信号采集分析和数字成像基础ppt课件

1、第三章 信号采集、分析和数字成像基础信号采集基础信号采集基础信号分析基础信号分析基础数字成像技术基础数字成像技术基础3.1 信号采集基础 传感器传感器 数据通信数据通信 降噪技术降噪技术0102033.1.1 传感器信号采集设备信号采集设备 主要由传感器、信号调理模块、主要由传感器、信号调理模块、A/DA/D转换模块构成。转换模块构成。 能感受规定的被测量元件并按照一定规律数学函数法则转换成可用信号能感受规定的被测量元件并按照一定规律数学函数法则转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器传感器3.1.1 传感器物理量l加速度、位

2、移、温湿度、压力、流量、液位、转矩、力等传感器工作原理l振动、湿磁、气敏、电光学式、电荷、半导体、谐振式等传感器传感器的分类传感器的分类3.1.1 传感器p传感器的静态特性传感器的静态特性p传感器的动态特性传感器的动态特性对静态的输入信号，传感器输出量对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系与输入量之间的相互关系传感器在输入变化时，它的输出特性传感器在输入变化时，它的输出特性p 标准输入信号：阶跃信号标准输入信号：阶跃信号p 阶跃响应阶跃响应p 标准输入信号：正弦信号标准输入信号：正弦信号p 频率响应频率响应传感器的性能传感器的性能线性度线性度灵敏度灵敏度分辨率分辨率重复性重复性阈

3、值阈值飘移飘移迟滞迟滞3.1.1 传感器 信号调理信号调理对输入信号放大、滤波等将输入信号转换成对输入信号放大、滤波等将输入信号转换成处理模块能够识别的信号处理模块能够识别的信号 滤波是抑制、消除噪声的主要手段：尽可滤波是抑制、消除噪声的主要手段：尽可能使有用信号通过，衰减无用信号能使有用信号通过，衰减无用信号低通低通LPF LPF 高通高通HPFHPF带通带通带阻带阻基本形式基本形式主主要要分分类类高通滤波器高通滤波器HPFHPF）3.1.1 传感器 A/D A/D转换模数转换）转换模数转换） 把模拟信号转换成数字信号把模拟信号转换成数字信号 把连续信号转换成离散信号采样）把连续信号转换成离

4、散信号采样）转换速率转换速率完成一次从模拟量转完成一次从模拟量转换到数字量所需时间换到数字量所需时间的倒数。的倒数。单位：单位：Ksps Ksps 、MspsMsps采样频率采样间隔）采样频率采样间隔） 即在时间轴上对信号即在时间轴上对信号进行量化的频率；进行量化的频率；采样频率越高采样采样频率越高采样间隔越短），对模拟间隔越短），对模拟信号的再现性越好。信号的再现性越好。采样精度分辨率）采样精度分辨率）数字量变化一个最小数字量变化一个最小量时模拟信号的变化。量时模拟信号的变化。用输出二进制数码的用输出二进制数码的位数表示，位数越多，位数表示，位数越多，分辨力越高。分辨力越高。线性度线性度实际

5、转换器的转移函实际转换器的转移函数与理想直线的最大数与理想直线的最大偏移。偏移。A/DA/D转换过程转换过程3.1.2 数据通信 总线总线 是采集模块和处理模块的纽带，是系统的是采集模块和处理模块的纽带，是系统的重要组成。重要组成。 根据并行通信和串行通信，分为并行总线根据并行通信和串行通信，分为并行总线和串行总线。和串行总线。定义：数据通信是一种数据传输过程。定义：数据通信是一种数据传输过程。 USB USB总线：传播快速，可达总线：传播快速，可达12Mbps12Mbps；支持多；支持多媒体媒体 CAN CAN总线：一种多主总线，各节点之间自由总线：一种多主总线，各节点之间自由通信，数据通信

6、实时性强通信，数据通信实时性强信号经采集、调理模块、信号经采集、调理模块、A/DA/D转换后，转换后，经总线传输到计算机或仪器仪表中进行经总线传输到计算机或仪器仪表中进行处理，形成一个简单的信号采集系统。处理，形成一个简单的信号采集系统。虚拟信号采集示意图虚拟信号采集示意图3.1.2 数据通信 无线传输无线传输 利用无线数据传输模块将采集设备输出的利用无线数据传输模块将采集设备输出的数据或物理量进行远程传输，进行无线数据采数据或物理量进行远程传输，进行无线数据采集，无线开关量控制远程设备遥测遥控）。集，无线开关量控制远程设备遥测遥控）。 CDMA CDMA GPRS GPRS：基于：基于GSM

7、GSM系统的无线分组交换，永远系统的无线分组交换，永远在线和按流量计费在线和按流量计费 3G 3G 4G 4G 公众移动网络公众移动网络 数传电台数传电台 宽带宽带WIFIWIFI无线数据传输示意图无线数据传输示意图3.1.3 降噪技术元器件噪声干扰噪声电路设计噪声 空气辐射干扰空气辐射干扰 线路串扰噪声线路串扰噪声 传输噪声传输噪声噪声隐藏有用信号，或者使得有用信号失真，影响测试精度，制约采集系统、检测设备的性能。在实际应用中，采集到的信号，夹杂着许多噪声。3.1.3 降噪技术 硬件降噪硬件降噪 对信号进行前端增幅对信号进行前端增幅 改良配线方式和输入方式改良配线方式和输入方式 增加地线增加

8、地线 n 设置滤波装置设置滤波装置 将信号看作模拟信号，通过选将信号看作模拟信号，通过选择不同的频率成分实现信号滤波。择不同的频率成分实现信号滤波。带通滤波：高低频段之间的信号带通滤波：高低频段之间的信号通过通过带阻滤波：高低频段之外的信号带阻滤波：高低频段之外的信号通过通过n 带通滤波带通滤波“尖角尖角信号处理：设置缓冲区信号处理：设置缓冲区DfDf3.1.3 降噪技术 软件降噪软件降噪移动平滑法：相邻数据取加权平移动平滑法：相邻数据取加权平均对测试信号高频噪声予以削减均对测试信号高频噪声予以削减mmjjixjwWi)()(1)(y移动平滑法的去噪效果取决于：移动平滑法的去噪效果取决于：噪声

9、的特性，如果噪声相互间没有相关性，去噪声的特性，如果噪声相互间没有相关性，去噪效果最好；噪效果最好；具有信号耦合的效果，相邻信号影响信号的锐具有信号耦合的效果，相邻信号影响信号的锐度。度。3.1.3 降噪技术 软件降噪软件降噪经验模态分解法经验模态分解法EMDEMD）：）：N.E.HuangN.E.Huang等人于等人于20192019年提出的适年提出的适合于非线性、非平稳信号的频谱分合于非线性、非平稳信号的频谱分析方法析方法nknktrtct1)()()(s原理：从分解的原理：从分解的IMFIMF本态模征函数分量中本态模征函数分量中去除噪声引起的去除噪声引起的IMFIMF分量后，将剩余分量后

10、，将剩余IMFIMF和趋势和趋势分量重构信号。分量重构信号。去掉低阶去掉低阶IMF IMF 低通滤波低通滤波去掉高阶去掉高阶IMF IMF 高通滤波高通滤波EMDEMD去噪效果图去噪效果图3.2 信号分析基础 信号的频谱分析信号的频谱分析 信号的相关分析信号的相关分析01023.2.1 信号的频谱分析 FFT FFT高速傅里叶变换）高速傅里叶变换）将波分解为正弦波或余弦波，分解出的各种波的将波分解为正弦波或余弦波，分解出的各种波的频率、振幅和相位即为波的频谱。频率、振幅和相位即为波的频谱。波的频谱分析，即将合成波分解为具有单波的频谱分析，即将合成波分解为具有单独频率和初始相位的单纯波。独频率和

11、初始相位的单纯波。NmNANkmBNkmAAxNNkkm) 2/(2cos22sin2cos22/12/1k0Ak,BkAk,Bk，称为有限傅里叶系数。，称为有限傅里叶系数。频谱分辨率：频谱分辨率：tNfffkk11由采样间隔和采样数决定。采样间由采样间隔和采样数决定。采样间隔越小，分辨率越高。但采样个数隔越小，分辨率越高。但采样个数越多，分辨率反而降低。越多，分辨率反而降低。3.2.1 信号的频谱分析 MEM MEM最大熵法）最大熵法）在不增加熵的条件下推定信号的自相关系数，继在不增加熵的条件下推定信号的自相关系数，继而推算频谱。熵，表示无序的程度。而推算频谱。熵，表示无序的程度。 频谱分辨

12、率非常高。频谱分辨率非常高。 适用于非正弦适用于非正弦/ /余弦类信号，后者更适用于正余弦类信号，后者更适用于正弦信号。弦信号。 分辨率与序列长度分辨率与序列长度N2N2成反比，序列长度越长，成反比，序列长度越长，分辨率越高。后者分辨率与观测试间序列长分辨率越高。后者分辨率与观测试间序列长度度N N成反比。成反比。 解决了旁瓣泄露问题。解决了旁瓣泄露问题。MEMMEM与与FFTFFT相比的特征相比的特征FFTFFT分析结果分析结果MEMMEM分析结果分析结果3.2.2 信号的相关分析 相关系数相关系数NiiiNiiiXYyyxxyyxxR1221)()()( 互相关函数互相关函数 线性相关线性

13、相关 非线性相关。非线性相关。dttXtXTTRTTx00)()(1lim)( 自相关函数自相关函数dttYtXTRTTXY0)()(1lim)(信号的相关分析用于回波测距、通讯、测信号的相关分析用于回波测距、通讯、测速、信号识别、故障诊断等工程应用中。速、信号识别、故障诊断等工程应用中。3.3 数字成像技术 扫描技术扫描技术 CT CT成像技术成像技术01023.3.1 扫描技术 时域分析时域分析 对接收的信号进行适当滤波、增幅处理后，根对接收的信号进行适当滤波、增幅处理后，根据信号的强弱、相位，用彩色或浓淡灰度进据信号的强弱、相位，用彩色或浓淡灰度进行表示。行表示。微波、弹性波、超声波均适

14、用。微波、弹性波、超声波均适用。原理：沿测试对象表面连续激发信号，信原理：沿测试对象表面连续激发信号，信号遇到空洞等疏松介质时产生反射。抽取号遇到空洞等疏松介质时产生反射。抽取该反射信号并进行相应图像处理，即可识该反射信号并进行相应图像处理，即可识别结构物内部缺陷。别结构物内部缺陷。弹性波雷达弹性波雷达EWREWR）三维图像切片技术三维图像切片技术3DS3DS：EWREWR的延伸的延伸3.3.1 扫描技术 弹性波雷达弹性波雷达3.3.1 扫描技术 三维切片技术三维切片技术 3DS 3DS是弹性波雷达是弹性波雷达EWREWR的一个延伸，即在反射信号中，通过对各时间断面信号的提取和合成，从的一个延

15、伸，即在反射信号中，通过对各时间断面信号的提取和合成，从而可获取某一区域内各深度的缺陷信息。而可获取某一区域内各深度的缺陷信息。3.3.1 扫描技术 频域分析频域分析 将接收到的信号利用将接收到的信号利用FFTFFT或或MEMMEM等频谱分析工具等频谱分析工具进行频谱分析后，以时间轴为横坐标，幅值或功进行频谱分析后，以时间轴为横坐标，幅值或功率为纵坐标再进行描画。率为纵坐标再进行描画。适用于信号衰减小、结构较薄的情形。适用于信号衰减小、结构较薄的情形。适用于冲击弹性波，微波、超声波检测应用较少。适用于冲击弹性波，微波、超声波检测应用较少。某桥梁腹板某桥梁腹板EWREWR成像图成像图频域，频域，MEMMEM分析）分析）3.3.2 弹性波CT CT CT 利用利用X X射线旋转照射，用三维技术反演并重建断射线旋转照射，用三维技术反演