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        基于互相關(guān)分析的車(chē)輛消磁信號(hào)自動(dòng)分割方法的研究

        2020-08-11 01:25:06劉耐特李耀仲
        科技與創(chuàng)新 2020年13期
        關(guān)鍵詞:消磁分段磁場(chǎng)

        劉耐特,李耀仲

        (1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

        基于互相關(guān)分析的車(chē)輛消磁信號(hào)自動(dòng)分割方法的研究

        劉耐特1,李耀仲2

        (1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

        車(chē)輛消磁過(guò)程中三分量磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x所記錄的空間磁場(chǎng)數(shù)據(jù)需要按消磁周期進(jìn)行自動(dòng)分割,以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)化。以大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),在分析空間磁場(chǎng)三分量的相關(guān)性以及函數(shù)積分閾值分割法的基礎(chǔ)上,提出了基于互相關(guān)分析的車(chē)輛消磁信號(hào)自動(dòng)分割方法,自動(dòng)估算合理閾值,判定消磁信號(hào)起止時(shí)刻,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜噪聲環(huán)境下消磁測(cè)量數(shù)據(jù)的精確分割。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)用證明了該方法的可行性和有效性。

        消磁信號(hào);互相關(guān)分析;閾值分割;函數(shù)積分

        1 引言

        在地磁及環(huán)境電磁場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下,車(chē)輛會(huì)被磁化形成固定的磁場(chǎng)特征,會(huì)招致磁性探測(cè)和磁敏武器攻擊,對(duì)車(chē)輛消磁可消除該特征,從而提高其生命力[1-3]。目前,車(chē)輛消磁主要由專(zhuān)用消磁車(chē)完成,其消磁系統(tǒng)采用消磁線圈[4],消磁系統(tǒng)提供脈沖電流以產(chǎn)生車(chē)輛消磁所需的沖擊磁場(chǎng),使車(chē)體磁性材料中的磁疇處于無(wú)序狀態(tài),從而達(dá)到車(chē)輛消磁的目的[5]。為評(píng)估消磁作業(yè)系統(tǒng),需要記錄消磁過(guò)程中的空間磁場(chǎng)分布及變化情況。由于需要消磁的車(chē)輛種類(lèi)多,且同一輛車(chē)需要進(jìn)行多次消磁作業(yè)才能完全消磁,因此,需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理與分析。

        圖1 所示為同測(cè)點(diǎn)空間磁場(chǎng)三分量(也稱(chēng)X 通道、Y 通道、Z 通道)的實(shí)測(cè)信號(hào)曲線。由圖1 可知,與消磁作業(yè)過(guò)程對(duì)應(yīng)的三段衰減震蕩曲線肉眼清晰可辨,但由于雜亂且明顯的噪聲信號(hào)給自動(dòng)數(shù)據(jù)帶來(lái)了阻礙。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析,需要先按消磁作業(yè)周期將測(cè)量數(shù)據(jù)中的有效信號(hào)段分割出來(lái)。

        圖1 消磁站現(xiàn)場(chǎng)三通道消磁信號(hào)

        對(duì)于信號(hào)分割方法的探討常見(jiàn)于表面肌電信號(hào)分割、心音信號(hào)分割、語(yǔ)音分割等領(lǐng)域[6-9]。李琳等人[6]在信號(hào)能量閾值分割算法的基礎(chǔ)上,通過(guò)估算初始能量閾值,利用小波去噪技術(shù)進(jìn)行信號(hào)濾波,同時(shí)根據(jù)分割點(diǎn)特征動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閾值并重新確定分割點(diǎn)方法完成了對(duì)表面肌電信號(hào)的有效分割;郭興明等人[7]基于維奧拉積分方法[8]的原理,首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波去噪預(yù)處理,采用結(jié)合香農(nóng)能量改進(jìn)后的維奧拉積分波形方法完成信號(hào)包絡(luò),并自適應(yīng)選取閾值對(duì)正常和異常心音進(jìn)行分段;呂苗榮等人[9]基于自相關(guān)分段方法,當(dāng)分段長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)捕獲最大自相關(guān)系數(shù)下的分段長(zhǎng)度作為截取長(zhǎng)度完成對(duì)準(zhǔn)周期離心泵振動(dòng)信號(hào)的分割。將上述方法用于圖1 所示的實(shí)測(cè)消磁數(shù)據(jù)時(shí),都存在準(zhǔn)確率不高、容易誤判及漏判的情況,需要手工干預(yù),在面對(duì)大量的車(chē)輛消磁數(shù)據(jù)時(shí),費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

        但經(jīng)過(guò)驗(yàn)算,上述方法在面對(duì)消磁作業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)的處理效果均不好。針對(duì)上述車(chē)輛消磁信號(hào)具有分段重復(fù)、單段震蕩衰減以及非沖擊磁場(chǎng)段信號(hào)無(wú)效等特性,本文在能量閾值分割方法的基礎(chǔ)上,基于三分量(通道)信號(hào)特征提出一種以互相關(guān)法消除信號(hào)噪聲及低頻成分,并針對(duì)互相關(guān)函數(shù)自動(dòng)獲取閾值并分割的方法。

        2 基于互相關(guān)分析的閾值分割方法實(shí)現(xiàn)

        2.1 互相關(guān)分析

        互相關(guān)分析方法廣泛應(yīng)用于地震波信號(hào)分析[10]、多通道雷達(dá)信號(hào)分析[11]等領(lǐng)域,能有效抑制噪聲、脈沖抖動(dòng)并增強(qiáng)有效信號(hào)。本文所采集的空間磁場(chǎng)三分量為空間正交[12],具有以下特點(diǎn):①各通道的測(cè)量數(shù)據(jù)都包含消磁信號(hào)(消磁作業(yè)段為震蕩衰減信號(hào),其余為偏置直流信號(hào))和噪聲兩部分;②各通道的消磁信號(hào)都同時(shí)開(kāi)始和結(jié)束;③各通道信號(hào)的互相關(guān)性高。記錄儀記錄狀態(tài)下三通道信號(hào)如圖1 所示。由此,可任取兩通道信號(hào)截取t1-t2時(shí)段原始數(shù)據(jù)序列,分別記為X1、X2。

        先消去測(cè)量數(shù)據(jù)中的直流成分:

        式(1)中:x1、x2分別為消去直流分量后的序列。

        考慮到信號(hào)由沖擊磁場(chǎng)信號(hào)和通道白噪聲疊加合成,不妨令:

        式(2)中:si(t)為信號(hào)中消磁信號(hào);ni(t)為噪聲,i=1,2。

        對(duì)序列x1、x2求互相關(guān)函數(shù)可得:

        考慮到消磁信號(hào)與噪聲互不相關(guān),互相關(guān)序列為0,噪聲的互相關(guān)序列也為0,可將(3)式化簡(jiǎn)為:

        由此可以看出,兩路在t1-t2時(shí)段內(nèi)作信號(hào)互相關(guān)運(yùn)算后,得到的互相關(guān)序列只與信號(hào)中消磁信號(hào)相關(guān),與噪聲無(wú)關(guān)?;ハ嚓P(guān)函數(shù)中含周期信號(hào)段幅值大、震蕩效果明顯,噪聲段幅值基本為0。

        2.2 基于序列積分的閾值分割

        空間磁場(chǎng)三分量同步記錄了消磁作業(yè)中空間磁場(chǎng)在X、Y、Z 三軸方向上的變化。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),通道互相關(guān)序列曲線中,在消磁作業(yè)階段仍為衰減震蕩型,能量集中,信號(hào)幅值逐漸減?。欢诜窍哦谓咏谒街本€,能量和幅值接近于0。因此,如果為互相關(guān)曲線設(shè)定合理閾值,當(dāng)曲線幅值高于閾值時(shí),判定為消磁作業(yè)結(jié)束。為避免對(duì)不同信號(hào)反復(fù)設(shè)定分割閾值,自適應(yīng)給定分割閾值對(duì)分割效果至關(guān)重要。

        本文通過(guò)消磁信號(hào)互相關(guān)函數(shù)f(t)的能量來(lái)確定閾值參數(shù),f(t)在消磁信號(hào)測(cè)量時(shí)間段0-T 時(shí)間段內(nèi)的能量為:

        根據(jù)(5)式求得的序列積分,確定信號(hào)分割閾值為:

        首先判斷消磁信號(hào)起始點(diǎn)。為避免將非沖擊磁場(chǎng)段單一峰值識(shí)別為沖擊磁場(chǎng)段起始點(diǎn),采用定長(zhǎng)滑動(dòng)窗遍歷互相關(guān)數(shù)據(jù)序列,采用窗口起始點(diǎn)幅值與分割閾值比較來(lái)確定分割點(diǎn)。所以,如果:

        且之后的連續(xù)k 個(gè)窗口起始點(diǎn)幅值均滿(mǎn)足式(7),即:

        則可將ti判定為消磁信號(hào)起始點(diǎn)。然后判斷消磁信號(hào)結(jié)束點(diǎn),若滿(mǎn)足:

        當(dāng)信號(hào)幅值低于閾值小于λ時(shí),且之后的連續(xù)k 個(gè)窗口起始點(diǎn)幅值均滿(mǎn)足(9)式,即:

        則可將ti判定為消磁信號(hào)結(jié)束點(diǎn),如果不滿(mǎn)足起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的判定條件,則:

        式(11)中:△t 為窗口固定長(zhǎng)度。

        窗口繼續(xù)滑動(dòng),直至遍歷整個(gè)信號(hào)。

        2.3 消磁信號(hào)分割實(shí)現(xiàn)

        根據(jù)上述相關(guān)理論分析,擬定了如圖2 所示的消磁信號(hào)自動(dòng)分割的流程圖,該流程圖主要包括以下幾個(gè)主要步驟:①計(jì)算互相關(guān)序列。分別取同測(cè)點(diǎn)的兩分量數(shù)據(jù),以固定步長(zhǎng)計(jì)算互相關(guān)序列。②獲取分割閾值。對(duì)互相關(guān)函數(shù),根據(jù)函數(shù)積分計(jì)算分割閾值λ。③判斷消磁周期起始、結(jié)束時(shí)刻。用定長(zhǎng)滑動(dòng)窗口遍歷整個(gè)互相關(guān)數(shù)據(jù)序列,按閾值判定起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)。④確定分割方案。對(duì)三次不同的互相關(guān)函數(shù)分別獲取分割點(diǎn),輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最大組L,避免分割不完全。

        圖2 消磁信號(hào)自動(dòng)分割流程圖

        為了提高閾值分割準(zhǔn)確率,本分割方法加入了分割閾值自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法。經(jīng)計(jì)算求得的分割閾值λ大小適合與否直接影響分割效果。如果閾值λ偏小,將導(dǎo)致將多段消磁信號(hào)劃分為一段有效信號(hào);如果閾值λ偏大,將導(dǎo)致部分消磁信號(hào)不能被有效識(shí)別或?qū)味斡行判盘?hào)劃分多段。因此,在自動(dòng)分割過(guò)程中需要對(duì)閾值λ進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,使分割出的消磁信號(hào)趨于合理。

        根據(jù)初始分割結(jié)果,確定單段沖擊磁場(chǎng)信號(hào)長(zhǎng)度為:

        式(12)中:i 為分段序號(hào),i=1,2,…,K[K=size(L)]。

        消磁信號(hào)平均長(zhǎng)度為:

        3 仿真與分析

        3.1 信號(hào)處理及分割

        為了驗(yàn)證本方法有效果,本文考慮了另外2 種典型的分割算法。

        首先,采用文獻(xiàn)[6-8]的信號(hào)分割法,對(duì)同樣的實(shí)測(cè)消磁數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理,由于該方法所述小波降噪不能消去直流分量,本文選用高通濾波對(duì)消磁信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)圖1 所示X 分量進(jìn)行高通濾波、維奧拉積分特征包絡(luò),結(jié)果如圖3所示,結(jié)果表明,高通濾波后的信號(hào)能較好地去除噪聲和直流分量并保留其時(shí)頻特性,維奧拉方法可有效地提取濾波后消磁信號(hào)的特征包絡(luò)。

        圖3 消磁信號(hào)處理效果圖

        其次,考慮文獻(xiàn)[9]給出的分割方法。由于該算法僅適用于周期信號(hào),分割前需預(yù)設(shè)分段信號(hào)長(zhǎng)度,與本文所述待處理的信號(hào)特征不符,本文不予討論。

        最后,采用本文提出的方法對(duì)消磁信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析,通道X、Y 兩路信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)圖像如圖3 所示。結(jié)果表明,互相關(guān)函數(shù)圖像能有效地去除非沖擊磁場(chǎng)段噪聲和直流分量,保留消磁信號(hào)特征。相較于濾波信號(hào),維奧拉包絡(luò)和互相關(guān)分析就能有效地抑制直流分量和噪聲,突出消磁信號(hào)。然而,維奧拉包絡(luò)效果取決于高通濾波效果,維奧拉方法對(duì)部分消磁信號(hào)的包絡(luò)效果極差以至于無(wú)法提取消磁信號(hào)。

        根據(jù)上文分析的閾值分割方法,對(duì)三分量數(shù)據(jù)所計(jì)算出的3 個(gè)互相關(guān)序列,依次確定消磁信號(hào)的起始點(diǎn)和結(jié)束,并以分割點(diǎn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的一組作為最終的消磁信號(hào)。對(duì)實(shí)測(cè)消磁信號(hào)圖1 的分割處理結(jié)果如圖4 所示。

        3.2 實(shí)際應(yīng)用與結(jié)果分析

        本文選取了32 組實(shí)測(cè)消磁數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試與驗(yàn)證,經(jīng)過(guò)人工分辨,確定了上述數(shù)據(jù)中的總有效消磁信號(hào)的分段數(shù)為110 組。依次采用高通濾波、維奧拉積分法及本文所述互相關(guān)法進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別處理,結(jié)果如下:采用高通濾波后直接分割的正確分段數(shù)為88,采用維奧拉包絡(luò)的正確分段數(shù)為95,互相關(guān)法的正確分段數(shù)105,分段正確率如表1 所示?;ハ嚓P(guān)分析的分段正確率達(dá)到了95.5%,比高通濾波、維奧拉積分法有極大的提高。

        圖4 基于互相關(guān)的三通道消磁信號(hào)分割效果

        表1 消磁信號(hào)分段的正確率

        4 結(jié)論

        對(duì)復(fù)雜電磁噪聲環(huán)境中消磁過(guò)程空間磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的分割問(wèn)題,對(duì)空間磁場(chǎng)三分量進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算后再處理,能夠極大地削減噪聲和直流分量對(duì)分割的影響。磁場(chǎng)三分量數(shù)據(jù)兩兩組合后再進(jìn)行分割處理,避免了單個(gè)分量上的隨機(jī)噪聲導(dǎo)致信號(hào)分割錯(cuò)誤。結(jié)合基于函數(shù)積分的閾值分割方法,能夠自適應(yīng)估算閾值,自動(dòng)完成對(duì)消磁信號(hào)的分割。與其他分割算法相比,本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了分割參數(shù)設(shè)定與數(shù)據(jù)分割的自動(dòng)化,正確率高,基本不需要人工干預(yù),大大減輕了人員負(fù)擔(dān)。

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        TH73

        A

        10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.008

        2095-6835(2020)13-0020-03

        〔編輯:張思楠〕

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