程曉輝+劉自然+陳仁權(quán)

摘 要：針對大型微波干燥設(shè)備火情監(jiān)控的需要以及火情照度信號的非平穩(wěn)隨機性的特點，提出了一種應(yīng)用EMD（經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）方法將照度信號分解出IMF（本征模式分量）并作自功率譜分析，以此得到信號能量沿頻率軸線的動態(tài)分布，從而實現(xiàn)微波腔體內(nèi)的火情監(jiān)控。經(jīng)過試驗，僅需通過EMD方法分解得到少數(shù)IMF分量即可通過自功率譜中信號能量分布實現(xiàn)火花事件判定，充分驗證了上述方法在火情監(jiān)控中的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：EMD；IMF分量；自功率譜；火情監(jiān)控

中圖分類號：TP227 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0026-02

引言

微波干燥技術(shù)以其容易控制、干燥迅速均勻、節(jié)能高效等特點，得到廣泛而迅速的應(yīng)用和發(fā)展。在實際干燥工作過程中被干燥物料某些成分在微波腔體內(nèi)由于極強的極化作用產(chǎn)生的火星爆閃、迸發(fā)火花等現(xiàn)象為安全生產(chǎn)帶來極大的火災(zāi)隱患。因此，在微波干燥設(shè)備火情監(jiān)控中準(zhǔn)確檢測提取火花信息直接關(guān)系到火情監(jiān)控的準(zhǔn)確性和及時發(fā)出預(yù)警信息的可靠性。

微波干燥設(shè)備的微波腔體處于亮度較低的動態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)產(chǎn)生火星爆閃或是火花時產(chǎn)生的照度變化在照度信號波形中呈現(xiàn)非平穩(wěn)隨機性，提取相應(yīng)的火花信息成為火情預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文提出IMF分量的自功率譜分析方法應(yīng)用在火情監(jiān)控中，此種方法結(jié)合EMD分解和自功率譜分析的優(yōu)點，利用EMD分解得到的IMF分量經(jīng)過自功率譜分析，有效的提取火花事件的特征信息。

1 基于IMF分量的自功率譜分析

1.1 IMF分量求取

EMD方法分解基于信號局部特征尺度將信號分解成本征模態(tài)函數(shù)，其計算需滿足兩個條件，即在數(shù)據(jù)段內(nèi)極值點數(shù)量與過零點相等以及在任以時間點上局部極大值所確定的上包絡(luò)線與局部極小值確定的下包絡(luò)線均值為零。將信號分解成IMF，首先找出原始信號x（t）極值點并擬合出該信號上、下包絡(luò)線，計算出上、下包絡(luò)線均值m1（t），由此計算出新數(shù)據(jù)序列h1（t）為：

（1）

在理想狀態(tài)若h1（t）為IMF則其為原始信號第一個IMF分量，之后檢測h1（t）是否滿足本征模態(tài)函數(shù)的基本條件。若不滿足則將其視為次級原始信號重復(fù)上述計算n次直到滿足為止，在每次的運算過程中得到本征模式函數(shù)ci（t）；若滿足基本條件則停止進行運算，在此將同級原始信號函數(shù)減去IMF分量得到該級IMF分量的殘余量rn（t）。按照上述方法可以將一個數(shù)據(jù)分解成n個本征模式函數(shù)與殘余量rn（t）之和：

從上述運算可知：IMF分量包含有原始信號不同頻率成分，殘余分量則表示了原始信號的一種新趨勢。

1.2 IMF分量的自功率譜分析

由于自相關(guān)函數(shù)Rx（τ）反映了在不同時刻同一隨機樣本間的波形相似程度，而當(dāng)τ為0時，自相關(guān)函數(shù)Rx（τ）的傅里葉變換自功率譜密度函數(shù)Sx（f）譜線與頻率軸f所包圍的面積反映了信號的平均功率，同時表明了信號功率密度的分布。因此自功率譜可以突出火花產(chǎn)生時信號能量變化。

由于微波腔體內(nèi)部火花照度信號產(chǎn)生是非平穩(wěn)隨機過程，在整時程信號中設(shè)定一定時長時間窗，將每個時間窗內(nèi)照度信號作為一平穩(wěn)過程的樣本進行EMD分解并對得到的IMF分量計算自功率譜。

2 IMF分量的自功率譜分析在火情監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

針對BDMW-S-F-80型單層連續(xù)式微波干燥機火情監(jiān)控系統(tǒng)中火花檢測的要求，采用CJMCU-101模擬光強度傳感器和最大采樣率100kHz的獨立A/D轉(zhuǎn)換器ADS8344進行采集照度信號。采用DSP芯片TMS320C2812對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。微波腔體內(nèi)實測火花仿真照度信號的時域波形圖如圖1所示。

設(shè)置合適的時間窗的時間跨度，分別對無火花、單個火花、雙火花以及多個火花的火情信號進行EMD分解，并分別提取第一階IMF分量，并對此IMF分量進行自功率譜運算，具體結(jié)果如圖2所示。

在圖2中無火花信號IMF分量的自功率譜Sx（f）波形呈現(xiàn)尖峰狀且寬度極窄并且其幅值在10-6g的量綱范圍，說明信號功率主要集中于較窄的頻率范圍之內(nèi)并且能量較?。?在產(chǎn)生火花之后伴隨著火花數(shù)量的增多信號IMF分量的自功率譜幅值從10-3g的量綱范圍逐步下降，但寬度呈現(xiàn)10倍到百倍的增大，其頻率成分從集中于10Hz左右擴展到10Hz到500Hz范圍，即在功率譜中反映出信號產(chǎn)生了在無火花信號不存在的頻率成分，并且在無火花時的集中于98Hz左右的頻率成分由于能量微弱在進行EMD方法分解過程中達到可以忽略的程度。綜上所述，設(shè)備在無火花正常運行時在微波腔體內(nèi)的照度信號及其IMF分量和自功率譜線都處于相對平穩(wěn)狀態(tài)并且其幅值較??；在微波腔體內(nèi)產(chǎn)生火花時，伴隨火花數(shù)量增多，照度信號產(chǎn)生更多的頻率成分且其能量以及在頻率軸線上的分布范圍隨之?dāng)U大。

3 結(jié)束語

EMD方法可以根據(jù)時間尺度自適應(yīng)的將非平穩(wěn)隨機信號分解為具有可突出表現(xiàn)信號局部特征和時變特性的IMF分量，對IMF分量的自功率譜運算分析可以根據(jù)信號在頻率軸的能量分布鮮明的識別出火花的產(chǎn)生以及標(biāo)識出火花能量的大小。經(jīng)過試驗表明，此種方法在火情監(jiān)控中監(jiān)測火花等火情具有極高的準(zhǔn)確性、合理性和有效性。

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