磁声电无损检测及改进的EMD消噪方法
中国科学院电工研究所、中国科学院大学的研究人员吕敬祥、刘国强，在2018年第17期《电工技术学报》上撰文，提出一种磁声电无损检测方法，该方法具备超声检测的高空间分辨率，同时又能克服涡流检测的趋肤效应，为检测高电导率材料提供新的检测手段。
首先根据生物组织中磁声电成像的研究成果，推导了固体材料中声场正问题和电磁场正问题，证明了该方法的可行性；其次，针对检测信号的噪声问题，深入分析了磁声电无损检测信号中噪声的组成和特性，提出一种混合阈值经验模态分解（EMD）消噪算法，该方法结合了EMD-DT和EMD-IT各自的优势；最后，设计了实验系统，并测得磁声电缺陷信号，进一步验证了该方法的可行性。
仿真和实测信号的结果表明，改进的EMD消噪方法能获得较好的去噪效果，有效地提高了信号信噪比。
对材料进行无损检测在其生命周期中扮演着重要的角色。我国的无损检测事业也正出现蓬勃发展的良好态势，其已融入国家总体经济发展目标[1,2]。目前，针对材料缺陷的常规无损检测方法主要有超声检测、射线检测、涡流检测和磁粉检测等[3-7]。
超声检查具有穿透能力强、灵敏度高等优点，但其检测速度相对较慢，效率不高；射线检测技术是利用x-ray来检测材料内部缺陷，这种技术由于存在射线暴露因而易引起安全问题；涡流检测技术利用电磁感应来检测导体表面或近表面缺陷，主要缺点是检测深度受限且只能用于导体材料；磁粉检测利用磁场和小的磁粉来检测表面及近表面缺陷，这种技术检测速度较快且相对容易应用，但仅适用于铁磁材料。
由此可知，每一种无损检测方法都有其适用的检测对象与检测能力范围及相应的局限性，如有的检测技术的检测灵敏度低，有的对环境有污染，有的对检测人员有毒副作用，探索新的检测方法一直是无损检测技术的研究热点。为此，本文提出一种基于磁声电效应的无损检测方法，在此称为磁声电无损检测。该方法通过声场和电磁场的相互作用，能有效提高检测的空间分辨率且克服了涡流检测仅能检测表面缺陷的缺点。
磁声成像和磁声电成像是2005年由明尼苏达大学提出并应用于生物医学领域的两种对偶模式的成像方法[8-10]。
实际上，在生物组织（低电导率材料）中，这两种成像方法都包含磁声效应和磁声电效应，但是可以证明，对于磁声成像，其中的磁声电效应可以忽略；对于磁声电成像，其中的磁声效应可以忽略[11]。而对于金属材料（高电导率材料），在两种成像方法中，磁声效应和磁声电效应都不可忽略。显然，对于高电导率检测而言，磁声成像的物理过程与电磁超声无损检测的物理过程非常相近，那么，能否将生物医学磁声电成像发展成为用于高电导率材料的无损检测技术呢？
本文课题组于2006年开始了医学磁声电成像研究[12]，前期研究发现，借鉴这种医学成像方法经过技术改进，可以用于材料的无损检测。与生物医学磁声电成像理论的最大不同是生物医学中生物组织可看成流体低电导率材料，而无损检测中的检测材料通常是高电导率固体材料，因此必须重新研究磁声电无损检测中声场正问题和电磁场正问题理论。
在实际应用中，检测到的磁声电缺陷信号也不可避免地存在噪声，影响检测效果。为了提高磁声电无损检测方法的检测精度和可靠性，研究信号的去噪技术尤为重要。磁声电信号是一种非平稳非线性信号，针对非平稳信号的降噪方法主要有自适应滤波、小波阈值滤波、分离谱法、随机共振法和小波去噪法等[13-16]。
当前研究最多且应用最广泛的方法是小波阈值去噪方法[17]，但小波方法的主要缺陷是基函数固定，这样难以匹配所有的真实信号，使得小波变换对信号的局部并没有自适应性，而且最佳小波分解层数不易选取，所以不能保证最优的分解效果。经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）由于具有内在的自适应性被引入作为非线性、非平稳信号去噪。其最大优点是能根据信号自身特点，自适应地抽取信号内在的固有模态函数，克服了小波变换中选取合适小波基的困难。
EMD信号消噪阈值的选取准则主要分为直接阈值法（EMD-DT）和间隔阈值法（EMD-IT）两类[18]。EMD-IT将IMF分量相邻两个过0点间的曲线看做一个整体进行去噪，有效地保留了信号特征。许多学者对基于EMD-IT的阈值去噪进行了研究。
为了进一步改善EMD-IT去噪算法的性能，Kopsinis 等提出了基于区间极值点的迭代阈值（EMD-IIT）和清除重复间隔阈值（EMD-CIIT）去噪方法。EMD-IIT通过随机选择1阶IMF序列与其余IMF累加，构造具有相同信噪比的信号，然后对结果进行平均，得到最终结果。而EMD-CIIT则进一步去掉了1阶IMF序列中的信息[19]。
以上方法的本质问题仍是处理阈值边界，例如，区间极值稍微偏差就有可能将整个区间的曲线去掉，因此本文在充分利用EMD-DT和EMD-IT优势的基础上，提出一种新的混合EMD-CIIT去噪方法。
图1 磁声电缺陷检测原理
图5 磁声电无损检测实验装置
随着现代工业的高速发展和重要设备监测要求的不断提高，无损检测技术面临更多的挑战，现有的检测技术无法满足实际的检测要求，探索新的检测方法具有重要的意义。本文提出了一种基于磁声电效应的无损检测方法，该方法结合了超声和电磁检测技术各自的优势。理论研究和实验验证同时证明了该方法的可行性。
针对间隔阈值去噪算法对阈值过分敏感的问题，本文提出了一种混合阈值EMD-CITT去噪方法。该方法通过引入中位数，实现了阈值与区间极值和中位数分别比较，从而能够采用点结构阈值或间隔建构阈值的混合EMD-CIIT去噪方法。
该方法的成功运用既可以克服不连续问题，又能降低纯间隔阈值去噪对阈值的敏感性。仿真和实验结果表明，与现有的EMD去噪方法相比，利用文中方法能够有效提高信号的信噪比。