一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法技术

一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，属于光纤传感中的信号处理领域。本方法首先对光纤光栅应变传感器所采集到的损伤信号进行预处理，剔除信号中的异常值与噪声，并截取得到用于包络提取的信号部分；利用极值法提取信号中的所有波峰、波谷以构造信号的上、下包络线；上、下包络线相减，消除温度变化对光纤光栅应变传感器所造成的影响，得到极值包络线；对得到的极值包络线进行三次样条插值，还原为原始信号的长度，得到比较粗糙的包络线；最后利用小波分解提取粗糙包络线中的低频信号，得到信号包络线。本发明专利技术适用于探伤监测等领域，对含有大量数据且采样频率较高的信号快速提取包络线，并保持原始信号的变化趋势，为后续损伤监测提供依据。后续损伤监测提供依据。后续损伤监测提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法


[0001]本专利技术涉及一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，属于光纤传感中的信号处理领域。

技术介绍

[0002]光纤光栅传感器是一种新型传感器，具有质量轻、体积小、抗电磁干扰等优点，在航空航天结构健康监测、大型土木建筑健康监测等领域应用广泛。在光纤光栅传感系统中，宽带光源发出的光通过光纤耦合器入射到光纤光栅传感器的光栅中，符合条件的光会被反射回来。当被测物体出现裂纹时，其表面的应力应变分布会发生变化，从而导致反射光的中心波长发生变化，对信号包络线的变化趋势产生较大影响。所以通过对信号包络线变化趋势的分析就可以实现对裂纹的监测。
[0003]在基于小波包和Hilbert包络谱分析的设备故障特征提取方法的专利中提出了一种利用小波包变换和Hilbert提取输变电设备信号包络谱的方法，通过分析包络谱得到了输变电设备的故障特征，但是在长期的光纤光栅传感损伤监测中，光纤光栅传感器所采集的数据量过大，采样频率较高，使得希尔伯特变换或小波变换无法提取比较理想的包络线，此方法就无法使用。同时由于在裂纹萌生的初始阶段信号没有剧烈的变化，所以提取的包络线需要尽可能的保持原始信号的变化趋势，需要以信号的峰值、谷值为基础提取包络线。在一种基于极点构造低通滤波器的信号包络提取方法和装置专利与一种基于插值拟合的频谱包络提取方法专利中，虽然也通过极值提取的方法得到了信号的包络线。但是这些方法在提取极值前需要对信号进行变换处理。当数据量较大时，这些变换需要大量的时间，降低了监测效率。
专利
技术实现思路

[0004]针对现有方法在提取大量数据的包络时存在的效率低及包络线不理想的问题，本专利技术的主要目的是提出一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，实现对含有大量数据且采样频率较高的信号进行快速提取包络线，并有效的保持原始信号的变化趋势。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术公开的一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，首先对光纤光栅应变传感器所采集到的损伤信号进行预处理，剔除信号中的异常值与噪声，并截取得到用于包络提取的信号部分；利用极值法提取信号中的所有波峰、波谷以构造信号的上、下包络线；上、下包络线相减，消除温度变化对光纤光栅应变传感器所造成的影响，得到极值包络线；对得到的极值包络线进行三次样条插值，还原为原始信号的长度，得到比较粗糙的包络线；最后利用小波分解提取粗糙包络线中的低频信号，得到信号包络线，达到快速提取包络线，有效的保持原始信号的变化趋势的目的。
[0007]本专利技术公开的一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1.利用箱线图法剔除光纤光栅传感器所采集信号中的异常值。
[0009]①
将信号中的数据由小到大排序，得到新的数据集Xi；
[0010]②
计算数据集Xi的四分位数Q1、Q2(中位数)、Q3；
[0011]③
计算四分位距IQR＝Q3‑
Q1；
[0012]④
计算箱线图的上须A＝Q3+1.5*IQR、下须B＝Q1‑
1.5*IQR；
[0013]⑤
将数据集Xi中的每一个数据与箱线图的上须、下须进行比较，当某数据大于上须或小于下须时判定为异常值进行剔除，得到剔除异常值的数据集Xi
′
。
[0014]步骤2.利用小波阈值去噪法对数据集Xi
′
进行毛刺去除。
[0015]①
利用Sym小波函数对数据集Xi
′
进行小波变换，得到小波系数；
[0016]②
对得到的小波系数进行处理，去除与高频噪声信号相关的小波系数，以去除信号中的噪声；
[0017]③
对处理后的小波系数进行小波逆变换，得到去噪后的数据集Xi
″
。
[0018]步骤3.对数据集Xi
″
进行截取，保留能够表征损伤发生、损伤演变部分的信号，去掉结构破坏后的信号，得到数据集Xi
″′
。
[0019]步骤4.利用极值法提取数据集Xi
″′
的所有波峰、波谷值。
[0020]①
求数据集Xi
″′
的相反数，得到数据集
‑
Xi
″′
；
[0021]②
利用Matlab中的findpeaks函数，得到数据集Xi
″′
的极大值X
a
及数据集
‑
Xi
″′
的极大值X
b
,则X
a
为数据集Xi
″′
的所有波峰值，X
b
为数据集Xi
″′
的所有波谷值。
[0022]步骤5.以数据集Xi
″′
的所有波峰构造数据集Xi
″′
的上包络线，以数据集Xi
″′
的所有波谷构造数据集Xi
″′
的下包络线。
[0023]①
以数据集Xi
″′
的所有波峰值X
a
及波峰所在位置构造数据集Xi
″′
的上包络线a；
[0024]②
以数据集Xi
″′
的所有波谷值X
b
及波谷所在位置构造数据集Xi
″′
的下包络线b；
[0025]步骤6.将上包络线a与下包络线b的数据对应相减，消除温度对光纤光栅传感器产生的影响，得到极值包络线c。
[0026]步骤7.对极值包络线c进行三次样条插值，得到数据集Xi
″′
的粗糙包络线d。
[0027]①
计算极值包络线c每个数据点的横坐标x
i
与纵坐标y
i
；
[0028]②
利用数值处理软件中中的spline函数在横坐标x
i
与纵坐标y
i
之间进行插值，使极值包络线c的数据个数与数据集Xi
″′
的个数一致，得到粗糙包络线d。
[0029]步骤8.对粗糙包络线d进行小波分解，提取低频信号，得到截取信号的信号包络线e，实现快速提取包络线，并有效的保持原始信号的变化趋势的目的。
[0030]①
利用db4小波函数对粗糙包络线d进行小波分解，得到信号中的高频分量与低频分量；
[0031]②
将信号中的高频分量去除，只保留低频分量，得到信号包络线e。
[0032]有益效果
[0033]1、本专利技术公开的一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，利用极值法提取信号中的所有波峰、波谷以构造信号的上、下包络线；上、下包络线相减，消除温度变化对光纤光栅应变传感器所造成的影响，得到极值包络线；对得到的极值包络线进行三次样条插值，还本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1.利用箱线图法剔除光纤光栅传感器所采集信号中的异常值；步骤2.利用小波阈值去噪法对数据集Xi'进行毛刺去除；步骤3.对数据集Xi”进行截取，保留能够表征损伤发生、损伤演变部分的信号，去掉结构破坏后的信号，得到数据集Xi”'；步骤4.利用极值法提取数据集Xi”'的所有波峰、波谷值；步骤5.以数据集Xi”'的所有波峰构造数据集Xi”'的上包络线，以数据集Xi”'的所有波谷构造数据集Xi”'的下包络线；步骤6.将上包络线a与下包络线b的数据对应相减，消除温度对光纤光栅传感器产生的影响，得到极值包络线c；步骤7.对极值包络线c进行三次样条插值，得到数据集Xi”'的粗糙包络线d；步骤8.对粗糙包络线d进行小波分解，提取低频信号，得到截取信号的信号包络线e，实现快速提取包络线，并有效的保持原始信号的变化趋势的目的。2.如权利要求1所述的一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，其特征在于：步骤1的实现方法为
①
将信号中的数据由小到大排序，得到新的数据集Xi；
②
计算数据集Xi的四分位数Q1、Q2(中位数)、Q3；
③
计算四分位距IQR＝Q3‑
Q1；
④
计算箱线图的上须A＝Q3+1.5*IQR、下须B＝Q1‑
1.5*IQR；
⑤
将数据集Xi中的每一个数据与箱线图的上须、下须进行比较，当某数据大于上须或小于下须时判定为异常值进行剔除，得到剔除异常值的数据集Xi'。3.如权利要求1所述的一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，其特征在于：步骤2的实现方法为
①
利用Sym小波函数对数据集Xi'进行小波变换，得到小波系数；
②
对得到的小波系数进行处理，去除与高频噪声信号相关的小波系数，以去除信号中的噪声；
③
对...

【专利技术属性】
技术研发人员：于翀，宋昊，刘春红，付佳豪，赵启迪，王浩天，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：