过程、超声传播过程和超声接收过程的特点，并对各个过程分别进行数学建模，分析了超声发射中发射波的时频特性和接收到的回波信号的时频特性。根据发射信号和接收回波信号的数学模型，在MATLAB环境下，通过编程仿真出信号的波形。
然后，根据超声波信号的特点，使用小波分析的方法对回波信号进行消噪处理。根据不同阀值选择的准则，使用小波分析工具箱，给出了回波信号在不同阀值下消噪后的图形。对比不同阀值下消噪的结果，选择了启发式阀值对回波进行消噪处理。同时，比较不同小波基下消噪的统计特性，确定出了DB6小波作为超声波分析的小波母函数，在此小波基下对信号进行消噪和多分辨率分析。
最后，在MATLAB环境下使用一维小波分析工具对超声波信号进行多分辨率分析，将信号分5层进行分解，得出各层的高频信息和第5层的低频信息。根据第1层的高频信息，确定出反射回波信号奇异点出现的时刻，并根据超声波在钢材中传播的速度等参数，计算出钢材内部出现缺陷的位置。
关键词：小波，时频分析，建模，超声波，小波母函数
