李 廣，蔣易帆，范孟豹，陳 淼

1長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司 湖南長(zhǎng)沙 410012

2金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南長(zhǎng)沙 410012

3國(guó)家安全生產(chǎn)長(zhǎng)沙礦山機(jī)電檢測(cè)檢驗(yàn)中心 湖南長(zhǎng)沙 410012

4中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

鋼 絲繩是被廣泛應(yīng)用于大型機(jī)械中的重要部件[1]。由于工況惡劣，使用過程中，鋼絲繩會(huì)碰撞、摩擦產(chǎn)生局部缺陷[2]，因而需要對(duì)鋼絲繩進(jìn)行定期檢測(cè)。在鋼絲繩漏磁檢測(cè)過程中，產(chǎn)生的抖動(dòng)噪聲會(huì)影響低頻信號(hào)的檢測(cè)精度。檢測(cè)噪聲信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)鋼絲繩的斷絲根數(shù)，傳統(tǒng)去噪方法會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷信號(hào)幅值衰減，不利于鋼絲繩缺陷尺寸的量化；因此，去噪的同時(shí)保證損傷信號(hào)特征不丟失尤為重要。

在檢測(cè)鋼絲繩的方法中，電磁檢測(cè)法是一種無(wú)損檢測(cè)方法。它具備可靠性、安全性，以及良好的成本效益[3]。該方法所需的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量斷絲位置準(zhǔn)確，是鋼絲繩檢測(cè)的常用方法。漏磁檢測(cè)分為單通道與多通道檢測(cè)。對(duì)于單通道漏磁信號(hào)，研究人員嘗試模擬帶通濾波器[4]、離散小波變換[5]的方法提高信號(hào)質(zhì)量。單通漏磁信號(hào)處理無(wú)法獲取多維信息，通常檢測(cè)精度較低。對(duì)于多通道的漏磁信號(hào)，劉世偉等人[6]通過結(jié)合陷波濾波器和小波去噪方法區(qū)分低頻信號(hào)與噪聲；張聚偉等人[7]使用了基于小波理論的去噪方法，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)量化斷絲程度；張東來(lái)等人[8]利用霍爾傳感器陣列的 30 通道漏磁信號(hào)，通過插值法重建鋼絲繩損傷圖像，然后利用圖像濾波器濾除鏈噪聲以提高信號(hào)質(zhì)量。

本研究對(duì)鋼絲繩漏磁信號(hào)進(jìn)行處理，最大程度保留了損傷信號(hào)的幅值，抑制信號(hào)中抖動(dòng)噪聲以及基線漂移現(xiàn)象；對(duì)多通道漏磁信號(hào)合并，通過圖像插值，提高損傷處的分辨率，以實(shí)現(xiàn)斷絲定位與區(qū)分。

1 去噪方法

去噪方法分為兩步：信號(hào)降噪以及信號(hào)平滑。信號(hào)降噪選擇中值濾波作差法進(jìn)行處理。中值濾波常用于消除孤立的噪聲點(diǎn)，在一維數(shù)據(jù)的濾波上同樣可以使用中值濾波進(jìn)行平滑操作，它在處理一些離群的脈沖數(shù)據(jù)時(shí)效果顯著。中值濾波的關(guān)鍵參數(shù)為濾波階數(shù)，它決定了濾波窗口尺寸。在一維中值濾波中，處理窗口均為線性。一維中值濾波原理是：將輸入序列中每一點(diǎn)的值設(shè)置為該點(diǎn)鄰域窗口內(nèi)的所有點(diǎn)的中值。中值濾波原理如下：

式中：Xi為輸入序列中第i個(gè)點(diǎn)；Yi為輸出序列中第i個(gè)點(diǎn)；n為中值濾波階數(shù)。

中值濾波階數(shù)n決定濾波窗口尺寸[9]。濾波階數(shù)越大，信號(hào)越平滑，損傷信號(hào)特征丟失越多；濾波階數(shù)越小，損傷信號(hào)特征丟失越少，信號(hào)中“毛刺”越多。

漏磁檢測(cè)中，損傷處的信號(hào)幅值會(huì)產(chǎn)生急劇變化，產(chǎn)生脈沖峰。按以下步驟處理：

(1) 輸入六通道去趨勢(shì)信號(hào)，使用中值濾波依次對(duì)多通道漏磁信號(hào)進(jìn)行過濾，消除損傷信號(hào)脈沖特征，保留抖動(dòng)噪聲以及基線漂移部分；

(2) 通過原始信號(hào)與濾波后信號(hào)作差，保留損傷信號(hào)部分，降噪并抑制基線漂移。

包絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)低頻信號(hào)能量集中，與中值濾波類似，包絡(luò)中的關(guān)鍵參數(shù)為希爾伯特濾波器長(zhǎng)度。通過希爾伯特變化中的離散傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入序列的解析信號(hào)求解。同時(shí)，為了排除輸入序列直流分量對(duì)信號(hào)包絡(luò)求解的影響，在求解析信號(hào)時(shí)先減去原始信號(hào)的直流分量，求解包絡(luò)完成后再添加該分量。

信號(hào)平滑處理方式選取 SG 濾波。SG 濾波(Savitzky-Golay Filtering) 是一種在時(shí)域內(nèi)基于局域多項(xiàng)式最小二乘法擬合的濾波方法。這種濾波器最大的特點(diǎn)在于在濾除噪聲的同時(shí)，可以確保信號(hào)的形狀、寬度不變，通過啟發(fā)式算法能夠確定 SG 濾波的窗口尺寸。

由于空間大小限制，使用多通道儀器檢測(cè)漏磁信號(hào)時(shí)，在圓周維度上信號(hào)分辨率較低，損傷信號(hào)難以識(shí)別[13]。為提高分辨率，本研究采用雙三次插值法，利用待采樣點(diǎn)周圍 16 個(gè)點(diǎn)的灰度值作 3 次插值。最常用的插值 bicubic 基函數(shù)[10]如下：

將待插值的像素點(diǎn) (x，y) 取其附近的 4×4 鄰域點(diǎn)，按下式進(jìn)行插值計(jì)算實(shí)現(xiàn)插值效果。

其中 (xi，yj)，i，j=0，1，2，3。

綜上所述，去噪處理流程如圖1 所示。

圖1 去噪處理流程Fig.1 Denoising process

2 試驗(yàn)與信號(hào)處理

在漏磁檢測(cè)中，陣列霍爾傳感器應(yīng)用廣泛[11]，該儀器能利用陣列傳感器所獲得的多通道信號(hào)，通過融合能夠更全面地評(píng)估鋼絲繩的使用狀況。相比較單通道信號(hào)，多通道信號(hào)能夠更好地利用損傷特征的空間信息[12]。

2.1 試驗(yàn)裝置與鋼絲繩樣品

本文所使用的漏磁探傷儀為六通道陣列霍爾傳感器，如圖2 所示。該探傷儀的靈敏度為 5×10-4mV/T，磁場(chǎng)范圍為 (-420～ 420) ×10-4T，供電電壓為 3.0～

圖2 漏磁探傷儀Fig.2 Magnetic flux leakage detector

7.5 V，并內(nèi)含溫度補(bǔ)償。

本研究使用 6×37M-FC 型鋼絲繩，分別制作了輕微斷絲、中度斷絲和嚴(yán)重?cái)嘟z 3 種斷絲缺陷 (見圖3)，其斷絲當(dāng)量分別約為 1～ 2 根、3～ 4 根、5～ 6根，以對(duì)應(yīng) 3 種不同斷絲缺陷大小。

圖3 3 種缺陷的鋼絲繩Fig.3 Wire ropes with three types of defects

2.2 漏磁原始信號(hào)

原始信號(hào)如圖4 所示。由于霍爾傳感器個(gè)體差異以及提離距離不同，6 條通道不在同一水平位置，需要進(jìn)行信號(hào)去趨勢(shì)處理。處理完成后，對(duì)多通道漏磁信號(hào)求和得到的結(jié)果如圖5 所示。

圖4 原始多通道漏磁信號(hào)Fig.4 Original multi-channel magnetic flux leakage signals

圖5 去趨勢(shì)信號(hào)和通道Fig.5 Sum channel of detrend signal

從圖4 可以看到，在測(cè)量過程中產(chǎn)生了許多不規(guī)則的凸起，如通道 1 所示，此為產(chǎn)生的抖動(dòng)噪聲。如圖5 所示，原始信號(hào)中存在較為明顯的基線漂移現(xiàn)象。

2.3 信號(hào)降噪處理

使用中值濾波作差法處理后的信號(hào)如圖6 所示。信號(hào)完整地保留了損傷信號(hào)的正向峰值，同時(shí)抑制了信號(hào)中基線漂移現(xiàn)象；但僅憑中值濾波法，信號(hào)濾波后產(chǎn)生大量毛刺，對(duì)后續(xù)的信噪比計(jì)算有著負(fù)面影響。同時(shí)，濾波后的信號(hào)產(chǎn)生了負(fù)向峰，若不處理，負(fù)向峰在漏磁圖像中會(huì)產(chǎn)生陰影[8]。信號(hào)包絡(luò)能夠有效實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)能量集中，消除負(fù)向波峰。

圖6 中值濾波前后信號(hào)對(duì)比Fig.6 Comparison of signals before and after median filtering

如圖7 所示，信號(hào)包絡(luò)后的 3 處損傷信號(hào)幅值比原始信號(hào)均有所提升，實(shí)現(xiàn)了低頻信號(hào)能量集中；但毛刺現(xiàn)象依舊存在，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)一步的平滑處理。

圖7 信號(hào)濾波與包絡(luò)后對(duì)比Fig.7 Comparison of signals before and after filtering and enveloping

2.4 信號(hào)平滑處理

采用 SG 濾波器平滑處理后的信號(hào)如圖8 所示。該方式在平滑信號(hào)的同時(shí)，能夠保證信號(hào)寬度形狀不發(fā)生改變，這對(duì)后續(xù)的量化計(jì)算起到一定的優(yōu)化作用。

圖8 SG 濾波器平滑處理后的信號(hào)Fig.8 Signal smoothed by SG filter

3 去噪量化評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為對(duì)信號(hào)處理結(jié)果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，選取信噪比、最大噪聲幅值衰減率、最小損傷信號(hào)幅值衰減率 3 組量化指標(biāo)，計(jì)算后以評(píng)價(jià)所選用方法的去噪效果。

根據(jù)劉志亮等人[13]提出的計(jì)算公式，可以根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)所得的最大噪聲幅值、最小損傷信號(hào)幅值作為信噪比的計(jì)算依據(jù)。信噪比

式中：Smin為損傷信號(hào)最小幅值；Nmax為振動(dòng)噪聲最大幅值。

使用損傷信號(hào)的最小幅值而不是最大幅值計(jì)算信噪比，目的是評(píng)價(jià)去噪方法在噪聲與損傷信號(hào)幅值非常接近時(shí)的去噪效果[13]。

最小損傷幅值衰減率，是針對(duì)信號(hào)處理方法對(duì)損傷信號(hào)幅值的負(fù)面衰減進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)。其計(jì)算公式如下：

式中：S0為原始損傷信號(hào)最小幅值；Smin為過濾后損傷信號(hào)最小幅值。

損傷信號(hào)幅值衰減越小，證明濾波方法對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)面衰減效果越小。

最大噪聲幅值衰減率，是針對(duì)信號(hào)處理方法對(duì)噪聲抑制效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其計(jì)算公式如下：

式中：S1為原始噪聲信號(hào)最大幅值；Nmax為過濾后噪聲信號(hào)最大幅值。

噪聲幅值衰減越大，證明濾波方法對(duì)噪聲抑制效果越好。

3.2 效果評(píng)價(jià)

根據(jù)上述 3 組指標(biāo)，對(duì)不同濾波階數(shù)下的中值濾波作差信號(hào)處理，并對(duì)該效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。所得結(jié)果如圖9～ 11 所示。

圖9 不同濾波階數(shù)下信噪比Fig.9 Signal-to-noise ratio under different filtering orders

圖10 不同濾波階數(shù)下?lián)p傷信號(hào)幅值衰減率Fig.10 Amplitude attenuation rate of damage signal under different filtering orders

圖11 不同濾波階數(shù)下噪聲信號(hào)幅值衰減率Fig.11 Amplitude attenuation rate of noise signal under different filtering orders

損傷信號(hào)幅值對(duì)于缺陷量化有著重要意義，因而首先應(yīng)當(dāng)最大程度保留原始信號(hào)幅值，同時(shí)也要兼顧噪聲抑制效果。最終選取中值濾波作差法的濾波階數(shù)為 17。

為了證明中值濾波方法在處理漏磁信號(hào)上具有優(yōu)勢(shì)，引入高斯濾波作為對(duì)照方法。設(shè)置 2 個(gè)對(duì)照組，分別是使用高斯濾波處理后的信號(hào)，以及使用高斯濾波平滑后的信號(hào)，所得結(jié)果如表1 所列。

表1 信號(hào)處理方法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.1 Evaluation results of signal processing methods

高斯濾波后的信號(hào)如圖12 所示。相比原始信號(hào)，高斯濾波實(shí)現(xiàn)了平滑的效果；但對(duì)抖動(dòng)噪聲以及基線漂移現(xiàn)象的去除效果并不理想，且損傷信號(hào)幅值衰減明顯。與中值濾波去除效果 (見圖6) 相比，高斯濾波的優(yōu)勢(shì)明顯。

圖12 高斯濾波處理后的信號(hào)Fig.12 Signal after processing by Gaussian filtering

采用 3 種平滑方式后的效果對(duì)比如圖13 所示。高斯平滑給信號(hào)處理帶來(lái)的最主要的問題，就是損傷信號(hào)幅值衰減非常明顯。相比較而言，SG 平滑后幾乎沒有出現(xiàn)損傷信號(hào)幅值的衰減問題，處理方式明顯要優(yōu)于高斯平滑。

圖13 平滑效果后的信號(hào)對(duì)比Fig.13 Comparison of signals after smoothing effect

再結(jié)合表1，中值濾波與 SG 濾波處理組合方法的信噪比最高，同時(shí)不產(chǎn)生損傷信號(hào)衰減，得到 50%的噪聲抑制效果，處理效果最佳。

3.3 漏磁圖像插值

對(duì)6 通道的漏磁霍爾信號(hào)進(jìn)行通道合并生成圖14。本研究中，使用雙三次插值法將圖像寬度從 6 增加到 50，生成漏磁圖像并進(jìn)行色標(biāo)上色，以清晰地顯示其正向值大小，最終結(jié)果如圖15 所示。

圖14 未插值中值濾波和 SG 平滑漏磁成像圖Fig.14 Magnetic flux leakage image after median filtering and SG smoothing without interpolation

圖15 中值濾波和 SG 平滑組合插值圖Fig.15 Median filtering and SG smoothing combined image with interpolation

與中值濾波去除效果 (見圖6) 對(duì)照，插值成像圖中 3 處損傷可以清晰呈現(xiàn)三類斷絲大小不同的情況。同時(shí)與未插值圖像進(jìn)行對(duì)比，可以得到結(jié)論：通過雙三次插值成像方式，能夠提高通過融合多通道漏磁信號(hào)生成的漏磁圖像的分辨率；有效利用多通道信息，實(shí)現(xiàn)不同程度下的斷絲損傷的像素差異區(qū)分。

4 結(jié)論

(1) 對(duì) 6 通道漏磁信號(hào)進(jìn)行中值濾波作差處理和SG 平滑組合信號(hào)處理，與傳統(tǒng)直接濾波相比，有效減少了損傷信號(hào)幅值的衰減，對(duì)鋼絲繩斷絲根數(shù)與缺陷寬度量化有著重要意義。

(2) 通過對(duì)多通道漏磁信號(hào)合并生成漏磁圖像，利用雙三次插值的方式對(duì)生成的漏磁圖像進(jìn)行分辨率提升處理，充分利用多通道信號(hào)清晰展示損傷處的成像信息，實(shí)現(xiàn)了不同斷絲程度下漏磁圖像的像素差異區(qū)分，為后續(xù)使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行斷絲的分類工作奠定良好的基礎(chǔ)。