專利名稱：一種濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
-
本發(fā)明涉及一種濾波器方法，是一種適用于采用脈沖波信號(hào)檢測(cè)時(shí)，回波信號(hào)中噪聲 的去除方法。
背景技術(shù)：
利用脈沖回波信號(hào)可以進(jìn)行參量檢測(cè)與材料特性檢測(cè)，這類檢測(cè)多用于軍事、工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，其回波信號(hào)的濾波問(wèn)題是一個(gè)傳統(tǒng)而典型的研究課題。根據(jù)資料(Raja Kumar. R. V., Pair. N., Tracking of bandpass signals using center-frequency adaptive filters, IEEE transactions on acoustics, speech, and signal processing, 1990, vol. 38， nolO, pp. 1710-1721 )這類回波信號(hào)的濾波方法很多。目前比較具有代表性的 有，基于經(jīng)典濾波技術(shù)的低通、高通、帶通及帶阻技術(shù)，這些技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用方便， 其最大的特點(diǎn)是適合于信號(hào)與噪聲頻帶分布不重疊的場(chǎng)合，當(dāng)然，這也是其最大的缺點(diǎn)， 因?yàn)榇蟛糠衷肼暿菍掝l帶的，特別是隨機(jī)噪聲；另一類代表性技術(shù)是基于各種現(xiàn)代方法的 濾波技術(shù)，主要有小波技術(shù)，關(guān)于小波濾波技術(shù)是一個(gè)大的話題，因?yàn)槠鋺?yīng)用非常之多， 演生出很多分支，但主要有硬闞值濾波技術(shù)、軟閾值濾波技術(shù)、模極大值技術(shù)、小波包分 解與重構(gòu)技術(shù)，多分辨率技術(shù)等，小波被譽(yù)為數(shù)學(xué)顯微鏡，在時(shí)頻均具有定位能力，所以 其取得的效果是顯著的，但小波也不是萬(wàn)能的，比如軟硬閾值的選取具有主觀性、小波基 的選取也沒(méi)有規(guī)范的理論依據(jù)，分解層次也存在人為因素；另一類代表性技術(shù)是自適應(yīng)濾 波技術(shù)，這種方法可以在不知其噪聲分布的情況下給出較好的濾波效果，但要求參考信號(hào) 與實(shí)測(cè)信號(hào)嚴(yán)格同步，否則起不到應(yīng)有的濾波效果；另外一類技術(shù)是匹配濾波技術(shù)，具有 代表性的有采用與信號(hào)頻率一致的濾波器幅頻特性，濾波效果較好，特別是弱信號(hào)，另一 類是匹配追蹤技術(shù)，將信號(hào)在原子庫(kù)中分解，尋找最大分解系數(shù)，但計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性 較差。目前還有基于盲分離技術(shù)、分形技術(shù)及相空間重構(gòu)技術(shù)等濾波手段，在特定的情況 下可以取得好的濾波效果，但算法的穩(wěn)健性還有待進(jìn)一步提高。這些方法一般都有各自的 特點(diǎn)，沒(méi)有一種可用于任何場(chǎng)合的通用方法。這也是多種方法并存的原因。
這類信號(hào)一般有主動(dòng)發(fā)射源，利用被測(cè)參量與發(fā)射脈沖信號(hào)的某種調(diào)制作用，使脈沖 信號(hào)發(fā)生變化，再利用一定的手段檢測(cè)出導(dǎo)致這種變化的量，稱為主動(dòng)檢測(cè)。比如，工業(yè)中脈沖超聲波就屬于這一類。這種脈沖信號(hào)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是時(shí)域和頻域是近似緊 支的，即在時(shí)域持續(xù)有限時(shí)間，在頻域有一定的帶寬，但帶寬有限。對(duì)于這類信號(hào)的檢測(cè) 目的主要有兩大類型， 一是檢測(cè)調(diào)制后回波的有無(wú)，另一個(gè)是從回波中檢測(cè)出所需要的信 息。這種信號(hào)在經(jīng)過(guò)傳輸信道的衰減和參量的調(diào)制后，往往較弱，有時(shí)還會(huì)淹沒(méi)在強(qiáng)的噪 聲中，使得檢測(cè)變得更加困難。為此，各種各樣的信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)、信號(hào)濾波技術(shù)、降噪技 術(shù)、信號(hào)分解技術(shù)、信號(hào)重構(gòu)技術(shù)、弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)分離技術(shù)等應(yīng)用而生，并且取 得了顯著的效果。
該發(fā)明針對(duì)脈沖回波信號(hào)具有時(shí)頻緊支的特點(diǎn)，提出了一種簡(jiǎn)便的濾波方法，即基于 自適應(yīng)三角形的濾波技術(shù)，其目的是從弱脈沖回波信號(hào)中檢測(cè)出有用信號(hào)，并提高信號(hào)的 信噪比。這種方法的出發(fā)點(diǎn)是以發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜為基礎(chǔ)，根據(jù)其頻譜特點(diǎn)自適應(yīng)地生成 一種三角形，利用這種三角形頻譜去濾除信號(hào)中的噪聲，而最大限度地保留信號(hào)中能量最 大的頻率成份信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)脈沖回波信號(hào)受噪聲干擾問(wèn)題，提供一種基于數(shù)字信號(hào)處理的 濾波方法，該方法算法簡(jiǎn)便，計(jì)算量小，實(shí)現(xiàn)方便，濾波效果明顯。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案是，一種濾波方法，包括如下具體步驟
步驟l獲取發(fā)射脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換得到其頻譜；
步驟2對(duì)發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜進(jìn)行波形分析，確定頻譜波形幾何結(jié)構(gòu)；
步驟3確定發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜有效帶寬；
步驟4確定發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜中心頻率；
步驟5設(shè)計(jì)濾波器
步驟5.1根據(jù)步驟2參量確定原型低通濾波器結(jié)構(gòu)為三角形； 步驟5.2根據(jù)步驟2、 3確定三角形原型低通濾波器頂點(diǎn)高度及底邊寬度； 步驟5.3根據(jù)步驟4參量及步驟5.1、 5.2中確定的濾波器結(jié)構(gòu)，建立帶通三角形濾波 器頻率響應(yīng)函數(shù)；
步驟6獲取實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換得到其頻譜；
步驟7將實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)頻譜與濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)在頻域相乘，得到濾波后檢測(cè) 回波信號(hào)的頻譜；
步驟8將上步驟的檢測(cè)回波信號(hào)頻譜通過(guò)傅立葉逆變換，再乘以時(shí)移因子，得到濾波 后的檢測(cè)回波信號(hào)。
5所述步驟5.1中所述三角形采用等腰三角形，以匹配脈沖信號(hào)頻譜，該頻譜關(guān)于中心 頻率軸對(duì)稱。
所述步驟5.2中將三角形頂點(diǎn)位置作為發(fā)射信號(hào)頻譜頂點(diǎn)位置，將三角形底邊寬度作為 發(fā)射信號(hào)頻譜有效帶寬。
所述步驟5.3中建立三角形頻率響應(yīng)函數(shù)是將三角形方程作為濾波器幅頻特性。 本發(fā)明的濾波方法采用三角形濾波器技術(shù)，將發(fā)射脈沖頻譜作為三角形濾波器參考量， 三角形方程根據(jù)頻譜進(jìn)行調(diào)整，具有自適應(yīng)功能，可以根據(jù)發(fā)射信號(hào)頻譜進(jìn)行設(shè)計(jì)。本發(fā) 明主要用于時(shí)頻近似緊支的信號(hào)的濾波處理，算法簡(jiǎn)便，計(jì)算量小，實(shí)現(xiàn)方便，具有較好 的濾波效果，可以有效提高弱脈沖回波信號(hào)的信噪比。


圖1為本發(fā)明流程框圖
圖2為本發(fā)明原型低通三角形濾波器幅頻特性 圖3為本發(fā)明帶通三角形濾波器幅頻特性 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的脈沖超聲信號(hào)測(cè)試示意圖 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的脈沖超聲信號(hào) 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的脈沖超聲信號(hào)頻譜 圖7為本發(fā)明實(shí)施例的三角形濾波器頻率響應(yīng) 圖8為本發(fā)明實(shí)施例的經(jīng)過(guò)濾波后的超聲脈沖信號(hào) 圖9為本發(fā)明實(shí)施例的經(jīng)過(guò)濾波后的超聲脈沖信號(hào)頻譜
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。 1、原理分析
設(shè)發(fā)射的脈沖超聲信號(hào)為/W，其頻譜為Ft^)，經(jīng)過(guò)被測(cè)參量調(diào)制后的回波信號(hào)為 x(。，其頻譜為，加性噪聲為 <。，其頻譜為7V(/ )，則儀器接收到的回波信號(hào)為yW ， 其對(duì)應(yīng)的頻譜為ll/w)。它們之間存在下面的關(guān)系 (1) }^(>)=義(>)+^(加) (2)
式中，w是角頻率，單位是r^/"，與常用頻率/，其單位為/fe，的關(guān)系為0) = 2<。這里信號(hào)X(。的頻帶是有限的，而噪聲"W是寬帶的。兩種頻帶可以是交疊的，也可以是分 離的。
設(shè)發(fā)射脈沖超聲信號(hào)具有高斯包絡(luò)，則其可以表示為 /K 加。' (3)
式中，0。是發(fā)射中心頻率，g(。為高斯包絡(luò)， g( 爿, (4)
式中，^是幅度系數(shù)，"是帶寬因子，也可以理解為衰減因子。 高斯包絡(luò)具有以下的頻譜
G(/cj)=么^e 4a
(5)
a:
在不考慮頻散的情況下，儀器檢測(cè)到的信號(hào)3/(。的頻譜可以表示為
、」>) (6)
式中，s是測(cè)試系統(tǒng)增益系數(shù)，3(—為沖激函數(shù)，F(xiàn)rw為傅立葉算子，*代表巻積。 設(shè)原型低通三角形低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為/^(7'")，可表示為
c
，1 I
1--|<y|
亂
w| < wc
(7)
式中，C為濾波器幅度系數(shù)，A為截止頻率。如圖2所示。
將原型低通三角形濾波器幅頻特性右移w。，得到帶通三角形濾波器，其頻率響應(yīng)為
豐)=//力("0)》
1--—ft),
6> —6 。 <必,
(8)
其幅頻特性如圖3所示。
此時(shí)，讓儀器檢測(cè)到的脈沖超聲回波信號(hào)通過(guò)帶通三角形濾波器，其頻域響應(yīng)為
7<formula>formula see original document page 8</formula>
從公式(9)中可以看出，可以選擇適當(dāng)?shù)南禂?shù)，使<formula>formula see original document page 8</formula>從而使得通帶
V or
內(nèi)的信號(hào)得到加強(qiáng)，而通帶內(nèi)的噪聲得到衰減。在| -^|<^的通帶內(nèi)，信號(hào)中頻率成分 按線性規(guī)律衰減，當(dāng)《 = 。時(shí)，即脈沖回波信號(hào)的中心頻率處保持了最大幅值。在通頻帶
以外，噪聲得到了最大的衰減。從而在最大限度地保留原信號(hào)中心頻率的情況下，使噪聲 得到了最大的抑制。這種方法對(duì)于信號(hào)與噪聲頻帶交疊或是不交疊的情況都適應(yīng)。
當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)三角形帶通濾波器之后，再經(jīng)過(guò)逆傅立葉變換即可得到信號(hào)在濾波后的時(shí)
域波形j)W。<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，/iT[，]表示逆傅立葉變換。
2、實(shí)施例
本實(shí)施例的脈沖回波信號(hào)經(jīng)過(guò)三角形濾波器后，通帶內(nèi)信號(hào)得到了加強(qiáng)，噪聲得到了 抑制，而通帶外噪聲得到了最大限度的抑制。按本專利方法實(shí)施濾波時(shí)，首要的任務(wù)是選 擇合適的三角形濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)。由于這種三角形特性由發(fā)射脈沖頻譜確定，不同的 發(fā)射信號(hào)會(huì)有不同的三角形形式，所以這種三角形濾波器具有自適應(yīng)功能。
本實(shí)施例中，脈沖超聲回波信號(hào)的檢測(cè)背景是利用超聲波測(cè)量管道壓力。測(cè)試原理圖 如圖4所示，發(fā)射脈沖超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)管道壓力調(diào)制后，被接收傳感器接收，根據(jù)接收信號(hào) 來(lái)測(cè)量管道壓力。在實(shí)際測(cè)試中，回波信號(hào)較弱，有時(shí)無(wú)法有效檢出。為此，按照本方法 進(jìn)行濾波。在本實(shí)施例中，為了分析方便，將測(cè)試信號(hào)及其頻譜進(jìn)行了歸一化處理，同時(shí) 將濾波器幅頻特性也進(jìn)行了歸一化處理，處理結(jié)果顯示仍能得到很好的濾波效果。
如圖1所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下
步驟l獲取發(fā)射脈沖信號(hào)，并分析其頻譜F(y^)。
步驟2對(duì)發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜進(jìn)行波形分析，其頻譜波形幾何結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱。步驟3確定發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜有效帶寬2 ￡為5MHz。
步驟4確定發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜中心頻率w。為2. 5MHz。
步驟5建立三角形濾波器 原型低通濾波器結(jié)構(gòu)為等腰三角形；
三角形原型低通濾波器頂點(diǎn)位置進(jìn)行了歸一化處理，其底邊寬度2^; 建立三角形頻率響應(yīng)函數(shù)//(/^，其幅頻特性如圖7所示。
步驟6獲取實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)y(O,并分析其頻譜}1/ )。圖5是接收到的超聲回波
信號(hào)，從圖中可以看出，回波信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲中，很難判定。實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)頻譜如 圖6所示。
步驟7利用公式(9)計(jì)算濾波后信號(hào)頻譜I7(/必:)。 7
步驟8利用公式(10)得到經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)估計(jì)j)(O。
艮口，將實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)經(jīng)過(guò)步驟5的濾波器后，得到的輸出波形及頻譜如圖8和9 所示，可以看出信號(hào)得到了加強(qiáng)，其信噪比由沒(méi)有濾波前的11.9217dB增加到濾波后的 24.1146dB。
9
權(quán)利要求
1、一種濾波方法，包括如下具體步驟步驟1獲取發(fā)射脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換得到其頻譜；步驟2對(duì)發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜進(jìn)行波形分析，確定頻譜波形幾何結(jié)構(gòu)；步驟3確定發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜有效帶寬；步驟4確定發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜中心頻率；步驟5設(shè)計(jì)濾波器步驟5.1根據(jù)步驟2參量確定原型低通濾波器結(jié)構(gòu)為三角形；步驟5.2根據(jù)步驟2、3確定三角形原型低通濾波器頂點(diǎn)高度及底邊寬度；步驟5.3根據(jù)步驟4參量及步驟5.1、5.2中確定的濾波器結(jié)構(gòu)，建立帶通三角形濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)；步驟6獲取實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換得到其頻譜；步驟7將實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)頻譜與濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)在頻域相乘，得到濾波后檢測(cè)回波信號(hào)的頻譜；步驟8將上步驟的檢測(cè)回波信號(hào)頻譜通過(guò)傅立葉逆變換，再乘以時(shí)移因子，得到濾波后的檢測(cè)回波信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法，其特征是，所述步驟5.1中三角形采用等腰三角形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法，其特征是，所述步驟5.2中將三角形頂點(diǎn)位置作 為發(fā)射信號(hào)頻譜頂點(diǎn)位置，將三角形底邊寬度作為發(fā)射信號(hào)頻譜有效帶寬。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法，其特征是，所述步驟5.3中建立三角形頻率響應(yīng) 函數(shù)是將三角形方程作為濾波器幅頻特性。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法，其特征是，所述步驟5.1、 5.2中原型低通三角形頻率響應(yīng)函數(shù)為/^(7( - ?！?<formula>formula see original document page 2</formula>
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法，其特征是，所述步驟7中實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)的頻<formula>formula see original document page 3</formula>域響應(yīng)為<formula>formula see original document page 3</formula>選擇適當(dāng)?shù)南禂?shù)，使<formula>formula see original document page 3</formula>
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法，其特征是，所述步驟8中實(shí)測(cè)回波信號(hào)在濾波后的時(shí)域波形<formula>formula see original document page 3</formula>式中，/Frw表示逆傅立葉變換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種濾波方法，從信號(hào)處理的角度解決了脈沖回波信號(hào)受到噪聲干擾時(shí)，噪聲的濾除問(wèn)題。該方法包括如下步驟獲取發(fā)射脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換得到其頻譜；對(duì)發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜進(jìn)行波形分析，確定頻譜波形幾何結(jié)構(gòu)；確定發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜有效帶寬；確定發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜中心頻率；設(shè)計(jì)濾波器；獲取實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換得到其頻譜；將實(shí)測(cè)脈沖回波信號(hào)頻譜與濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)在頻域相乘，得到濾波后檢測(cè)回波信號(hào)的頻譜；將上步驟的檢測(cè)回波信號(hào)頻譜通過(guò)傅立葉逆變換，再乘以時(shí)移因子，得到濾波后的檢測(cè)回波信號(hào)。該方法特別適用于弱脈沖回波信號(hào)檢測(cè)。
文檔編號(hào)H03H17/02GK101567676SQ20091003133
公開(kāi)日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者博 任, 宋壽鵬, 琳 徐, 李驍斐, 潘海彬, 欣 路 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)