[發明專利]一種巴克豪森信號隨機性度量及轉換方法

有效

• 申請號: 202010942060.0
• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112070030B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 李翔;侯玉婷;陳小平
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 何凡

1.一種巴克豪森信號隨機性度量及轉換方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：確定巴克豪森信號特征的原始特征樣本空間X；

S2：計算原始特征樣本空間X在整個疲勞壽命周期下的特征概率分布空間P；

S3：在特征概率分布空間P中，重建原始特征樣本空間X，得到第一重構特征樣本空間X_s1、第二重構特征樣本空間X_s2和第三重構特征樣本空間X_s3；

S4：將原始特征樣本空間X、第一重構特征樣本空間X_s1、第二重構特征樣本空間X_s2和第三重構特征樣本空間X_s3均輸入到預測模型中進行預測，分別得到其預測結果；

S5：比較原始特征樣本空間X、第一重構特征樣本空間X_s1、第二重構特征樣本空間X_s2和第三重構特征樣本空間X_s3的預測結果，得到區間指標，并作為巴克豪森信號隨機性度量結果；

S6：對選定區間指標的巴克豪森信號添加有序量化噪聲，完成對巴克豪森信號隨機性的轉換；

所述步驟S1包括以下子步驟：

S11：采集巴克豪森信號，并進行放大、濾波和降噪的預處理；

S12：利用固定的滑動窗口對預處理后的巴克豪森信號進行波包拆分；

S13：對每個巴克豪森信號的波包進行特征提取；

S14：利用PCA和相關系數法進行特征選取，得到原始樣本特征空間，其表示式為：

X＝{x₁,x₂,…,x_N}∈R^N×D

其中，N表示樣本數，D表示經特征選取后剩余特征的維度，R表示樣本空間，N×D表示樣本空間的維度大小；

所述步驟S2包括以下子步驟：

S21：建立服從均值向量為μ_x和協方差矩陣為Σ_x參數化的D元正態分布，其表示式為：

X～N(μ_x,Σ_x)

μ_x＝[μ₁,μ₂,…,μ_D]^T

其中，D表示經特征選取后剩余特征的維度，K表示各疲勞加載次數下采集的信號波包數，cov[x_i,x_j]表示各特征向量x_i和x_j之間的協方差，i＝1,2…,D，j＝1,2…,D；

S22：輸入原始特征樣本空間X服從以均值向量為μ_x和協方差矩陣為Σ_x參數化的D元正態分布；

S23：根據D元正態分布，計算原始特征樣本空間X在不同疲勞加載次數下的特征聯合概率函數p_i(x_i|μ_xi,Σ_xi)，其計算公式為：

其中，exp()表示指數運算，μ_xi表示每一疲勞記載次數下的均值向量，Σ_xi表示每一疲勞記載次數下特征之間的協方差矩陣表示；

S24：根據特征聯合概率函數p_i(x_i|μ_xi,∑_xi)得到特征概率分布空間P，其表示為：

P＝[P₁ P₂ … P_M]^T

其中，P_i表示i個不同疲勞加載次數下所對應的特征聯合概率函數，i＝1,2,…M，M表示鐵磁材料全壽命周期中疲勞加載狀態；

所述步驟S3包括以下子步驟：

S31：在特征概率分布空間P中，根據均值向量μ_x和協方差矩陣Σ_x確定重構特征樣本空間X_s的表示式為：

其中，ζ表示服從于標準正態分布的高斯噪聲，即ζ～N(0,1)，表示逐點乘法，para(X)表示原始特征樣本空間X的參數化表示，k表示線性變換系數；

S32：根據D元正態分布的原始特征樣本空間X和Cholesky分解，確定線性變換系數k的取值分別為1、2和3，并確定參數化表示para(X)的最佳選擇為Σ^1/2；

S33：根據線性變換系數k取值和參數化表示para(X)的最佳選擇確定第一重構特征樣本空間X_s1、第二重構特征樣本空間X_s2和第三重構特征樣本空間X_s3，其表達式分別為：

X_s1＝μ±Σ^1/2ζ

X_s2＝μ±2Σ^1/2ζ

X_s3＝μ±3Σ^1/2ζ；

所述步驟S4包括以下子步驟：

S41：將原始特征樣本空間X、第一重構特征樣本空間X_s1、第二重構特征樣本空間X_s2和第三重構特征樣本空間X_s3均輸入到預測模型中；

S42：將特征樣本空間平均劃分成L份，并將其中一份作為測試集，其余L-1份作為訓練集；

S43：計算測試集的均方誤差MSE和確定系數R-square，其計算公式分別為：

其中，N表示樣本數，y_i分別表示原始數據，表示預測數據，表示原始數據均值；

S44：重復L次計算測試集的均方誤差MSE，并求均值，得到均方跟誤差RMSE，其計算公式為：

S45：計算不同疲勞加載狀態條件下的響應結果R_i；

S46：根據響應結果R_i計算期望E(R_i)和標準差V(R_i)，其計算公式分別為：

其中，i＝1,2,…,M，M表示鐵磁材料全壽命周期中疲勞加載狀態，S表示每一疲勞加載狀態下的樣本條數，R_i,j表示某一疲勞加載狀態下對應的由不同波包采集得到的樣本的響應結果；

S47：根據期望E(R_i)和標準差V(R_i)計算相對不確定度Q，其計算公式為：

S48：將均方跟誤差RMSE、確定系數R-square和相對不確定度Q作為預測結果；

所述步驟S5中，將第一重構特征樣本空間X_s1、第二重構特征樣本空間X_s2和第三重構特征樣本空間X_s3的預測結果分別與原始特征樣本空間X的預測結果進行比較，選取與原始特征樣本空間X預測結果相似的區間指標作為巴克豪森信號隨機性度量結果；

所述步驟S6中，對巴克豪森信號隨機性轉換的方法為：對同一波包下的巴克豪森信號添加統一的有序量化噪聲ζ～N(0,1)，完成對巴克豪森信號隨機性的轉換。