[發明專利]基于Sobel算子和PauTa檢驗的瞬時頻率估計方法

有效

• 申請號: 201710608565.1
• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107368814B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 竇春紅
• 申請（專利權）人: 濰坊學院
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了基于Sobel算子和PauTa檢驗的瞬時頻率估計方法。該方法采用短時傅里葉變換將原始信號轉換為時頻譜圖，采用Sobel檢測算法獲得多條脊帶，采用PauTa檢驗排除每條脊帶的異常值，通過疊加構建一條具有完整清晰邊緣的合成脊帶，采用PauTa檢驗排除合成脊帶的異常值，計算合成脊帶的均值曲線，對均值曲線進行平滑處理，計算該平滑均值曲線在95%置信水平上的置信區間，將平滑均值曲線及其置信區間映射到目標脊線上，得到目標脊線的參考線和局部搜索區間，采用非延遲代價函數提取目標脊線。本發明適合于估計復雜多分量變頻信號的瞬時頻率，克服了傳統方法在機械振動信號瞬時頻率估計中的缺陷，估計結果的準確度和精確度高，便于工程應用。

技術領域

本發明涉及旋轉機械狀態監測與故障診斷領域，具體涉及基于Sobel算子和PauTa檢驗的瞬時頻率估計方法。

背景技術

由于工作環境的復雜性，旋轉機械經常工作在變速條件下。瞬時頻率估計是評估旋轉機械運行狀態及進行故障診斷的重要前提。目前常用的瞬時頻率估計方法是一步代價函數法（one-step cost function）。一步代價函數法能夠在局部頻率范圍內搜索脊點，但是局部頻率范圍的中心點依賴于上一個脊點的位置，這導致一步代價函數存在著延遲。此外，局部頻率范圍的寬度是根據經驗隨意設置的，且在任何時刻的寬度都是固定的，不能隨著時間發生變化，這導致一步代價函數缺乏足夠的自適應性。上述缺陷導致一步代價函數法在估計瞬時頻率時準確度和精確度較低。

發明內容

本發明要解決的問題是針對以上不足，提出基于Sobel算子和PauTa檢驗的瞬時頻率估計方法。與現有方法相比，本發明將映射后的平滑均值曲線作為目標脊線的參考線，將映射后的置信區間作為目標脊線的局部搜索區間，因此局部頻率搜索范圍的中心點不依賴上一個脊點的位置，沒有任何延遲，局部頻率搜索范圍能夠自動設定，搜索帶寬能夠隨著時間的變化而自動變化，瞬時頻率估計結果的準確度和精確度高。

為解決以上技術問題，本發明提供基于Sobel算子和PauTa檢驗的瞬時頻率估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

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

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

步驟3：采用PauTa檢驗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動學比例關系疊加到其中一條輪廓最完整的脊帶上，構建一條具有完整清晰邊緣的合成脊帶；運動學比例關系是指脊帶所對應的機器部件之間的傳動比；

步驟5：采用PauTa檢驗算法排除上述合成脊帶上下邊緣的異常值；

步驟6：計算上述合成脊帶的均值曲線，采用五點三次平滑算法對均值曲線進行平滑處理，得到平滑均值曲線，計算該平滑均值曲線在95%置信水平上的置信區間；

步驟7：將上述平滑均值曲線及其置信區間按照平滑均值曲線與待估計目標脊線之間的運動學比例關系映射到目標脊線上；

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

步驟9：采用非延遲代價函數在每個時刻所對應的局部搜索區間內搜索脊點，確定每個時刻所對應的瞬時頻率，最后得到整個時間區間上的瞬時頻率。

進一步地，所述步驟1中短時傅里葉變換算法包括以下步驟：

1）對信號x（k）進行短時傅里葉變換：

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