焊接结构作为压力容器、船舶、海工平台等大型结构必不可缺的连接部位,被广泛应用于工业生产与建造中,焊接结构的健康状态会对工业的安全生产以及人民的正常生活产生直接的影响。焊接结构的工作环境一般都十分恶劣,需要承受高温、高压或者高寒等巨大的环境压力,长期处于恶劣的工作环境中,会不可避免产生焊缝缺陷,因此对焊接结构进行健康检测提取其中的缺陷信息对社会具有重要的现实意义。针对焊接结构的特点,研究表明特征导波能够更加快速高效的对焊接结构进行检测。焊缝特征导波在检测焊缝时,回波信号中包含了焊缝的所有信息,但由于导波的频散和噪声的干扰,回波信号往往都比较复杂,如何从中提取出缺陷特征信息是本文的研究重点。本文以焊缝中缺陷回波的特征提取以及缺陷的分类为目标,研究了一种新的特征导波回波信号处理方法——基于稀疏表示的回波信号的重构方法,并提出结合PCA与SVM的焊缝不同缺陷的分类方法,实现了典型焊缝缺陷的有效分类。本文的主要研究内容以及结论如下:(1)依据焊缝特征导波的基本原理,分析焊缝特征导波回波信号的基本特点,研究了基于稀疏表示的回波信号处理方法。焊缝特征导波回波信号本身所具有的“瞬态性”与“稀疏性”,为回波信号中各成分的稀疏表示策略提供了理论基础。针对提出的焊缝特征导波回波信号稀疏表示模型,总结其需要解决的关键问题:构造适应原信号特征的过完备原子字典以及求解最优稀疏表示向量。(2)结合焊缝特征导波激励信号以及回波信号的特点,构造了适应特征导波信号特点的过完备Morlet小波基原子字典。首先根据由HANNING窗调制所得激励信号波形的振荡形式与Morlet小波特性十分相似且激励信号与回波信号都具有与Morlet小波一致的双边衰减特征,将Morlet小波选定为基原子。引入相关滤波方法获取与原始信号匹配相似度最大的Morlet小波基原子,并利用时间参数的平移扩展构造出过完备Morlet小波原子字典,保证了过完备原子字典与回波信号的匹配度。(3)利用分裂増广拉格朗日收缩算法求解稀疏表示向量的目标函数,实现了回波信号中各成分的稀疏表示和缺陷信号的特征识别与定位。以相关系数和收敛速度为依据,分析了迭代算法相关参数对回波信号稀疏表示结果的影响并确定了参数的选取准则;论证了稀疏表示向量的存在性与解的唯一性。通过绘制随机噪声情况下,回波信号稀疏表示所得信号特征值的箱线图,验证了本文方法的可靠性。对仿真信号和实际采集的焊缝特征导波检测信号进行应用研究,实现了实际焊缝缺陷的准确识别和定位,验证了本文方法在焊缝回波信号缺陷识别中的有效性与适用性。(4)研究将PCA与SVM相结合的焊缝缺陷分类方法,实现了典型焊缝缺陷的有效分类。在研究PCA与SVM原理的基础上,首先对缺陷的稀疏重构信号进行特征提取,并结合缺陷信号稀疏表示向量中的稀疏分量组成缺陷特征矩阵;利用PCA方法对多维特征数据进行融合优化,获得最能表示缺陷信号特征的低维特征矩阵,降低了计算复杂度;通过对比分析确定SVM分类效果最佳时的核函数和最优超参数,并将降维后的数据应用于SVM,训练焊缝缺陷分类模型,实现了孔洞、裂纹以及无缺陷三种焊缝状态的有效分类。本论文根据建立的焊缝特征导波稀疏表示模型,对回波信号进行稀疏重构,有效地提取出焊缝特征导波中的缺陷信息,实现了缺陷的识别与定位。以缺陷的重构信号为基础提取特征,通过结合PCA和SVM,完成了焊缝缺陷的精确分类。