[發(fā)明專利]基于Prewitt算子和t檢驗(yàn)的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法

有效

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• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107389341B
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林近山
• 申請（專利權(quán)）人: 濰坊學(xué)院
• 主分類號: G01M13/02
• 分類號: G01M13/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了基于Prewitt算子和t檢驗(yàn)的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法。該方法采用短時(shí)傅里葉變換將原始信號轉(zhuǎn)換為時(shí)頻譜圖，采用Prewitt檢測算法獲得多條脊帶，采用t檢驗(yàn)排除每條脊帶的異常值，通過疊加構(gòu)建一條具有完整清晰邊緣的合成脊帶，采用t檢驗(yàn)排除合成脊帶的異常值，計(jì)算合成脊帶的均值曲線，對均值曲線進(jìn)行平滑處理，計(jì)算該平滑均值曲線在95%置信水平上的置信區(qū)間，將平滑均值曲線及其置信區(qū)間映射到目標(biāo)脊線上，得到目標(biāo)脊線的參考線和局部搜索區(qū)間，采用非延遲代價(jià)函數(shù)提取目標(biāo)脊線。本發(fā)明適合于估計(jì)復(fù)雜多分量變頻信號的瞬時(shí)頻率，克服了傳統(tǒng)方法在機(jī)械振動(dòng)信號瞬時(shí)頻率估計(jì)中的缺陷，估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度高，便于工程應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域，具體涉及基于Prewitt算子和t檢驗(yàn)的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法。

背景技術(shù)

由于工作環(huán)境的復(fù)雜性，旋轉(zhuǎn)機(jī)械經(jīng)常工作在變速條件下。瞬時(shí)頻率估計(jì)是評估旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)及進(jìn)行故障診斷的重要前提。目前常用的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法是一步代價(jià)函數(shù)法（one-step cost function）。一步代價(jià)函數(shù)法能夠在局部頻率范圍內(nèi)搜索脊點(diǎn)，但是局部頻率范圍的中心點(diǎn)依賴于上一個(gè)脊點(diǎn)的位置，這導(dǎo)致一步代價(jià)函數(shù)存在著延遲。此外，局部頻率范圍的寬度是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)隨意設(shè)置的，且在任何時(shí)刻的寬度都是固定的，不能隨著時(shí)間發(fā)生變化，這導(dǎo)致一步代價(jià)函數(shù)缺乏足夠的自適應(yīng)性。上述缺陷導(dǎo)致一步代價(jià)函數(shù)法在估計(jì)瞬時(shí)頻率時(shí)準(zhǔn)確度和精確度較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的問題是針對以上不足，提出基于Prewitt算子和t檢驗(yàn)的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法。與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明將映射后的平滑均值曲線作為目標(biāo)脊線的參考線，將映射后的置信區(qū)間作為目標(biāo)脊線的局部搜索區(qū)間，因此局部頻率搜索范圍的中心點(diǎn)不依賴上一個(gè)脊點(diǎn)的位置，沒有任何延遲，局部頻率搜索范圍能夠自動(dòng)設(shè)定，搜索帶寬能夠隨著時(shí)間的變化而自動(dòng)變化，瞬時(shí)頻率估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度高。

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供基于Prewitt算子和t檢驗(yàn)的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：采用短時(shí)傅里葉變換算法將信號x（k）（k=1, 2, …,N）轉(zhuǎn)換為時(shí)頻譜圖，N代表信號的長度；

步驟2：從時(shí)頻譜圖中選取一塊具有較高信噪比的局部區(qū)域，采用Prewitt檢測算法將該局部區(qū)域轉(zhuǎn)換成二值圖像，二值圖像包含多條脊帶；局部區(qū)域是指至少包含兩條脊帶，信噪比大于80dB的區(qū)域；

步驟3：采用t檢驗(yàn)算法排除每條脊帶上下邊緣的異常值；

步驟4：將上述多條脊帶按照相互之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)比例關(guān)系疊加到其中一條輪廓最完整的脊帶上，構(gòu)建一條具有完整清晰邊緣的合成脊帶；運(yùn)動(dòng)學(xué)比例關(guān)系是指脊帶所對應(yīng)的機(jī)器部件之間的傳動(dòng)比；

步驟5：采用t檢驗(yàn)算法排除上述合成脊帶上下邊緣的異常值；

步驟6：計(jì)算上述合成脊帶的均值曲線，采用五點(diǎn)三次平滑算法對均值曲線進(jìn)行平滑處理，得到平滑均值曲線，計(jì)算該平滑均值曲線在95%置信水平上的置信區(qū)間；

步驟7：將上述平滑均值曲線及其置信區(qū)間按照平滑均值曲線與待估計(jì)目標(biāo)脊線之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)比例關(guān)系映射到目標(biāo)脊線上；

步驟8：將映射后的平滑均值曲線作為目標(biāo)脊線的參考線，將映射后的置信區(qū)間作為目標(biāo)脊線的局部搜索區(qū)間；

步驟9：采用非延遲代價(jià)函數(shù)在每個(gè)時(shí)刻所對應(yīng)的局部搜索區(qū)間內(nèi)搜索脊點(diǎn)，確定每個(gè)時(shí)刻所對應(yīng)的瞬時(shí)頻率，最后得到整個(gè)時(shí)間區(qū)間上的瞬時(shí)頻率。

進(jìn)一步地，所述步驟1中短時(shí)傅里葉變換算法包括以下步驟：

1）對信號x（k）進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換：

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