基于改进粒子滤波的焊缝磁光成像增强_刘许亮.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:河南省高等学校重点科研计划项目(14B510026)收稿日期:20211107修改日期:20220103Weld Magneto Optical Imaging Enhancement Based onImproved Particle Filter*LIU Xuliang*(School of Electrical Engineering，Yellow iver Conservancy Technical Institute，Kaifeng He nan 475000，China)Abstract:In order to improve the effect of weld magneto optical imaging，the improved particle filter method is proposed Firstly，Fara-day magneto optical effect is established，magneto optical sensor is used to detect the magneto induction intensity of the vertical compo-nent of the magneto field in the form of magneto optical imaging，and the brightness change of weld image is analyzed Secondly，Un-scented Kalman filter algorithm is used to update the particles，the particles with small weight are discarded，and the total number of theparticles is supplemented through adjusting the replication rate to avoid particle depletion Comparison threshold is set to perform parti-cle importance sampling Finally，the incomplete Beta function is used to enhance the weld area，which is built by the maximum，middleand minimum values of the gray level，so that the enhancement effect is improved effectively The experimental results show that thecloser to the weld center and edge，the smaller the magnetic induction，and the peak value of magnetic induction appears between peakvalue of magnetic induction appears between the weld center and edge，08 mm from the weld center The effect of magneto optical ima-ging becomes clearer with the increasing of magnetic field intensity，and the range of gray value of magneto optical imaging increasesThe larger the magneto voltage，the more appearent the change of the gray value of the transition region which is close to the weld posi-tion The contour of the transition zone of the enhanced weld image gotten through the proposed method is clear at the pole N and S al-ternating magnetic fieldKey words:particle filter;weld line;magneto optical imaging;enhancementEEACC:5140;6135doi:103969/jissn10059490202301017基于改进粒子滤波的焊缝磁光成像增强*刘许亮*(黄河水利职业技术学院电气工程学院，河南 开封 475000)摘要:为了提高焊缝磁光成像效果，采用改进粒子滤波算法。首先建立法拉第磁光效应，磁光传感器把垂直分量的磁场磁感应强度以磁光图像的形式检测出来，分析焊缝成像的亮度变化。接着用无迹卡尔曼滤波算法更新粒子，权值小的粒子被抛弃，再通过调节复制率补充总数，避免粒子枯竭发生，设定比较阈值进行粒子重要性采样。最后采用非完全 Beta 函数只对磁光图像灰度级的最大值、中间值、最小值构造的焊缝区域进行增强，有效提高增强效果。实验显示越接近焊缝中心磁感应强度越小，越接近焊缝边缘磁感应强度也越小，在焊缝中心到焊缝边缘出现磁感应强度峰值，其出现位置在距离焊缝中心08 mm 处;磁光成像效果随着磁场强度增加而变得清晰，其磁光成像灰度值范围增加;磁铁电压越大，距离焊缝位置越近的过渡区域灰度值变化越明显;所提方法在磁场 N 极、磁场 S 极交变处增强的焊缝图像过渡带轮廓清晰。关键词:粒子滤波;焊缝;磁光成像;增强中图分类号:TG4567文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01009607激光焊接具有热影响区小、大深宽比等优点，能把焊缝两侧金属直接熔化，但是焊接过程受各种干扰及工件自身影响，会出现焊接缺陷，因此焊缝越清晰缺陷越易识别1。无损检测方法主要有:超声波，利用超声反射波的变化来识别工件缺陷2，但声束的覆盖范围较大，工件横向分辨率极易被弱化;射线法，通过射线透射工件3，根据强弱不同的射线检测缺陷，但是射线对人体具有辐射性，影响工人的健康;涡流法，把通有交流电的线圈置于待测工件表面4，利用漩涡状的感应电流识别工件内部缺陷，但是涡流本身有趋肤效应，只能在形状规则的工件表面检测;渗透法，是利用渗透液对工件表面缺陷识别5，要求工件表面必须光滑，同时易受人为操作等影响，如涂抹第 1 期刘许亮:基于改进粒子滤波的焊缝磁光成像增强形状、空气湿度的影响、渗透时间;磁粉法，是在磁化的工件表面涂抹磁粉6，通过光照，人眼识别裂痕，但是整个过程受人为因素影响较大，磁粉薄厚程度也影响裂痕识别;红外成像检测，通过热源对焊接件产生热辐射7，根据工件表面温差辐射判别缺陷，但是红外成像操作过程中受噪声影响较大;磁光成像检测，是励磁线圈使焊件磁化，出现焊接缺陷时法拉第磁旋光分布发生畸变，从而获得缺陷图像，但是易受噪声干扰8。目前对磁光图像增强方法有:粒子滤波(Particle Filte，PF)，该方法易于实现9，操作简单，但是粒子后期易产生枯竭现象，噪声无法完全消除;似然粒子滤波(Likelihood Particle Filter，LPF)，该方法能够在强噪声条件下对图像进行消噪10;卡尔曼滤波(Kalman Filter，KF)，该方法可适用于平稳与非平稳的图像噪声过程11，但是只能处理高斯分布噪声;均值滤波(Mean Filtering，MF)，该方法计算比较简单，但是不能保护磁光成像边缘细节信息12;维纳滤波(Wiener Filtering，WF)，该方法计算量较低13，并且抗噪性能优良，但是不能用于非平稳的随机过程噪声。本文研究磁光成像与磁场强度的关系，改变霍尔探头离焊缝的距离以及电磁铁所通交流电大小，改进粒子滤波算法(Improved Particle Filter，IPF)对获得的磁光图像进行消噪、增强，从而提高磁光成像质量，实验验证了本文算法的有效性。1磁光成像11法拉第磁光效应磁场作用使某些介质具有旋光性的效应1417，它是光与具有磁矩的物质相互作用而产生的现象。线偏振光在磁光介质中传播时，若在平行于光的传播方向加强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度 与磁感应强度 B、光穿越介质的有效长度 L 乘积成正比:=VBL(1)式中:V 为磁旋光介质材料的费尔德常数。偏振光通过与其平行的磁场，磁光传感器采集反射镜反射的光强，因此磁场的变化转化为光强变化。偏振光振幅在无磁场条件下检偏器偏振方向的投影对应光强 I0为:I0=E2cos2()(2)式中:E 为入射线偏振光振幅，为检偏器与磁光传感器方向夹角。磁光传感器把垂直分量的磁场磁感应强度以磁光图像的形式检测出来，从而获得成像。焊件在磁场被磁感应线穿过后，焊缝两端形成 N 极和 S 极，磁场 N 极使偏振光沿偏振面顺时针旋转 角，磁场S 极磁场的反向旋转 角，对应的偏振光经检偏器所对应光强分别为:IN=E2cos2()IS=E2cos2(+)(3)式中:IN、IS为焊缝两端 N 极和 S 极所对应的光强。根据磁光转换定理，I0、IN、IS存在关系为:ISI0IN，在磁光传感器获得的 I0、IN、IS分别对应焊缝成像区域、较亮区域、较暗区域，由于 N 极、S 极之间存在互不交叉的封闭、可变磁场强度，因此区域中的焊缝成像的亮度由暗到明变化。12磁光成像增强121磁光成像消噪当磁光传感器获得图像后1819，需要准确跟踪焊缝中心位置，由于存在各种噪声干扰影响，必须对其进行滤波消噪，通过改进粒子滤波器进行滤波，其过程如下。初始化粒子及样本点计算。首先从先验分布中随机产生 N 个粒子，其样本为 xi0，i=0，1，2，N:珋xi0=E(xi0)Pi0=E(xi0珋xi0)(xi0珋xi0)T(4)重要性采样。在 k 时刻(k=1，2，)，对 i=0，1，2，N 执行步骤如下:A 通过无迹卡尔曼滤波算法更新粒子:x(i)(0)k1=珋x(i)k1x(i)(j)k1=珋x(i)k1+(n+)P(i)(j)k槡1，j=1，2，nx(i)(j)k1=珋x(i)k1(n+)P(i)(jn)k槡1，j=n+1，n+2，2n (5)式中:n 为状态向量维数;为尺度参数。B 时间更新:x(i)(j)kk1=f(x(i)(j)k1，uk1)珋x(i)(j)kk1=2nj=0Wmjx(i)(j)kk1P(i)kk1=2nj=0Wcjx(i)(j)kk1珋x(i)kk1()x(i)(j)kk1珋x(i)kk1()TZ(i)(j)kk1=h x(i)(j)kk1()Z(i)kk1=2nj=0WmjZ(i)(j)kk1(6)式中:Wm0=n+，Wc0=n+(3 2)，Wmj=Wcj=2(n+)，=2(n+)，1041。79电子器件第 46 卷C 量测更新:P(i)(ZZ)kk1=2nj=0WcjZ(i)(j)kk1珔Z(i)kk1()Z(i)(j)kk1珔Z(i)kk1()TP(i)(XZ)kk1=2nj=0Wcjx(i)(j)kk1珋x(i)kk1()Z(i)(j)kk1珔Z(i)kk1()TK(i)k=P(i)(XZ)kk1P(i)(XZ)kk1()1珋x(i)k=x(i)kk1+K(i)kZ(i)k珔Z(i)kk1()P(i)k=P(i)kk1 K(i)kP(i)(ZZ)kk1(K(i)k)T(7)D 粒子更新:采样粒子:x(i)kq珋x(i)k珋x(i)0:k1，z1:k()=N(珋x(i)k，P(i)k)(8)若粒子权值 w(i)kmax w(i)k2