中国矿业大学研究生，中国矿业大学研究生院

引用论文

孙凤山, 范孟豹, 曹丙花, 叶波, 刘林. 基于几何纹理与Anscombe变换的蜂窝材料太赫兹图像降噪模型[J]. 机械工程学报, 2021, 57(22): 96-105.

SUN Fengshan, FAN Mengbao, CAO Binghua, YE Bo, LIU Lin. Denoising Model of Terahertz Imaging of Honeycomb Material Based on Geometric Texture and Anscombe Transformation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(22): 96-105.

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研究背景及目的

芳纶纤维材料具有高比强度、高比模量、低密度、耐冲击、耐疲劳、耐剪切和磨蚀等特征性能，被广泛应用航天航空领域。但芳纶纤维材料存在浸润性不佳与蜂窝界面结合能力弱等缺点，导致服役过程中容易出现脱粘现象，因此对芳纶纤维蜂窝复合材料进行定期太赫兹无损检测是非常必要的。

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试验方法

常规芳纶纤维蜂窝复合材料尺寸大，检测时间较长，引起激光器稳定性变化，使太赫兹图像中存在泊松高斯混合噪声，降低了脱粘缺陷轮廓检测精度，为此需要设计降噪方法消除混合噪声。然而，太赫兹蜂窝图像含有丰富纹理信息，引起噪声与纹理在高频混叠，难以准确估计噪声方差，导致常规去噪方法失效。

鉴于此，首先以待测样件纹理几何形状为先验信息，构造了Benzene-ring算子去除THz图像蜂窝纹理，使其小波域对角线方向高频分量仅含有噪声；然后提出了改进Logistic混沌映射构建多样性样本集，训练Elman神经网络，获取高频分量与高斯噪声方差间映射关系；最后，基于方差估计值，对含有泊松高斯混合噪声芳纶纤维蜂窝太赫兹图像进行Anscombe变换与小波阈值降噪。为验证所提方法有效性，制备了芳纶纤维蜂窝缺陷样件，长度450 mm，宽度400 mm，厚度15 mm，采用Terametrix公司Tray5000太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）对缺陷直径为15 mm与20 mm区域进行了THz成像实验，如图1所示。

图1 太赫兹时域光谱系统与样品成像

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结果

采用高斯降噪、小波阈值、非局部均值法与所提出降噪模型进行对比，如图2所示。

图2 太赫兹涂层降噪结果对比

由图2可知，高斯滤波、小波阈值以及非局部均值方法主要用于高斯噪声降噪。因此，面对泊松高斯混合噪声，降噪效果较差，使分割结果中缺陷与噪声间仍存在连通区域，降低了缺陷轮廓定检测精度。所提出降噪模型相比于其他3种算法效果更佳，分割结果显示缺陷轮廓与真实样件中缺陷轮廓形状更接近。

基于平均梯度以及缺陷面积绝对误差对噪效果进行客观评价，如表1所示。

所提出方法首先以蜂窝几何形状为先验信息，构造了Benzene-ring算子消除THz图像纹理，解决了噪声与纹理在高频混叠问题，据此将对角线方向高频分量输入至训练完成Elman神经网络，估计出高斯噪声方差；然后依据所得对含有泊松高斯混合噪声THz图像进行Anscombe变换得到标准差为1高斯噪声THz图像，据此可准确设置小波阈值，消除高斯噪声且较好保留图像细节信息，从而提高了平均梯度指标；最后将处于Anscombe域THz降噪图像逆变换为空域THz降噪图像。由于将泊松高斯混合噪声有效去除，使最终检测出的缺陷面积与轮廓更接近真实样件。

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结论

结合太赫兹成像原理，分析了产生泊松高斯混合噪声主要原因，构造了用于消除THz图像纹理的Benzene-ring算子，有利于准确估计高斯噪声方差，提升缺陷轮廓检测精度。

(1) 提出了Benzene-ring算子，依据仿真与实验方式验证了该算子能够有效消除图像纹理，解决了噪声与纹理在小波域高频分量混叠问题。

(2) 改进了标准Logistic混沌映射，构建了多样性样本，基于Elman神经网络建立了高频分量与高斯噪声方差间映射关系，据此基于Anscombe变换与小波阈值法获取了THz降噪图像。

(3) 采用平均梯度与缺陷面积绝对误差对降噪效果进行定量评价，所提出方法能够有效消除THz图像内泊松高斯混合噪声并保持边缘清晰度，显著提高了缺陷轮廓检测精度。

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前景与应用

当前所提出Benzene-ring算子能够有效消除图像纹理，提升了噪声方差估计精度与降噪效果。同时，面对复杂纹理样品检测问题时，Benzene-ring算子通过与图像所得卷积结果能够较好区分出缺陷与纹理区域，可实现缺陷面积准确分割，如图3所示。

图3 含有不同缺陷图像纹理消除

由图3可知，纹理与缺陷像素值相差不大，存在强混叠现象，导致常规阈值分割方法，难以区分与缺陷间差异，不利于对缺陷面积进行定量化评价。

综上所示，所提出Benzene-ring算子可用于芳纶纤维与碳纤维蜂窝复合材料成像结果的降噪与分割，可为材料损伤定量化评价提供一种新方法。

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试验方法

（1）试验过程

基于Terametrix公司Tray5000太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）对芳纶纤维蜂窝样品进行检测，具体过程如下：

启动THz-TDS系统，将待测样品水平放置于扫描台，驱动六轴机械臂与样品表面保持垂直。

观察太赫兹信号质量，调节探头与样品表面距离调整至最佳。

设置机械臂扫查步进与范围，对样品进行全面检测。

检测完毕后，在上位机中将获取太赫兹信号进行后处理与分析。

（2）注意事项

由于水分子对太赫兹波具有吸收性，应尽量避免在高湿度环境进行样品无损检测。

检测前应尽量保证太赫兹探头与被测样品表面垂直，避免太赫兹波入射角度偏差对测量结果造成影响

主创作者人介绍

范孟豹，中国矿业大学机电工程学院教授，博士生导师，机器人工程系主任，入选江苏省六大人才高峰资助计划与中国矿业大学“高图计划”，2009年6月毕业于浙江大学控制科与工程专业，获工学博士学位，2009年8月至2013年12月从事博士后研究，2015年1月至2016年1月在英国Newcastle University大学做访问学者。主持国家自然科学基金面上和青年项目、“863”计划子课题、江苏省自然科学基金面上项目。发表SCI/EI论文50余篇，担任《机械工程学报》、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《IEEE Transactions on Industrial Informatics》、《Mechanical Systems and Signal Processing》、《NDT&E International》等国内外近20个期刊审稿人。

编辑：高图 校对：李娜

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