火工冲击响应数据时频分析方法技术

本发明专利技术提供一种火工冲击响应数据时频分析方法，包括以下步骤：获取火工冲击响应离散加速度信号；利用变分模态分解方法将火工冲击响应离散加速度信号分解为一系列从高频到低频分布排列的单模态冲击响应信号分量；同时，定义火工冲击响应信号功率谱熵值作为分解评价指标，利用粒子群优化方法对分解过程主要参数进行自动选取；计算各单模态火工冲击响应信号分量的Rihaczek分布函数并对结果进行线性叠加，表征到二维时频平面，进而得到火工冲击响应数据时频分布。本发明专利技术时频分析方法能够精细刻画火工冲击激励的时频分布规律，可用于开发针对高频瞬态冲击响应信号的数据分析系统，弥补单一采用冲击响应谱分析时不足。

Time-frequency analysis method of pyrotechnics shock response data

The invention provides a time-frequency analysis method for pyrotechnics shock response data, which comprises the following steps: obtaining discrete acceleration signal of pyrotechnics shock response; decomposing discrete acceleration signal of pyrotechnics shock response into a series of single-mode shock response signal components arranged from high frequency to low frequency by using the variational mode decomposition method; defining entropy value of power spectrum of pyrotechnics shock response signal at the same time As the evaluation index of decomposition, the main parameters of decomposition process are automatically selected by particle swarm optimization method; the rihaczek distribution function of each single-mode impact response signal component is calculated and the results are linearly superposed to represent the two-dimensional time-frequency plane, and then the time-frequency distribution of impact response data is obtained. The time-frequency analysis method of the invention can accurately depict the time-frequency distribution law of the initiating explosive device impact excitation, and can be used to develop a data analysis system for the high-frequency transient impact response signal, so as to make up for the shortage of single impact response spectrum analysis.

【技术实现步骤摘要】
火工冲击响应数据时频分析方法
本专利技术涉及火工冲击信号处理
，特别是涉及火工冲击响应数据时频分析方法。
技术介绍
航天器火工冲击环境是由星箭分离、部组件展开等工作过程中的火工品起爆引起的作用于结构上的瞬态冲击响应，具有瞬态、高频、高量级的特点，是航天器在全生命周期内经历的最苛刻的力学环境之一。为了提高航天器的工作性能和可靠性，需要精确模拟火工冲击环境，考核航天产品对火工冲击的耐受性。火工冲击环境模拟方法分为数值仿真和地面试验两大类。目前，对于火工品爆炸引起的高频结构响应，国内外尚不具备成熟、有效的分析技术，无法满足工程需求。传统的冲击响应谱分析方法广泛应用于航天产品火工冲击环境地面模拟试验中。在鉴定冲击响应量级、规定结构对冲击环境的承受能力或确定设备级模拟冲击试验的输入谱时，它可以代替冲击的时域响应，常被认为是冲击破坏能力的衡量标准。但是，由于冲击响应谱仅仅考虑了冲击信号作用在单自由度系统上响应的峰值信息，忽略了冲击信号的时变特征，冲击响应谱与时域信号难以一一对应，也就造成地面试验与实际火工环境不完全等效的问题，在指导地面试验时具有一定的局限性。为了更精准地提取冲击信号中的有效信息，为地面试验的开展提供更好的理论依据，有必要提出一种适合火工冲击响应的数据分析方法，能刻画冲击响应随时间的变化细节。相对于冲击响应谱分析，时频分析方法能够表征信号能量和频率随时间变化的规律，可用于分析冲击响应数据的时变特性。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术实施例提供了一种基于变分模态分解和Rihaczek分布的火工冲击响应数据时频分析方法，该方法能够精细刻画冲击响应的能量时频分布特征，更直观地表征冲击激发的结构模态响应分布规律，弥补了冲击响应谱分析方法的局限性。本专利技术所要解决的技术问题是单纯依靠冲击响应谱分析的火工试验不完全等效，辅助实现航天产品真实火工冲击环境的精确模拟、测试和分析。根据本专利技术实施例，提出一种火工冲击响应数据时频分析方法，包括以下步骤：S1，获取火工冲击响应离散加速度信号；S2，利用变分模态分解方法将信号分解为一系列从高频到低频分布排列的单模态冲击响应信号分量；S3，利用Rihaczek函数计算各单模态冲击响应信号分量的时频分布函数，抑制单模态冲击响应信号分量在时域与频域方向上的交叉项干扰；S4，线性叠加各单模态冲击响应信号分量的时频分布函数并表征到二维时频联合域，得到火工冲击响应数据时频分布。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果中的至少一个：(1)本专利技术的火工冲击时频分析方法，能够同时反映冲击响应的能量时频分布特征，能够更清晰地反映冲击响应的触发时间和次数，因而更直观地表征冲击激发的结构模态响应分布规律；(2)有助于弥补冲击响应谱的不足，实现模拟试验方法与真实火工冲击在频域和时域上均具有较好的一致性；(3)有助于提高地面试验模拟真实火工冲击环境的精准性，对航天器重量减轻、缓冲设计和冲击验收试验标准制定等提供参考意义。附图说明通过参照附图详细描述本专利技术的实施例，本专利技术将变得更加清楚，多个实施例被图示在附图中以用于说明性目的，并且决不应该被理解为限制实施例的范围。另外，不同的公开的实施例的各种特征可以组合以形成额外实施例，额外实施例是本公开的一部分，其中：图1是根据本专利技术实施例的火工冲击响应数据时频分析方法结构框图；图2是本专利技术实施例的原子仿真信号VMD分解结果图，其中图2(a)对应时域IMF分量信号，图2(b)对应频域IMF分量信号；图3是本专利技术实施例的原子仿真信号VMD-RD时频分布图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本专利技术实施方式的说明旨在对本专利技术的总体专利技术构思进行解释，而不应当理解为对本专利技术的一种限制。在本专利技术的任何实施例被具体地描述之前，应该理解本文中公开的概念不将它们的应用限制到在以下描述中阐述或在以下附图中图示的构造的细部和构件的布置。在这些实施例中图示的概念能够以各种方式实践或执行。本文中使用的具体短语和术语为了便于描述，并且不应该被认为是限制性的。下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行具体、清楚、完整地描述。参照图1，根据本专利技术一个实施例的火工冲击响应数据时频分析方法，包括以下步骤：S1，获取火工冲击响应离散加速度信号；S2，利用变分模态分解方法将信号分解为一系列从高频到低频分布排列的单模态冲击响应信号分量；S3，利用Rihaczek函数计算各单模态冲击响应信号分量的时频分布函数，抑制单模态冲击响应信号分量在时域与频域方向上的交叉项干扰；S4，线性叠加各单模态冲击响应信号分量的时频分布函数并表征到二维时频联合域，得到火工冲击响应数据时频分布。其中，在S1步骤中，可以采用例如振动加速度传感器测量、声发射测量或者多普勒激光测量获取火工冲击响应离散加速度信号。接着进行S2步骤，利用变分模态分解(variationalmodedecomposition，VMD)方法将步骤S1获得的信号分解为一系列从高频到低频分布排列的单模态冲击响应信号分量(IntrinsicModeFunction，IMF)；例如，初始火工冲击响应信号设为x(t)，经模态分解得到K个单模态冲击响应信号分量xIMF(t)，用下式表示为：进一步地，在S3步骤中，计算各单模态冲击响应信号分量的Rihaczek分布函数，可基于以下方法实现：非线性时频分析方法是以维格纳变换(Wigner-VilleDistribution，WVD)为基础发展来的，可将上述信号x(t)的WVD定义为其中，*表示共轭，t表示时间，ω表示角速度，τ表示时间变化量。式中不包含任何的窗函数(为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数)，然而，其他的非线性时频分析方法都可以看作是WVD的加窗形式(加窗可以实现时域局域化，还可以修正谱泄露问题)。为了正确描述火工冲击响应信号的局部能量分布，要求时频分布具有理想的时频局部聚集性(即在时域和频域分布上具有良好的集中性)。WVD时频分布的聚集性较高，但其瓶颈在于严重的交叉干扰项。WVD时频分布中每两个信号分量之间就会产生一个交叉项，交叉项也是传统非线性时频分析方法中不可避免的。为抑制时频分析方法中的交叉项干扰，可对WVD进行时频平滑(即对时频分布求解进行加窗)，表示为下式：其中φ(τ,θ)代表不同的核函数，选择不同的核函数，可以得到不同的交叉项抑制效果。当核函数为指数函数exp(iπωθ)时，又可以得到里哈契克时频分布(RihaczekDistribution，RD)，VMD分解所得各个IMF分量信号的Rihaczek分布可用下式描述为：其中，*表示共轭，t表示时间，ω表示角速度，τ和θ分别表示时间和角度变化量。进一步地，在S4步骤中，将各个单分量信号进行Rihaczek分析和处理后消除了在时域方向上的交叉项干扰之后，将一系列分量结果线性叠加，可将初始火工冲击响应信号x(t)的时频分布定义为：其中，*表示共轭，t表示时间，ω表示角速度，τ和θ分别表示时间和角度变化量。所得VMD-RD函数即为火工冲击响应数据时频分布函数。根据上述实施例的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火工冲击响应数据时频分析方法，其包括以下步骤：S1，获取火工冲击响应离散加速度信号；S2，利用变分模态分解方法将信号分解为一系列从高频到低频分布排列的单模态冲击响应信号分量；S3，利用Rihaczek函数计算各单模态冲击响应信号分量的时频分布函数，抑制单模态冲击响应信号分量在时域与频域方向上的交叉项干扰；S4，线性叠加各单模态冲击响应信号分量的时频分布函数并表征到二维时频联合域，得到火工冲击响应数据时频分布。

【技术特征摘要】
1.一种火工冲击响应数据时频分析方法，其包括以下步骤：S1，获取火工冲击响应离散加速度信号；S2，利用变分模态分解方法将信号分解为一系列从高频到低频分布排列的单模态冲击响应信号分量；S3，利用Rihaczek函数计算各单模态冲击响应信号分量的时频分布函数，抑制单模态冲击响应信号分量在时域与频域方向上的交叉项干扰；S4，线性叠加各单模态冲击响应信号分量的时频分布函数并表征到二维时频联合域，得到火工冲击响应数据时频分布。2.根据权利要求1所述的火工冲击响应数据时频分析方法，其特征在于：在S1步骤中，采用振动加速度传感器测量、声发射测量或者多普勒激光测量获取火工冲击响应离散加速度信号。3.根据权利要求1所述的火工冲击响应数据时频分析方法，其特征在于：在S2步骤中，利用粒子群优化方法对模态分解效果影响大的分量个数K及惩罚函数α两个参数进行自动寻优。4.根据权利要求3所述的火工冲击响应数据时频分析方法，其特征在于：以单模态冲击响应信号分量的功率谱熵值大小为模态分解评价指标，判别模态分解的效果，初始火工冲击响应信号x(t)经模态分解得到K个单模态冲击响应信号分量xI...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦朝烨，王旭，闫会朋，王天杨，褚福磊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11