[發(fā)明專利]一種基于迭代擴(kuò)展頻散模態(tài)分解的頻散波提取方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111114136.1
• 申請日: 2021-09-23
• 公開（公告）號: CN113887360A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 牛剛;姜源
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06F17/14
• 代理公司: 上?？剖⒅R產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

本發(fā)明涉及一種基于迭代擴(kuò)展頻散模態(tài)分解的頻散波提取方法，包括：獲取頻散波時(shí)域信號；分別進(jìn)行快速傅里葉變換和離散短時(shí)傅里葉變換，獲得頻域信號和時(shí)頻表達(dá)式；通過雙向快速單脊線提取法，初步估計(jì)能量最顯著的關(guān)鍵時(shí)頻脊線；通過迭代擴(kuò)展頻散模態(tài)分解，分離重構(gòu)關(guān)鍵頻散模態(tài)及其群延遲；重復(fù)獲取殘差信號以及分離重構(gòu)關(guān)鍵頻散模態(tài)，直至滿足停止迭代準(zhǔn)則；對重構(gòu)的所有關(guān)鍵頻散模態(tài)進(jìn)行快速傅里葉變換逆變換，得到頻散波時(shí)域波形。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在無需預(yù)知頻散波模態(tài)數(shù)量的前提下，通過準(zhǔn)確提取和分析信號中的頻散模態(tài)，高效地對多分量非平穩(wěn)頻散波進(jìn)行分解，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、水下聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、地球物理學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于迭代擴(kuò)展頻散模態(tài)分解的頻散波提取方法。

背景技術(shù)

頻散信號在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、水下聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、地球物理學(xué)等領(lǐng)域中都有廣泛的研究。與時(shí)域調(diào)頻信號不同，頻散信號表現(xiàn)出的是與頻率相關(guān)的特性，其中最重要的是信息是群延遲(Group Delay)。群延遲定義為相位函數(shù)對頻率的導(dǎo)數(shù)，包含眾多有關(guān)信號源與系統(tǒng)的重要信息，因此可以利用群延遲進(jìn)行信號源的定位與系統(tǒng)辨識。然而，當(dāng)寬帶信號通過非線性系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)頻率都會(huì)產(chǎn)生不同的時(shí)間延遲，從而導(dǎo)致群延遲在頻率上發(fā)生變化，從時(shí)頻圖上來看，信號的時(shí)頻脊線不再是與頻率軸平行的直線，而是與頻率軸相關(guān)的曲線，這使得窄帶濾波方法不再適用。因此，準(zhǔn)確分離這些非平穩(wěn)頻散波并提取它們的群延遲曲線對于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

雖然眾多學(xué)者和工程人員提出了有關(guān)頻散信號的提取方法，但是現(xiàn)有的頻散信號提取方法存在著算法計(jì)算消耗大、時(shí)頻分辨率低、計(jì)算時(shí)間長等問題。目前，國內(nèi)有關(guān)頻散信號提取技術(shù)的發(fā)明專利申請有：

授權(quán)日為2021年8月6日，授權(quán)公告號為CN110045014B的中國專利中，公開了一種名稱為“基于貝葉斯學(xué)習(xí)的Lamb波頻散消除方法及其系統(tǒng)”。其通過構(gòu)造多模態(tài)頻散傳播字典和非頻散傳播字典，將頻散多模態(tài)Lamb波信號進(jìn)行稀疏表示，并利用貝葉斯學(xué)習(xí)方法對字典系數(shù)進(jìn)行系數(shù)求解，從而得到頻散波的稀疏表達(dá)并進(jìn)行頻散消除。然而，該方法的計(jì)算結(jié)果與字典構(gòu)建的匹配性有非常強(qiáng)的依賴，同時(shí)字典系數(shù)的稀疏化求解需要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源消耗。

公開日為2021年5月28日，公開號為CN112858481A的中國專利中，公開了一種名稱為“一種基于時(shí)間頻率域評估板材中裂紋深度的方法”。其采用時(shí)頻分析方法求解Lamb波頻散曲線。然而傳統(tǒng)的非參數(shù)化時(shí)頻分析方法，在群延時(shí)快速波動(dòng)時(shí)，會(huì)造成分辨率降低的現(xiàn)象；參數(shù)化時(shí)頻分析方法雖然能夠提高時(shí)頻分辨率，但是計(jì)算復(fù)雜度大大提高，給實(shí)際工程應(yīng)用帶來巨大困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在計(jì)算消耗大、時(shí)頻分辨率低、計(jì)算時(shí)間長的缺陷而提供一種基于迭代擴(kuò)展頻散模態(tài)分解的頻散波提取方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于迭代擴(kuò)展頻散模態(tài)分解的頻散波提取方法，包括以下步驟：

步驟1：獲取頻散波時(shí)域信號；

步驟2：對所述頻散波時(shí)域信號進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得對應(yīng)的頻域信號；

步驟3：對所述頻散波時(shí)域信號進(jìn)行離散短時(shí)傅里葉變換，獲得時(shí)頻表達(dá)式；

步驟4：初始化預(yù)設(shè)的停止迭代準(zhǔn)則，設(shè)定頻散波信號成分?jǐn)?shù)量m＝0；

步驟5：通過雙向快速單脊線提取法，初步估計(jì)所述時(shí)頻表達(dá)式中能量最顯著的關(guān)鍵時(shí)頻脊線；

步驟6：通過迭代擴(kuò)展頻散模態(tài)分解，根據(jù)所述頻域信號和關(guān)鍵時(shí)頻脊線的初步估計(jì)值，分離重構(gòu)關(guān)鍵頻散模態(tài)及其群延遲；

步驟7：根據(jù)重構(gòu)的關(guān)鍵頻散模態(tài)，從頻域信號中得到殘差信號，對殘差信號重復(fù)依次執(zhí)行步驟5至步驟7，重復(fù)獲取殘差信號以及進(jìn)行關(guān)鍵頻散模態(tài)的分離重構(gòu)，直至滿足所述停止迭代準(zhǔn)則；