论文部分内容阅读
摘 要：为了实现高压水射流冲击不同材质和几何尺寸靶物时的反射声音信号特征值的有效提取， 应用小波降噪法和模极大值算法实现对反射声信号进行处理。 采用传声器和NI公司的PCI6251采集卡搭建高速数据采集设备， 实现反射声信号的高精度实时采集， 应用Matlab编制小波降噪和模极大值提取反射靶物材质和几何尺寸反射声特征值程序， 通过调用Math script节点实现所采集的信号在LabVIEW与Matlab中通讯，完成信号的降噪和有用信号的分离与提取， 实验的结果验证了所建立的信号采集与处理系统能实现实时提取对应不同靶物材质及几何参数的特征值。 利用模极大值算法和数据库技术最终完成对靶物材料及几何形状的在线识别。
关键词：高压水射流；反射声信号；信号通讯
中图分类号：TP39142文献标识码：A
[WT]文章编号：1672-1098(2011)02-0006-05
收稿日期：2011-03-14
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075002)
作者简介：杨洪涛(1972-)，男，福建莆田人，教授，博士，主要研究方向为精密测试技术。
[JZ(〗[WT3BZ]Real-time Acquisition and Processing of High-pressure Water-Jet Reflection Sound Signal
YANG Hong-tao, LI Meng, SUN Yu-ling, ZHANG Dong-su
(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract:In order to extract the eigenvalue of the reflective sound signal produced when the targets having different material and geometry ware attacked by high pressure water-jet effectively, the reflective sound signal was processed by using wavelet noise reduction and wavelet modulus maximum algorithm. High-speed data acquisition equipment was built by using microphone and and NI PCI6251 data acquisition device which realize the accurate and real-time data acquisition. The reflective sound signal eigenvalue extraction software by using wavelet noise reduction and wavelet modulus maximum algorithm was programmed by adopting Matlab.The signal communication between LabVIEW and Matlab was realized by calling Math script node, The signal denoise and the useful signal separation can be accomplished by the software. The experiment results verified that the built signal acquisition and processing system can realize the real-time eigenvalue extracting. By building modulus maximum algorithm method and matching eigenvalue data base ,the system can complete identification of material and geometry of eigenvalue.
Key words:high-pressure water-jet; reflection sound signals; signal communication
高压水射流是一项迅速发展起来的新技术，不仅可以实现对靶物的高效切割，而且可以通过识别射流冲击靶物时产生的反射声信号的特征值而识别靶物的材质和几何尺寸［1-4］。要准确识别靶物材质和几何尺寸，必须搭建高速、实时的声音数据采集系统实时采集声音信号。该声音信号不仅包括射流冲击靶物产生的反射声，也包括环境噪声和射流喷射后扰动周围空气介质产生的噪声。要有效提取反映不同材质和几何尺寸的声音特征值，必须采用先进的信号处理方法进行降噪和特征值提取。本文采用小波降噪的方法实现对反射声信号的降噪和特征值提取，采用MATLAB语言进行编程，同时采用传声器结合NI公司的LabVIEW软件和PCI6251采集卡搭建数据采集系统，利用 Math cript节点实现Matlab与Labview软件的通讯，实现了高压水射流靶物反射声信号的大容量数据实时采集与处理［5-8］。
1 小波分析基本原理
11 小波函数
小波在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，而在高频部分具有较高的时间分辨率和较低频率分辨率。通过小波变化可实现信号的降噪和重构。
对于连续情况，小波序列为
12 小波降噪基本原理
水射流冲击靶物目标产生的反射声音信号不但包括有用的靶物材质声信号，也包含了由于环境扰动带来的噪音信号。要准确提取对应材质和几何尺寸的有用信号，必须对采集到的信号进行降噪处理。信号的降噪方法很多种，如ECG信号降噪法、Gabor变换降噪法、小波变换降噪法等等。传统的降噪方法在有用信号和噪声的频谱相互分离时具有良好的效果，但是当有用信号和噪声的频谱相互重叠时，则无法将它们区分开。小波的降噪方法是一种信息保持型的线性运算，可以准确得到信号在细微处的形态，有效的解决了时域频域局部化矛盾，被越来越广泛的应用于工程实际中，其具体原理如下［9-10］。
假定含噪声信号
由此可以看出，阈值的选择很大程度决定着降噪的效果。
阈值的规则包括以下四种：
Rigrsure 是一种基于史坦的无偏似然估计原理的自适应阈值选择；
Heursure 是一种启发式阈值选择规则，也是最优预测变量阈值选择；
Fixed form 采用固定的阈值形式，产生的阐值大小是2lglengh(x)；
Minimax 采用的是极大极小原理选择阈值，它产生一个最小均方误差的极值，而不是无误差。
当信号的高频部分在噪声域很小时，选用Minimaxi和Rigrsure阈值规则不容易丢失信号中的有用成分，但只除去较少的噪声。选择Fixed form阈值规则可以有效地去除噪声。而Heursure是一种折衷的办法。
阈值也有软阈值和硬阈值之分，两者有比较明显的区别。设w是小波系数的大小，是施加阈值后的小波系数大小，λ是阈值(见图1)。
硬阈值：当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其值为0，当大于阈值时，其值保持不变，如图1a所示。
软阈值：当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其值为0，当大于阈值时，令其减去阈值，如图1b所示。
(a) 硬阈值 (b)软阈值
图1 软、硬阈值图
软阈值法得到的小波系数整体连续性好，从而使估计信号不会产生附加振荡，处理后的信号更平滑一些，但是也会丢失某些特征；硬阈值法在均方误差意义上优于软阈值，但所得的估计信号会产生附加信号，硬阈值可以保留信号的特征，但平滑方面有所欠缺.根据文献［11］2 437研究的优化结果，本文程序里面采用软阈值法，小波降噪算法选择‘db3’母小波，分解层数为4的降噪模式，其降噪的程度更好，且突变点特征值更明显。
13 模极大值算法
当水射流冲击不同材质靶物时，传感器采集到的反射声音信号幅值会在靶物的边界产生突变。信号中不规则的突变部分(奇异点)对应着不同的靶物几何形状参数的特征点，因此需要采用有效方法将特征值检测出来。本文采用小波变换模极大值算法实现对特征值的检测。模极大值算法的原理如下：
在某一尺度x0存在一个点(x0，y0)使得wf(x0，y)y=0，则称点(x0，y0)是局部极值点，且wf(x0，y)y在y=y0 上有一个模极大值，如果对y0的某一临域内的任意点y，有|wf(x0，y)≤|wf(x0，y0)||，则称为小波变换模极大值点。尺度空间中所有的模极大值点的连线称为模极大值线。
在通常情况下，信号的奇异性可分为两种情况：一种是信号在某一时刻，幅值发生突变引起信号不连续，信号的突变点是第一种类型的间断点；另一种是信号外观上很光滑，其幅值没有突变，但在信号的一阶微分上有突变产生，且一阶微分是不连续的，称此为第二种类型的间断点。水射流冲击靶物得到的声音信号会在靶物的边界位置幅值出现突变，所以属于第一类型间断点。借助模极大值算法思想，检测对应材质突变点，用于后续建立相应的特征值数据库及材质和几何尺寸的在线识别。
2 系统硬件和实验设计
为了实现信号的不失真采集及分析处理，本文利用传声器和NI公司的PCI6251采集卡搭建声音信号高速实时采集硬件系统。其中传声器选用杭州爱华仪器有限公司的测试传声器14423、AWA14604型放大器组成的声音测试单元，连接在BNC多功能接口盒上，通过数据采集卡PCI-6251送入计算机。采用LabVIEW软件编制声音信号的采集软件，试验硬件系统结构如图2所示。实验时，将地雷埋在如图2所示的位置，上面覆盖有草和泥土，人工手持高压水射流喷头进行探测，同时将传声器和喷头放在一起同步进行直线移动完成一段直线位移的探测和反射声信号的采集。
图2 试验装置硬件图
3 系统软件调试
本系统软件是在LabVIEW开发平台上开发的，选择DAQ助手相应的物理通道，实现对声音信号的采集。同时应用Matlab语言编制小波降噪技术和模极大值算法程序［11-14］2 735。通过调用Math cript节点实现在Labview的运行环境下对Matlab程序的调用，即实现信号在软件间的通讯，并可在面板中同时显示出两软件运行结果。Math scrip节点的程序主要包括：小波降噪、参数选择、信号重构、图标显示。同时系统处理的某些信号需要进行离线分析，因此编制的软件可以实现对该信号进行存储，然后在后的分析中进行调用。系统软件流程如图3所示，系统软件前面板如图4所示，后面板的编程完成不同软件间的信号通讯如图5所示。系统软件对Math cript节点程序的调用，完成了小波的降噪过程，同时也可以把对应不同靶物材质的反射声信号突变检测出来（见图6）。
在上述实验过程中，系统采集到的数据量达到几十万个，占用的物理空间非常大，给计算机的运算分析带来很大压力，为了便于后续分析，本文对信号进行取平均值处理， 将信号压缩成4万个关键数据便于后续模极大值处理。水射流冲击到不同靶物边缘时，产生的反射声信号会发生突变， 通过模极大值程序运行可以检测到靶物的边缘(见图7)。利用该值计算出的靶物直径为300 mm，与试验中预埋的地雷直径完全相符。
采样点数
(a) 采样原始数据
采样点数
(b) 采样处理后数据
4 结论
从实验结果可以看出，本文设计的高压水射流反射声音信号高速实时采集系统，可以实时采集水射流冲击靶物得到的大容量反射声音信号，利用小波降噪方法有效地将有用信号同环境噪音信号、水射流本底噪音信号分离，获取对应不同靶物材质的特征值。利用模极大值方法获得对应靶物几何尺寸声音突变点的特征值，用于后续的靶物材质和几何尺寸特征值数据库的建立，进而实现高压水射流靶物的准确识别。
参考文献：
［1］ 高飞，李健.压力脉动对高压纯水射流喷射噪音的影响［J］.煤矿机械，2006，27(1)：53-55.
［2］ 葛其明，姚朝晖，崔雨，等.凹凸板射流噪音特征的实验研究［J］.清华大学学报：自然科版，2005，45(5)：681-684.
［3］ 马超，高世伦.基于MATLAB的噪声信号采集与分析系统研究［J］.柴油机设计与制造，2006，4(14)：31-35.
［4］ 杨根连.基于声音信号的机床类型、状态及其加工参数识别研究［D］.南京：南京航空航天大学，2006.
［5］ 杨乐平，李海涛.Labview高级程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2003：20-257.
［6］ 柴敬安，廖克俭. Labview和Matlab混合编程方法的研究与实现［J］.计算机测量和控制，2008，16(5)：737-745.
［7］ 周慧，韩焱. Labview和Matlab在水声信号处理中的应用［J］.微计算机信息，2007，23(8)：110-111.
［8］ 唐发明，陈锦云，王仲冬.基于支持向量机的仓储害虫声音识别［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2005，33(2)：34-36.
［9］ 周伟，周林，周家祥，等.MATLAB小波分析高级技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2006：15-174.
［10］ 高博，高勇.基于倒谱特征和小波包特征熵的直升机目标识别［J］.探测与控制学报，2007，29(6)：17-23.
［11］ 杨洪涛，王从东，张东速.高压水射流反射声音信号特征值提取方法的研究［J］.中国机械工程，2010，21(20)：2 434-2 437.
［12］ 郝张红，刘先勇，袁长迎.小波去噪及其在labview中的实现［J］.现代电子技术，2008，270(7)：166-170.
［13］ 彭玉华.小波变换与工程应用［M］.北京：科学出版社，1999：25-163.
［14］ 葛哲学，王晓飞.Malab65辅助小波分析与应用［M］.北京：电子工业出版社，2003：32-273.
(责任编辑：李 丽，范 君)
关键词：高压水射流；反射声信号；信号通讯
中图分类号：TP39142文献标识码：A
[WT]文章编号：1672-1098(2011)02-0006-05
收稿日期：2011-03-14
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075002)
作者简介：杨洪涛(1972-)，男，福建莆田人，教授，博士，主要研究方向为精密测试技术。
[JZ(〗[WT3BZ]Real-time Acquisition and Processing of High-pressure Water-Jet Reflection Sound Signal
YANG Hong-tao, LI Meng, SUN Yu-ling, ZHANG Dong-su
(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract:In order to extract the eigenvalue of the reflective sound signal produced when the targets having different material and geometry ware attacked by high pressure water-jet effectively, the reflective sound signal was processed by using wavelet noise reduction and wavelet modulus maximum algorithm. High-speed data acquisition equipment was built by using microphone and and NI PCI6251 data acquisition device which realize the accurate and real-time data acquisition. The reflective sound signal eigenvalue extraction software by using wavelet noise reduction and wavelet modulus maximum algorithm was programmed by adopting Matlab.The signal communication between LabVIEW and Matlab was realized by calling Math script node, The signal denoise and the useful signal separation can be accomplished by the software. The experiment results verified that the built signal acquisition and processing system can realize the real-time eigenvalue extracting. By building modulus maximum algorithm method and matching eigenvalue data base ,the system can complete identification of material and geometry of eigenvalue.
Key words:high-pressure water-jet; reflection sound signals; signal communication
高压水射流是一项迅速发展起来的新技术，不仅可以实现对靶物的高效切割，而且可以通过识别射流冲击靶物时产生的反射声信号的特征值而识别靶物的材质和几何尺寸［1-4］。要准确识别靶物材质和几何尺寸，必须搭建高速、实时的声音数据采集系统实时采集声音信号。该声音信号不仅包括射流冲击靶物产生的反射声，也包括环境噪声和射流喷射后扰动周围空气介质产生的噪声。要有效提取反映不同材质和几何尺寸的声音特征值，必须采用先进的信号处理方法进行降噪和特征值提取。本文采用小波降噪的方法实现对反射声信号的降噪和特征值提取，采用MATLAB语言进行编程，同时采用传声器结合NI公司的LabVIEW软件和PCI6251采集卡搭建数据采集系统，利用 Math cript节点实现Matlab与Labview软件的通讯，实现了高压水射流靶物反射声信号的大容量数据实时采集与处理［5-8］。
1 小波分析基本原理
11 小波函数
小波在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，而在高频部分具有较高的时间分辨率和较低频率分辨率。通过小波变化可实现信号的降噪和重构。
对于连续情况，小波序列为
12 小波降噪基本原理
水射流冲击靶物目标产生的反射声音信号不但包括有用的靶物材质声信号，也包含了由于环境扰动带来的噪音信号。要准确提取对应材质和几何尺寸的有用信号，必须对采集到的信号进行降噪处理。信号的降噪方法很多种，如ECG信号降噪法、Gabor变换降噪法、小波变换降噪法等等。传统的降噪方法在有用信号和噪声的频谱相互分离时具有良好的效果，但是当有用信号和噪声的频谱相互重叠时，则无法将它们区分开。小波的降噪方法是一种信息保持型的线性运算，可以准确得到信号在细微处的形态，有效的解决了时域频域局部化矛盾，被越来越广泛的应用于工程实际中，其具体原理如下［9-10］。
假定含噪声信号
由此可以看出，阈值的选择很大程度决定着降噪的效果。
阈值的规则包括以下四种：
Rigrsure 是一种基于史坦的无偏似然估计原理的自适应阈值选择；
Heursure 是一种启发式阈值选择规则，也是最优预测变量阈值选择；
Fixed form 采用固定的阈值形式，产生的阐值大小是2lglengh(x)；
Minimax 采用的是极大极小原理选择阈值，它产生一个最小均方误差的极值，而不是无误差。
当信号的高频部分在噪声域很小时，选用Minimaxi和Rigrsure阈值规则不容易丢失信号中的有用成分，但只除去较少的噪声。选择Fixed form阈值规则可以有效地去除噪声。而Heursure是一种折衷的办法。
阈值也有软阈值和硬阈值之分，两者有比较明显的区别。设w是小波系数的大小，是施加阈值后的小波系数大小，λ是阈值(见图1)。
硬阈值：当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其值为0，当大于阈值时，其值保持不变，如图1a所示。
软阈值：当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其值为0，当大于阈值时，令其减去阈值，如图1b所示。
(a) 硬阈值 (b)软阈值
图1 软、硬阈值图
软阈值法得到的小波系数整体连续性好，从而使估计信号不会产生附加振荡，处理后的信号更平滑一些，但是也会丢失某些特征；硬阈值法在均方误差意义上优于软阈值，但所得的估计信号会产生附加信号，硬阈值可以保留信号的特征，但平滑方面有所欠缺.根据文献［11］2 437研究的优化结果，本文程序里面采用软阈值法，小波降噪算法选择‘db3’母小波，分解层数为4的降噪模式，其降噪的程度更好，且突变点特征值更明显。
13 模极大值算法
当水射流冲击不同材质靶物时，传感器采集到的反射声音信号幅值会在靶物的边界产生突变。信号中不规则的突变部分(奇异点)对应着不同的靶物几何形状参数的特征点，因此需要采用有效方法将特征值检测出来。本文采用小波变换模极大值算法实现对特征值的检测。模极大值算法的原理如下：
在某一尺度x0存在一个点(x0，y0)使得wf(x0，y)y=0，则称点(x0，y0)是局部极值点，且wf(x0，y)y在y=y0 上有一个模极大值，如果对y0的某一临域内的任意点y，有|wf(x0，y)≤|wf(x0，y0)||，则称为小波变换模极大值点。尺度空间中所有的模极大值点的连线称为模极大值线。
在通常情况下，信号的奇异性可分为两种情况：一种是信号在某一时刻，幅值发生突变引起信号不连续，信号的突变点是第一种类型的间断点；另一种是信号外观上很光滑，其幅值没有突变，但在信号的一阶微分上有突变产生，且一阶微分是不连续的，称此为第二种类型的间断点。水射流冲击靶物得到的声音信号会在靶物的边界位置幅值出现突变，所以属于第一类型间断点。借助模极大值算法思想，检测对应材质突变点，用于后续建立相应的特征值数据库及材质和几何尺寸的在线识别。
2 系统硬件和实验设计
为了实现信号的不失真采集及分析处理，本文利用传声器和NI公司的PCI6251采集卡搭建声音信号高速实时采集硬件系统。其中传声器选用杭州爱华仪器有限公司的测试传声器14423、AWA14604型放大器组成的声音测试单元，连接在BNC多功能接口盒上，通过数据采集卡PCI-6251送入计算机。采用LabVIEW软件编制声音信号的采集软件，试验硬件系统结构如图2所示。实验时，将地雷埋在如图2所示的位置，上面覆盖有草和泥土，人工手持高压水射流喷头进行探测，同时将传声器和喷头放在一起同步进行直线移动完成一段直线位移的探测和反射声信号的采集。
图2 试验装置硬件图
3 系统软件调试
本系统软件是在LabVIEW开发平台上开发的，选择DAQ助手相应的物理通道，实现对声音信号的采集。同时应用Matlab语言编制小波降噪技术和模极大值算法程序［11-14］2 735。通过调用Math cript节点实现在Labview的运行环境下对Matlab程序的调用，即实现信号在软件间的通讯，并可在面板中同时显示出两软件运行结果。Math scrip节点的程序主要包括：小波降噪、参数选择、信号重构、图标显示。同时系统处理的某些信号需要进行离线分析，因此编制的软件可以实现对该信号进行存储，然后在后的分析中进行调用。系统软件流程如图3所示，系统软件前面板如图4所示，后面板的编程完成不同软件间的信号通讯如图5所示。系统软件对Math cript节点程序的调用，完成了小波的降噪过程，同时也可以把对应不同靶物材质的反射声信号突变检测出来（见图6）。
在上述实验过程中，系统采集到的数据量达到几十万个，占用的物理空间非常大，给计算机的运算分析带来很大压力，为了便于后续分析，本文对信号进行取平均值处理， 将信号压缩成4万个关键数据便于后续模极大值处理。水射流冲击到不同靶物边缘时，产生的反射声信号会发生突变， 通过模极大值程序运行可以检测到靶物的边缘(见图7)。利用该值计算出的靶物直径为300 mm，与试验中预埋的地雷直径完全相符。
采样点数
(a) 采样原始数据
采样点数
(b) 采样处理后数据
4 结论
从实验结果可以看出，本文设计的高压水射流反射声音信号高速实时采集系统，可以实时采集水射流冲击靶物得到的大容量反射声音信号，利用小波降噪方法有效地将有用信号同环境噪音信号、水射流本底噪音信号分离，获取对应不同靶物材质的特征值。利用模极大值方法获得对应靶物几何尺寸声音突变点的特征值，用于后续的靶物材质和几何尺寸特征值数据库的建立，进而实现高压水射流靶物的准确识别。
参考文献：
［1］ 高飞，李健.压力脉动对高压纯水射流喷射噪音的影响［J］.煤矿机械，2006，27(1)：53-55.
［2］ 葛其明，姚朝晖，崔雨，等.凹凸板射流噪音特征的实验研究［J］.清华大学学报：自然科版，2005，45(5)：681-684.
［3］ 马超，高世伦.基于MATLAB的噪声信号采集与分析系统研究［J］.柴油机设计与制造，2006，4(14)：31-35.
［4］ 杨根连.基于声音信号的机床类型、状态及其加工参数识别研究［D］.南京：南京航空航天大学，2006.
［5］ 杨乐平，李海涛.Labview高级程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2003：20-257.
［6］ 柴敬安，廖克俭. Labview和Matlab混合编程方法的研究与实现［J］.计算机测量和控制，2008，16(5)：737-745.
［7］ 周慧，韩焱. Labview和Matlab在水声信号处理中的应用［J］.微计算机信息，2007，23(8)：110-111.
［8］ 唐发明，陈锦云，王仲冬.基于支持向量机的仓储害虫声音识别［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2005，33(2)：34-36.
［9］ 周伟，周林，周家祥，等.MATLAB小波分析高级技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2006：15-174.
［10］ 高博，高勇.基于倒谱特征和小波包特征熵的直升机目标识别［J］.探测与控制学报，2007，29(6)：17-23.
［11］ 杨洪涛，王从东，张东速.高压水射流反射声音信号特征值提取方法的研究［J］.中国机械工程，2010，21(20)：2 434-2 437.
［12］ 郝张红，刘先勇，袁长迎.小波去噪及其在labview中的实现［J］.现代电子技术，2008，270(7)：166-170.
［13］ 彭玉华.小波变换与工程应用［M］.北京：科学出版社，1999：25-163.
［14］ 葛哲学，王晓飞.Malab65辅助小波分析与应用［M］.北京：电子工业出版社，2003：32-273.
(责任编辑：李 丽，范 君)