基于经验模态分解的管道超声回波信号噪声消除

　　我国在海洋油气资源的开发中,形成了纵横交错的海底输油网,由于海底表层地基不稳定、介质腐蚀、海流冲淘及海上意外事故等原因,管道易产生缺陷和损伤,发生油气泄漏,不仅造成了巨大的经济损失及能源浪费,同时也极大地破坏了周边海域的生态环境.在管道内缺陷检测方法中,超声波脉冲检测法是目前应用最为广泛的一种检测手段.它的检测原理就是将具有一定持续时间和一定频率间隔的超声脉冲发射到被测物体,当超声脉冲遇到缺陷或边界时,就会发生反射产生回波,回波信号包含有丰富的缺陷信息,通过对回波信号的分析,即可判断被测物体是否有缺陷.然而,在海底管道无损检测中,由于环境恶劣,回波信号受到电子噪声、结构噪声以及其它未知噪声的干扰[1,2],所以在分析回波信号之前,必须对信号进行降噪处理.本文采用了一种新的去噪方法——经验模态分解(Empirical ModeDcomposition简称EMD)的方法对超声回波信号进行了良好的降噪处理,信噪比大约提高了11 dB.

　　1　经验模态分解过程及噪声去除准则

　　经验模态分解是由美国国家宇航局的Norden E. Huang于1998年首次提出的[3].它的主要思想是把时间序列信号分解成不同尺度的固有模态函数(Intrinsic Mode Function简称IMF), IMF必须满足两个条件:①对整个时间序列来说,极值的个数和穿过零点的个数必须相等或者只相差为1;②在任何一点,最大值包络线和最小值包络线的平均值为零.

　　1.1　经验模态分解过程

　　1)假设x(t)是原始信号序列,首先找到x(t)的局部最大值和局部最小值,对局部最大值和局部最小值做三次样条插值得到x(t)的上包络线和下包络线,求出上下包络线的均值记,为m1(t),求出

　　h1(t) =x(t) -m1(t). (1)

　　如果h1(t)满足固有模态函数(IMF)的条件,那么h1(t)就是x(t)的第一个固有模态函数.如果h1(t)不满足IMF的条件,h1(t)作为原始信号的数据,重复步骤1),得到上下包络线的平均值m11(t),求出

　　h11(t) =h1(t) -m11(t). (2)

　　如果h11(t)满足固有模态函数(IMF)的条件,那么就得到x(t)的第一个固有模态函数,如果h11(t)不满足固有模态函数的条件,则继续重复步骤1),假设第k次后,h1k(t)满足固有模态函数条件,得到

　　h1k(t) =h1(k-1)(t) -m1k(t). (3)

　　记c1(t)=h1k(t)为x(t)的第一个固有模态函数.

　　2)将c1(t)从x(t)中分离出来,得到r1(t) =x(t) -c1(t). (4)

　　将r1(t)作为原始数据重复步骤1), 2),得到x(t)的第二个满足固有模态函数条件的分量r2(t),对上述过程重复循环n次,得到原始信号x(t)的n个固有模态函数分量,当rn(t)成为一个单调函数不能再从中抽取满足固有模态函数(IMF)条件的分量时,经验模式分解结束,可得