專利名稱：轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號降噪方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲發(fā)射信號降噪方法，特別是涉及一種基于共軛梯度法與自適應(yīng) 廣義形態(tài)濾波的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號降噪方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機(jī)械動靜件間由于運(yùn)行過程中不平衡、不對中、熱彎曲等因素而發(fā)生的碰摩 是比較常見的典型故障。聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)以其靈敏度高、頻響范圍寬等特 點(diǎn)成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械碰摩故障檢測的一種方法。但在實際工程測量中，現(xiàn)場采集的聲發(fā)射信號 往往被各種噪聲污染，尤其是旋轉(zhuǎn)機(jī)械相對惡劣的工作環(huán)境以及運(yùn)行時設(shè)備自身產(chǎn)生的多 源性強(qiáng)噪聲，使得碰摩聲發(fā)射信號無法反映出旋轉(zhuǎn)機(jī)械的實際碰摩狀態(tài)。從噪聲中提取與 識別有用的聲發(fā)射信號一直是聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。形態(tài)濾波的基本思想是基于信號的幾何結(jié)構(gòu)特征，利用預(yù)先定義的結(jié)構(gòu)元素(相 當(dāng)于濾波窗)對信號進(jìn)行匹配或者局部修正，以達(dá)到提取信號，抑制噪聲的目的。共軛梯度 法是一種求解無約束優(yōu)化問題的方法。利用共軛梯度法實現(xiàn)廣義形態(tài)開-閉和閉-開濾波 器的最優(yōu)化組合，使得組合后形成的自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波器能夠有效地剔除轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā) 射信號中的噪聲。因此形態(tài)濾波與共軛梯度法是我們剔除碰摩聲發(fā)射信號中噪聲的理論依 據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，結(jié)合共軛梯度法，改進(jìn)廣義形 態(tài)濾波的算法，提出一種轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號的降噪方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于共軛梯度法與自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號降噪方法， 包括以下步驟(1)獲得含噪碰摩聲發(fā)射信號；(2)對步驟1所獲得的含噪碰摩聲發(fā)射信號進(jìn)行廣義開-閉與閉-開濾波，分別得 到廣義開-閉與閉-開濾波器的輸出信號；(3)設(shè)定廣義開-閉與閉-開濾波器的初始權(quán)系數(shù)為0. 5，運(yùn)用共軛梯度法實現(xiàn)廣 義開-閉與閉-開濾波器的權(quán)系數(shù)自適應(yīng)變換到最優(yōu)值；(4)將步驟2所得到的廣義開-閉與閉-開濾波器的輸出信號按步驟3所得的權(quán) 系數(shù)最優(yōu)值比例合并，即可得到降噪后的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于1.采用共軛梯度法對權(quán)系數(shù)進(jìn)行迭代自適應(yīng)計算以確定權(quán)系數(shù)最優(yōu)值，相比于傳 統(tǒng)廣義形態(tài)濾波的固定的權(quán)系數(shù)，有效地提高了降噪效果。2.整個降噪算法大部分只涉及加減運(yùn)算，乘除運(yùn)算較少，降噪速度相對較快。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和效果將在下面繼續(xù)描述。


圖1——基于共軛梯度法與自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號降噪方法 總體流程圖；圖2-1——碰摩聲發(fā)射試驗裝置；圖2-2——碰摩裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；1-電機(jī)；2-增速箱；3-聯(lián)軸器；4-軸承；5-第一軸承座；6_碰摩裝置；7_底座； 8-轉(zhuǎn)盤；9-軸；10-第二軸承座；21-定子；22-支架；23-螺栓。圖3——基于共軛梯度法的自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波算法原理框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明圖1是基于共軛梯度法與自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號降噪方法 總體流程圖。本方法的步驟如下(1)采用碰摩聲發(fā)射實驗裝置獲得含噪碰摩聲發(fā)射信號；(2)對步驟1所獲得的含噪碰摩聲發(fā)射信號進(jìn)行廣義開-閉與閉-開濾波，分別得 到廣義開-閉與閉-開濾波器的輸出信號；(3)設(shè)定廣義開-閉與閉-開濾波器的初始權(quán)系數(shù)為0. 5，運(yùn)用共軛梯度法實現(xiàn)廣 義開-閉與閉-開濾波器的權(quán)系數(shù)自適應(yīng)變換到最優(yōu)值；(4)將步驟2所得到的廣義開-閉與閉-開濾波器的輸出信號按步驟3所得的權(quán) 系數(shù)最優(yōu)值比例合并，即可得到降噪后的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號。以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。1、轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號的獲取本例的碰摩聲發(fā)射實驗裝置如圖2-1和2-2所示。通過一安裝在轉(zhuǎn)子臺底座7上 可移動的碰摩裝置6來模擬實現(xiàn)動靜間碰摩。電機(jī)1通過增速機(jī)2以及聯(lián)軸器3驅(qū)動軸9 轉(zhuǎn)動；軸9架在第一和第二軸承座5和10上，碰摩裝置6安裝在第一和第二軸承座5和10 之間，軸9穿在碰摩裝置6定子中心。碰摩裝置6上安裝數(shù)4個可伸縮的螺栓23，螺栓23 沿轉(zhuǎn)軸徑向?qū)χS9中心，通過調(diào)節(jié)螺栓23進(jìn)而調(diào)節(jié)定子21偏離軸心的位置來產(chǎn)生碰摩。本實驗裝置選用UT-1000傳感器，頻率范圍60 IOOOkHz ；前置放大器增益40dB ； 聲發(fā)射采集卡為18位A/D分辨率。傳感器安裝在第一軸承座5上，碰摩源(即碰摩裝置6) 在轉(zhuǎn)軸上，采樣率設(shè)為1MHz，本實驗裝置轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速設(shè)定在1500r/min。實驗?zāi)M出轉(zhuǎn)子碰 摩聲發(fā)射信號后，在聲發(fā)射信號上疊加信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)為0dB、5dB、 IOdB的隨機(jī)白噪聲以模擬不同污染程度的碰摩聲發(fā)射信號。2、廣義開-閉與閉-開濾波數(shù)學(xué)形態(tài)濾波是基于探測的思想實現(xiàn)的。作為“探針”的結(jié)構(gòu)元素，可直接攜帶信 息(如形態(tài)、大小等)，當(dāng)探針在信號中不斷移動時，便可考察信號各個部分間的相互關(guān)系， 從而研究信號的結(jié)構(gòu)特征。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)定義了 2中基本的變換膨脹和腐蝕。Sf(X)是定 義域為{0，1，...，N}的一維原始信號，g(x)是定義域為{0，1，...，M}的結(jié)構(gòu)元素，M < N， 并定義其原點(diǎn)在0處。膨脹和腐蝕運(yùn)算的計算公式分別為(/ g)( ) = max{/(>-w) + gO)}m = 0，1，· · ·，M-I, η = 0，1，...，N+M_2(l)
權(quán)利要求
1.一種基于共軛梯度法與自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號降噪方法，其特 征在于，包括以下步驟步驟1 取含噪碰摩聲發(fā)射信號；步驟2 對步驟1所獲得的含噪碰摩聲發(fā)射信號分別進(jìn)行廣義開-閉與閉-開濾波，得 到廣義開-閉與閉-開濾波器的輸出信號；步驟3 設(shè)定廣義開-閉與閉-開濾波器的初始權(quán)系數(shù)為0. 5，運(yùn)用共軛梯度法實現(xiàn)廣 義開-閉與閉-開濾波器的權(quán)系數(shù)自適應(yīng)變換到最優(yōu)值；步驟4 將步驟2所得到的廣義開-閉與閉-開濾波器的輸出信號按步驟3所得的權(quán) 系數(shù)最優(yōu)值比例合并，得到降噪后的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共軛梯度法與自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射 信號降噪方法，其特征在于，所述步驟3所述的運(yùn)用共軛梯度法實現(xiàn)廣義開-閉與閉-開濾 波器的權(quán)系數(shù)自適應(yīng)變換到最優(yōu)值，其算法步驟如下a)設(shè)定含噪碰摩聲發(fā)射信號χ(η) = s(n)+u(n),n = 1，2，...，N，其中χ (η)是含噪碰 摩聲發(fā)射信號，s(n)是無噪聲的理想碰摩聲發(fā)射信號，u(η)是各種噪聲干擾；b)將步驟a)所述的含噪碰摩聲發(fā)射信號進(jìn)行廣義開-閉與閉-開濾波；廣義開-閉與閉-開濾波器的輸出分別為Y1 (n)、y2(n)，則廣義開-閉與閉-開濾波器的加權(quán)組合輸出
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于共軛梯度法與自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波的轉(zhuǎn)子碰摩聲 發(fā)射信號降噪方法，其特征在于，步驟4所述的按權(quán)系數(shù)最優(yōu)值比例合并，即為廣義開-閉 與閉-開濾波器的輸出分別Sy1Oihy2(Ii),權(quán)系數(shù)最優(yōu)值為= 1，2)，則按權(quán)系數(shù)最優(yōu)值比例合并所得結(jié)果為少…)=(n)yx (η) + α2 (n)y2 (η) = ^Gjl (η)，y (n)即降噪后的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于共軛梯度法與自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射 信號降噪方法，其特征在于，所述步驟3)中，μ的范圍是0.7 1.0。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于共軛梯度法與自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波的轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射信號降噪方法。本發(fā)明基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本形態(tài)變換及其組合形式，提出了一種采用共軛梯度法實現(xiàn)廣義形態(tài)開、閉濾波器自適應(yīng)加權(quán)組合的廣義形態(tài)濾波器，將其應(yīng)用于碰摩聲發(fā)射信號的降噪中。本發(fā)明提出的基于共軛梯度法的自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波器對碰摩聲發(fā)射信號能夠取得較好的降噪效果，相比于傳統(tǒng)形態(tài)濾波器能夠獲得更高的信噪比。
文檔編號G01M7/02GK102063894SQ20101053649
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者蔣章, 鄧艾東 申請人:東南大學(xué)