[發(fā)明專利]一種基于時頻分布相似度分析的蘭姆波模態(tài)分離方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110514237.1
• 申請日: 2021-05-12
• 公開（公告）號: CN113358743B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 焦敬品;史憲芳;高翔
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/07;G01N29/12;G01N29/44
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種基于時頻分布相似度分析的蘭姆波模態(tài)分離方法，其特征在于，該方法是通過以下步驟實現(xiàn)的：

Step1：將激勵及接收傳感器置于待檢測板結(jié)構(gòu)表面，利用數(shù)據(jù)激勵采集系統(tǒng)采集蘭姆波檢測信號

Step2：對獲取的檢測信號進行低通濾波處理，去除信號噪聲，并進行幅值歸一化處理；

Step3：對檢測信號進行時頻分析，獲取時頻圖TFR(t,ω)；

Step4：通過設(shè)置閾值的方式對獲取的TFR(t,ω)進行二值化處理，確定M個單連通時頻范圍；

Step5：按照脊搜索法對第m個時頻范圍搜索該范圍內(nèi)的脊點，擬合出該時頻范圍內(nèi)的脊線，即時頻分布曲線Φ_m(t,ω)；

Step6：根據(jù)Disperse獲取的各模態(tài)群速度理論頻散曲線，設(shè)定不同的傳播距離值x₁，x₂,…x_P，根據(jù)t(ω)＝x_p/c_i|g(ω)得到傳播距離為x_p時的各模態(tài)的理論時頻分布三維矩陣：W_q|P×M×N(Y(t,ω))；

Step7：由Step6中獲取的W_q|P×M×N(Y(t,ω))與Step5獲取的Φ_m(t,ω)，計算相似度

Step8：判別相似度最大時模態(tài)及波包傳播距離：尋找的最大值c_max,c_max所對應(yīng)的q與p，即Φ_m(t,ω)的模態(tài)為q，傳播距離為x_p；

Step9：由Step7中對模態(tài)的判別可得到不同模態(tài)的時頻分布曲線Φ_q(t,ω)、，由此建立中心隨時間t及頻率ω變換的二維高斯窗函數(shù)G_q(t,ω)，并分別與Step3中的TFR(t,ω)相乘，獲得單模態(tài)信號的時頻圖TFR_q(t,ω)；

Step10：由單模態(tài)信號的時頻圖TFR_q(t,ω)進行逆變換，求得單模態(tài)時域信號完成多模態(tài)信號的模態(tài)分離及傳播距離的確定；

當檢測信號的時頻分布與某模態(tài)理論時頻分布的相似度達到最大，則與該模態(tài)相匹配，理論信號時頻分布Y(t,ω)與檢測信號的時頻分布Φ(t,ω)相似度為：

式中d(Y,Φ)——Y(t,ω)與Φ(t,ω)的歐氏距離；

sim(Y,Φ)——Y(t,ω)與Φ(t,ω)的相似度；

若激勵信號為f(t)，其在傳播過程中為距離和時間的函數(shù)y(x,t)，它在頻域中的表達式為：

式中k_i(ω)——不同模態(tài)對應(yīng)的波數(shù)；

F(ω)——f(t)的傅里葉變換；

當蘭姆波傳播距離為x₀，在已知第i個模態(tài)群速度理論頻散曲線的基礎(chǔ)上，它的時頻分布滿足：

式中t——時間序列；

c_i|g(ω)——第i個模態(tài)的群速度頻散曲線；

c_i|p(ω)——第i個模態(tài)的相速度頻散曲線；

將傳播時間離散化為M個值，頻率離散化為N個值，則當傳播距離為x₀，對應(yīng)的蘭姆波傳播時間-頻率分布為：

那么當有P個不同的傳播距離時，蘭姆波的時頻分布為P×M×N的三維矩陣W：

式中x_p——第p個傳播距離。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時頻分布相似度分析的蘭姆波模態(tài)分離方法，其特征在于，對于傳播距離未知的某檢測信號進行時頻分析得到Φ(t,ω)，離散化為M個時間點及N個頻率點：Φ_M×N(t_m,ω_n)，將檢測信號時頻分布Φ_M×N與理論信號的時頻分布W_i|P×M×N進行P次相似度計算：

式中——傳播距離為x_p時，理論時頻分布Y(t,ω)與檢測信號時頻分布Φ(t,ω)的相似度；

在板結(jié)構(gòu)蘭姆波檢測中，檢測信號一般存在兩種及以上模態(tài)，不同模態(tài)的時頻分布W_i|P×M×N也不同，假設(shè)檢測信號中同時存在Q個模態(tài)，分別計算檢測信號的時頻分布Φ_M×N與各個模態(tài)的理論時頻分布，得到一個相似度矩陣c_Q×P：

式中——檢測信號的時頻分布Φ(t,ω)與第Q個模態(tài)在傳播距離為x_p時的相似度；

在相似度矩陣c_Q×P中尋找最大值c_max，c_max在相似度矩陣中所對應(yīng)的q與x_p值則分別表明了與Φ(t,ω)相匹配的模態(tài)與傳播距離x_p；

在確定Φ(t,ω)的模態(tài)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建單模態(tài)二維t-ω時變?yōu)V波器G(t,ω)，在檢測信號的時頻分布中提取單模態(tài)信號的時頻圖TFR_i，并進行逆變換實現(xiàn)單模態(tài)時域信號的分離。