沉渣厚度超声检测信号处理技术研究及应用

摘要

钻孔底部过厚的沉渣是影响钻孔灌注桩质量的主要因素，而目前尚缺乏先进准确的沉渣厚度检测仪器，针对这一现状，本文提出钻孔沉渣厚度的超声测量方法，并围绕其超声信号处理中的滤波、增强和声走时获取等问题展开了一系列的研究工作，主要包括：
　　1、分析了超声检测系统的四种工作模式及超声换能器参数与检测指标间的关系，确定了钻孔沉渣厚度超声检测所用超声换能器的特性，并在模拟环境中进行实验，获得了比较清晰的沉渣界面回波。
　　2、研究了时域和变换域Gabor滤波。分析了Gabor变换系数的特点，提出了基于首个大类间距概率的阈值选取方法，并给出了详细的处理步骤。基于首个大类间距概率阈值的Gabor变换滤波在仿真信号和实际超声检测信号的处理中都获得了很好的效果。
　　3、把迭代被动时间反转镜（PTRM）技术用于超声检测信号的增强，分析了二次迭代PTRM的时变增强原理和增强倍数。实验表明，该增强方法在介质声波传播特性未知的情况下能够实现信号的盲时变增强，同时还具有一定的噪声抑制能力。
　　4、把谱减和子带的概念引入到奇异谱熵中，并给出了奇异谱子带的划分方式。提出了谱减子带奇异谱熵并把它用于超声信号的首波检测和定位。试验表明，基于谱减子带奇异谱熵的首波定位精确度高、抗干扰能力强、鲁棒性好。
　　5、提出虚拟阵MUSIC时延估计算法，并给出虚拟阵元信号的构造方法和最少虚拟真元个数。在超声信号的时延估计中，虚拟阵MUSIC时延估计算法获得了高精度、高分辨率的时延估计结果。
　　6、把以上提出的方法应用到实验获得中的沉渣超声测量信号的处理中，得到获得了比较理想的结果，证实了沉渣厚度超声检测的可行性和所提出处理方法的有效性。

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Contents

1 绪 论

1.1 钻孔灌注桩及其孔底沉渣

1.2 钻孔沉渣厚度的检测现状

1.3 课题的提出和意义

1.4 超声信号处理技术研究现状

1.5 论文的主要工作及内容安排

2 沉渣厚度超声检测硬件系统及实验

2.1 沉渣厚度超声检测硬件系统

2.2 沉渣厚度超声检测实验

2.3 本章小结

3 超声检测信号的Gabor滤波

3.1 引言

3.2 时域Gabor滤波

3.3 Gabor变换滤波及首个大类间距概率阈值的提出

3.4 Gabor滤波仿真实验

3.5 本章小结

4 基于迭代被动时间反转镜的超声信号时变增强

4.1 时间反转镜技术

4.2 迭代被动时间反转镜及超声信号时变增强

4.3 迭代PTRM超声信号增强的仿真实验

4.4 本章小结

5 基于谱减子带奇异谱熵的超声回波首波定位

5.1 首波定位技术概述

5.2 谱减子带奇异谱熵的提出

5.3 基于SS-B-SVSE的超声回波首波定位及仿真实验

5.4 本章小结

6 基于虚拟阵MUSIC算法的时延估计

6.1 时延估计技术概述

6.2 基于MUSIC算法的时延估计

6.3 虚拟阵列及其MUSIC时延估计算法的提出

6.4 虚拟阵列的MUSIC时延估计仿真实验

6.5 本章小结

7 在钻孔沉渣厚度超声检测中的具体应用

7.1 钻孔沉渣超声检测信号的滤波

7.2 钻孔沉渣超声检测信号的增强

7.3 基于首波定位的钻孔沉渣厚度测量

7.4 基于时延估计的钻孔沉渣厚度测量

7.5 误差分析

7.6 本章小结

8 总结与展望

8.1 工作总结

8.2 本文的创新点

8.3 工作展望

致谢

攻读博士学位期间的主要成果

参考文献