[發明專利]一種基于高斯模型的滾動軸承重疊超聲回波能量提取方法

有效

• 申請號: 202110055262.8
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112881016B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 張四聰;曾亮;鄧文茜;徐光華
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045;G06F17/14;G06N3/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種基于高斯模型的滾動軸承重疊超聲回波能量提取方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1)通過超聲換能器獲取連續脈沖超聲回波信號，提取單脈沖超聲回波；

步驟2)根據單脈沖超聲回波建立二重超聲回波高斯模型；

步驟3)根據二重超聲回波高斯模型得到參數化超聲回波能量計算式；

步驟4)根據最小二乘法構造粒子群算法的適應度函數得：

y(θ)＝∑(x(t)-s(θ,t))²，

其中x(t)為實際測得的數據，s(θ,t)為模型的函數值，y(θ)為誤差平方和，當其到達最小值時對應的值θ即為最終估計參數向量；

步驟5)結合單脈沖超聲回波波形和二重超聲回波高斯模型，通過時域波形和小波變換估計粒子群算法的初始值；

步驟6)將初始參數向量作為其中一個粒子的初始值輸入粒子群算法，根據適應度函數控制粒子群算法不斷迭代直至收斂；

步驟7)將最后估計出來的幅度和帶寬代入步驟3)得到的參數化超聲回波能量計算式，得兩個回波的能量E_s1和E_s2；

步驟8)，重復上述步驟1)-步驟7)，自適應提取每個脈沖超聲回波能量，計算超聲回波能量系數W＝E_s2/E_s1，將一段時間內的所有超聲回波能量系數W連接起來得到超聲回波能量系數曲線，簡稱UEER曲線；

所述的步驟2)具體步驟如下：

步驟2.1)根據高斯模型，將超聲換能器產生的脈沖響應幅度表示為：

式中：t——時間變量；α——帶寬，表征超聲回波的衰減快慢，α越大，超聲衰減越快；α越小，超聲衰減越慢；f_c——中心頻率；

步驟2.2)根據超聲反射的物理規律，得到單個超聲回波信號為：

式中：——參數向量；β——幅度系數，即超聲回波的幅值；τ——到達時間，即從發射至接收到反射回波的時間；——相位；

步驟2.3)根據回波時域疊加原理，建立二重超聲回波高斯模型為：

式中：——第m個參數向量，m＝1,2；

所述的步驟3)具體步驟如下：

步驟3.1)計算相位為零且幅度歸一化即β＝1的單個超聲回波信號s(θ,t)的頻譜S(f)得：

式中：f——頻率變量；

步驟3.2)因此計算s(θ,t)的能量譜p_ss(f)得：

步驟3.3)將p_ss(f)在(-∞，+∞)上對f積分得單個超聲回波的能量E：

步驟3.4)當f_c²≥0.2328α時，單個超聲回波的能量滿足E≥99％，此時其能量近似表示為：

所述的步驟5)具體步驟如下：

步驟5.1)忽略余弦相位的影響，β₀＝max[s(θ,t₀)]，此時τ₀＝t₀，據此得到初始幅度β₀和初始時延τ₀的估計值為各回波波形上最大值點對應的坐標；

步驟5.2)取回波極值點(t,A_t)代入步驟2.2)的表達式，此時得：

為減少回波重疊的相互干擾，極值點分別取非重疊部分的峰值點；

步驟5.3)采用與超聲回波波形最相近的Morlet小波作為小波基函數，對超聲回波做小波變換，選取時頻圖中每個回波區域最大幅值對應的頻率為相應回波的初始中心頻率f_c0；

步驟5.4)將相位的初始值設為0；

步驟5.5)綜合步驟5.1)至步驟5.4)得到粒子群算法的初始參數向量