一种船用系泊缆绳张力监测信号的基频自动识别方法技术

本发明专利技术公开了一种船用系泊缆绳张力监测信号的基频自动识别方法，包括：将采集的缆绳振动信号进行

【技术实现步骤摘要】
一种船用系泊缆绳张力监测信号的基频自动识别方法


[0001]本专利技术涉及船舶系泊
，特别涉及一种船用系泊缆绳张力监测信号的基频自动识别方法
。

技术介绍

[0002]系泊缆绳是船舶系泊系统中关键的组成部分，受流速
、
潮汐
、
涌浪
、
风速及作业等因素影响，系泊缆绳的张力不断变化
。
如船舶处于浪峰或被浪推理岸边时系泊缆绳张力增加，涨潮时船舶高度增加时系泊缆绳张力增加
。
尤其是遭遇台风恶劣天气，在潮汐
、
浪涌
、
风速等共同作用下，缆绳张力势必急剧增大
。
并且部分缆绳张力增加可能导致其他缆绳受力不均，造成船舶靠泊不稳，如不及时预警
、
调整缆绳，可能导致缆绳断裂
。
缆绳断裂势必导致系泊失稳，尤其是在台风等恶劣天气情况下，最终可能使船舶失控，造成严重安全事故和重大经济损失
。
此外，受缆绳材质
、
使用时间
、
导缆处摩擦等因素影响，以及系泊操作不当等原因，使得缆绳断裂成为常见的系泊安全事故之一
。
[0003]目前，常用的缆绳张力测试方法包括数值模拟计算，压力传感器直接测量和间接测量，间接测量法主要包括振动频率法，力矩平衡法
。
振动频率法因其测量装置简单
、
运行和维护成本低
、
提供连续监控等优点广泛适用于船用系泊缆绳的张力监测
。
该频率法测试缆绳张力的原理是利用固定在缆绳上的加速度传感器，采集缆绳在人工激励或环境激励下的振动加速度信号，经过滤波
、
放大以及频谱分析后，由得到的频谱图确定缆绳的基频，然后根据缆绳的基频与缆绳张力之间的关系来确定缆绳张力
。
因此采用频率法测试缆绳张力时只需要获取准确的基频即可通过张力与基频之间的对应关系即可得到缆绳张力，该方法可以达到很高的精度
。
这种方法因经济实用
、
操作简单
、
设备可以重复利用且测试精度高而得到了广泛的应用
。
由此，缆绳振动基频的准确自动识别提取决定了缆绳张力计算的准确度与缆绳张力监测系统的可靠性
。
[0004]基频自动识别算法主要有功率谱频差法
、
基频法和新基频法
。
功率谱频差法基于弦振动的理论，当缆绳张力固定时，高阶频率成为基频的整数倍，在功率谱中，这会表现为一系列等间距的峰值，其中峰值的间距代表基频
。
通过捕获这些连续峰值并计算相邻峰值的间距，再对这些间距取平均值，可以得到所需的基频
。
基频法：首先，从频谱图中选择一个幅度最大的谐振峰，并记录其频率为
fn
，它应为第
n
阶的自振频率
。
假设它是缆绳的
n1
次谐振频率造成的峰，可以计算出假设的基频
F1
，根据弦振动的理论，其他的谐振峰应该是
F1
的整数倍
。
因此，如果所有谐振峰与
F1
的比值都非常接近整数（偏差不超过
±
0.05
），则可以认为
F1
是真正的基频
F。
否则，可以适当调整
n1
的值，继续尝试，直到确定基频
F。
新基频法通过频差法对信号的响应较好的部分进行分析以得到一个基频的估计值
fw1。
然后，使用这个估计值作为基频的初始值，找出频谱图中的最大频率
fn。
接着，计算
n
的值，即
n=fn/fw1。
最后，通过基频法，可以计算
fw。
[0005]采用功率谱峰值法从理论上来看是一个可以用来确定缆绳张力的有效方法
。
但在实际应用中，这种简单的关系可能会受到多种因素的影响，从而产生误差
。
首先，缆绳在现
实中往往是有一定的垂度的，这使得它的张力分布在整个长度上都是非均匀的
。
其次，缆绳的自重也会对其张力产生影响，尤其是在长缆绳的情况下
。
由于这些非线性因素，实测的各阶频率与基频的倍数关系可能只是近似的
。
仅仅测量这些高阶频率然后尝试通过它们来确定基频，那么得到的结果可能会有较大的误差
。
因此，功率谱峰值法主要适用于初步估算基频的范围，为更精确的测量方法提供一个起点或参考
。
对于需要精确测量基频的应用，可能需要采用其他更为复杂和精确的方法
。
采用基频法来确定缆绳的张力无疑是一种较为精确的方法，它的原理主要基于缆绳振动频率与张力之间的关系
。
然而，在实际应用中，这种方法并不总是直接或容易执行的
。
随机环境激励，例如风
、
雨
、
或海浪，都可能对缆绳产生影响，从而在频谱图上产生多个谐振峰
。
在这种情况下，识别哪一个谐振峰是与缆绳的基频或其某个整数倍相关的变得十分困难
。
理论上，可以选择频谱图上幅度最大的谐振峰并记下它的频率
fn
，然后假设它是第
n
阶自振频率
。
但问题是，在基频大致范围不清楚的情况下，这个
n
阶很难确定
。
为了确定这个
n
值，可能需要进行多次的迭代计算和分析
。
这不仅会消耗大量的时间，而且还需要相关的专业知识和经验
。
采用新基频法当分析的信号响应不够明显或者由于外部因素被噪声所掩盖时，进行频率估计将变得困难
。
噪声可能来自多种来源，包括设备自身
、
环境因素或其他未知的干扰源
。
这样的情况下，获得一个准确的基频估计值会变得更为困难；单纯地选择频谱图中的最大频率
fn
作为参考在很多情况下可能不是最佳选择
。
特别是当频谱图上存在多个显著峰值或由于其他信号源导致的干扰时，简单地选择最大的峰值可能导致误导；该方法需要多次迭代和计算，这可能增加了测量过程中的时间和复杂性；该方法很大程度上依赖于频差法在初步分析中得到的结果
。
如果初步分析的概值不够准确，后续的计算也可能会产生误差
。

技术实现思路

[0006]基于以上基频自动识别法存在的问题，本专利技术提供一种船用系泊缆绳张力监测信号的基频自动识别方法，可准确的获取缆绳振动的基频
。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：一种船用系泊缆绳张力监测信号的基频自动识别方法，包括：步骤一：对缆绳振动信号进行去噪，对去噪后的信号进行快速傅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种船用系泊缆绳张力监测信号的基频自动识别方法，其特征在于，包括：步骤一：对缆绳振动信号进行去噪，对去噪后的信号进行快速傅里叶变换获取频谱图；步骤二：对频谱图进行平滑处理去除噪点，通过峰值提取法获取所有谐振峰值点，并对所有谐振峰按频率大小进行排序，标记为
f1
，
f2
，
f3
…
fn
；步骤三：计算相邻峰值频率差值并分别记为
Δ
f1、
Δ
f1
…
Δ
fn
‑1，对以上频率差值进行统计分析，选择所有有效频率后计算均值，统计各阶频峰值与均值的比值，判定均值有效性；步骤四：将有效均值作为基频初始值，对缆绳振动信号进行滤波处理，并在频谱图中截取该值附近谱图，如谱图中存在幅度为最...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚伟兵，苏宇，阮峻杰，徐会超，翁海龙，刘会飞，薛启刚，雷刚，钟志春，
申请(专利权)人：湖南芯仪电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：