Kalman滤波在磁检测信号分析中的应用.pdf

1、Kalman 滤波在磁检测信号分析中的应用摘要：随着我国国民经济的快速发展,在许多的工业、国防部门中，无损检测技术因其低投入，高产出的特点正发挥着不可或缺的作用。近年来，计算机智能化的普及，也使得作为无损检测的重要环节的缺陷检测信号的处理分析向我们提出了更高的要求。实现检测信号的智能化处理是对检测信号进行分析的重要目的。本文简要论述了磁检测过程的基本原理、检测过程的基本步骤、Kalman 滤波的基本理论及其推导、Matlab 软件等在本课题中的具体应用、基于 Matlab 的 Kalman 滤波在磁检测信号分析中的具体应用。对于相同的缺陷信号，采用不同的滤波方式会产生不同的滤波效果，各性能也会

2、不同，本文分别采用 Kalman 滤波、RLS 滤波和 LMS 滤波对同一缺陷信号进行滤波，并且将其所产生的滤波效果进行对比，同时对于滤波程序分别做出分析，简要总结了个滤波程序的优缺点和包括信噪比和程序运行时间在内的性能参数比较。关键字：磁检测，Kalman 滤波，RLS 滤波，LMS 滤波，信号分析The usage of Kalman filter in the signalof magnetic testingAbstract：With the rapid development of our nationals economic,thetechnologyofnondestructiv

3、etestingisalsostandingataperiodoffastdevelopment.when it comes to the safety of some large projectS,the things involvedthe safety of people and the project and also in many industrial departments,in theDepartments of Defense NDT is playing an indispensable role,owing to its smallinvestment and large

4、 feedback.in recent year,as the popularity of computer,theprocess of signal as an important circle of NDT is setting us a more serious request.One of the most important purposes is to complete the intellectual of signalprocess.the article briefly introduced the basic theory of the magnetic process,t

5、hebasic steps of the process,the basic theory and the derivation of equation,the practicalusage of Matlaband the usage ofKalman filter in Matlab in the process of signalanalysis and the development at home and abroad,At the same time,we apply different analysis methods to the same signalprocess.when

6、 you adopt different ways will make a difference in filtering effect andperformance.This paper uses the Kalman filter,RLS filter and LMS filter for filteringthe same defect signals,the filtering effect is compared,and the filter program tomake analysis respectively,summarizes the advantages and disa

7、dvantages of afiltering program and including SNR and program running time,the performanceparameters of the comparison.Keywords:Keywords:magnetic testing,Kalman filter,RLS filter,LMS filter,signal analysis目录1.引言1.1 选题的背景及意义.11.2 国内外研究概况及发展趋势.21.3 研究内容及实验方案：.42.磁检测2.1 磁检测的发展简史.52.2 磁检测的基本原理.52.3 磁检测技

8、术的现状及发展.63.Kalman 滤波的基本理论3.1 Kalman 滤波理论.73.2 Kalman 滤波理论的发展及应用.73.3 Kalman 滤波模型的建立.83.4 自适应 Kalman 滤波.104.仿真分析4.1 原始信号分析.124.2 Kalman 滤波仿真分析.134.3 其他滤波方法效果对比.165.结论参考文献.21致谢.221Kalman 滤波在磁检测信号分析中的应用滤波在磁检测信号分析中的应用1.引言1.引言1.1 选题的背景及意义1.1 选题的背景及意义1.1.1 磁检测技术的背景及意义磁检测技术的背景及意义石油、天然气是能源存在的主要形式之一，他们的远距离运输

9、大部分是通过长输管道实现的1。管道运输作为石油、化工行业中输送原料与介质的重要途径，在长期使用的过程中，由于受到腐蚀，会出现局部的麻坑，甚至发生泄漏事故、造成环境污染，因此管道缺陷的无损检测技术对保证工业生产的安全有着十分重要的意义。目前在管道缺陷检测领域，最主要的检测对象是管道焊缝检测，检测手段主要包括，主要检测表面缺陷的漏磁检测和涡流检测，以及检测内部缺陷的超声检测。而在目前的检测手段中，磁检测是最有效和最可靠的检测手段。漏磁无损检测方法是建立在如钢管、钢棒等铁磁性材料的高磁导率这一特性上的。它通过拾取被磁化的钢管其缺陷处引起泄漏到外部的磁通信号,再经信号处理装置得到与缺陷的形状有关的电信

10、号的一种方法2。通过测量或观测所获得信号通常包含两个部分其一是与所检测的对象存在直接或间接关系的有用部分,称为信息;另外一部分就是所谓的干扰部分即噪声。信号过滤主要用于信号除躁、频带划分、频谱成形等3。在信号处理中，对于信号尽心处理的目的就是提取有用信号，消除或减弱无关干扰。随着信息技术和计算机技术的发展，以软件为主的基于现代控制理论和信号处理技术的方法逐渐发展起来4。1.1.2 Kalman 滤波技术的背景及意义1.1.2 Kalman 滤波技术的背景及意义1960 年，Kalman 率先提出了一种克服了 Wiener 滤波的缺点的方法，后来被称之为 Kalman 滤波。从 1960 年到现

11、在，Kalman 滤波的内容和应用范围都在不断的发展和丰富。今天，Kalman 滤波在工程上的应用越来越广泛，其功能也俞渐强大。Kalman 滤波是一种数值估计优化的方法，关于最优估计，最早出现的是最小二乘法，但是由于最小二乘法本身的局限性，故而不是最优的估计方法。在最小二乘法出现的基础上，经过几代人的不断努力，终于在1940年美国学者 Wiener提出了一种在频域中设计统计最优滤波的 Wiener 滤波。这种设计最优滤波器的方法是Wiener根据当时的火力系统的需要提出的。但Wiener滤波本身的局限性，故而其适用范围极其有限。与此同时，以上两种滤波方法的局限性，使得人们开2始寻求在时域内直

12、接设计最优滤波器的方法。在 Kalman 最先提出的离散系统的Kalman 滤波之后，次年他与 Bucy 合作推广了 Kalman 滤波的应用范围，将其应用直接推广至了连续的时间系统中。从而形成了较为完整的 Kalman 滤波理论体系。在 Kalman 滤波理论中采用了状态空间的描述方法，减少了数据的存储量，使得 Kalman 滤波不仅能够处理平稳的随机过程，而且对于非平稳的过程一额可以进行处理。Kalman 滤波是一套由计算机实现的针对随机信号的的递推算法。他利用的是系统噪声和观测噪声的统计特性，将系统的观测量作为是滤波器的输入，将滤波值作为滤波器的输出。在该滤波器中，系统的输入与输出之间的

13、数据更新，通常是通过时间更新和算法更新来实现的。作为一种动态数据处理方法，Kalman滤波能在即使并不知道模型的确切性质的条件下，估计信号的过去和当前状态。甚至能估计将来的状态5。他的基本思想是，最小方差估计准则。1.1.3 Matlab 软件的背景及意义1.1.3 Matlab 软件的背景及意义Matlab 是一款 MathWorks 公司针对不同的领域的应用推出的数学软件，针对不同的领域的工程应用，相应的也推出了信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、小波分析、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统辨识、优化设计、统计分析、财政金融、样条及通信等 30 多个具有专门功能的工具箱6。Matlab

14、 软件用于数字信号的处理具有灵活程度高、精度和稳定性较好、便于开发和升级、功能强大等优点，在解决相同问题的时候，Matlab 的性能要远远超过用其他的变成语言所编制的计算机程序7。从最早的 1984 年推出的 Matlab 1.0 至今，依然过去了将近 31 个年头，在这 31 年之间，MathWorks 公司经过几代人的不断努力相继推出了 Matlab 2、Matlab 3、Matlab 3.5Matlab 7 系列等将近 37 个的升级版本。1.2国内外研究概况及发展趋势1.2国内外研究概况及发展趋势1.2.1 磁检测技术的现状及发展1.2.1 磁检测技术的现状及发展国外对漏磁探伤的理论研

15、究比较早：1933年 zuschlug 初次提出用磁粉显示磁化刚体上由缺陷产生的漏磁场这种测定方法。1965 年,日本株式会社和住友金属株式会社设计出一记录式磁探伤机械装置。31966 年,Sheherb 一 inin 和 Zatsepin 提出了磁偶极子法。20 世纪 70 年代，前苏联发布了定量分析缺陷漏磁场的方法1975 年,Hwang 和 Lord 分析了矩形槽深度、宽度、角度对漏磁场的影响。1986年,Edwards 和 Palae:在漏磁场的计算方面,把解析法向前推进了一步,对无限长表面开口裂纹进行了分析,得出了二维表达式。在国外，对于检测设备的开发十分注重，因为只有在检测设备的发

16、展的基础上，才会有磁检测在各个领域的成功应用，目前在国外，磁检测设备的研制已经有了长足的发展，许多的检测设备已经从固定式到移动式，从半自动到实现全自动检测，从单向磁化发展到了多向磁化，部分的设备还实现了系列化和商品化。同时，由于晶闸管的发展，许多的使得许多设备的小型化成为可能，由于计算机的编程的应用，使得检测设备的智能化逐渐成为发展趋势。在我国，工程应用中还是主要依靠进口国外的仪器设备和技术，在漏磁场的研究方面目前还处于探索阶段。从这个方面来说，我们与国外的技术之间还是存在一定的距离。而在进行管道磁检测的过程中目前存在一定的技术难点，比如说：由于管道缺陷识别是一个逆问题,输出和输入之间存在非唯一性,而且漏磁信号与缺陷尺寸之间是非常复杂的非线性关系,所以缺陷识别技术是当前管道无损检测中的一大技术难点和研究重点。利用神经网络法识别缺陷工作量庞大、容易出现局部极值、过拟合现象等。1.2.2 国内外 Kalman 滤波的研究概况和发展1.2.2 国内外 Kalman 滤波的研究概况和发展二十世纪 50 年代，维纳提出了 Wiener 滤波。10 年后，Kalman 发表了 a new appr