CN112434561B - 一种自动判定冲击波信号有效性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动判定冲击波信号有效性的方法，该方法首先利用采集终端进行波形数据采集，之后在上位机或者采集终端进行数据处理，最后进行冲击波信号有效性判断。当冲击波信号采集终端具备高速无线传输链路时，数据处理过程在上位机中进行，否则在采集终端进行。在上位机中通过一系列数据处理后建立一个数据匹配模版，利用该模板计算各个数据的相似度，从而判断信号有效性；在信号采集终端主要通过检验采集信号的上升阶段是否较短，衰减过程是否再次出现大于上升阶段峰值的信号以及衰减过程是否符合由快到慢的物理规律来判定冲击波信号是否正常。本发明公开的自动判定冲击波信号有效性的方法反应速度快，实时高效、准确性高、适应性更强。

Description

一种自动判定冲击波信号有效性的方法
技术领域
本发明属于模式识别与信号处理技术领域，尤其涉及冲击波信号的信息处理技术领域，更具体的涉及一种自动判定冲击波信号有效性的方法。
背景技术
为了能够实现对冲击波信号准确地测量和评估，需要采用超压传感器等方式在现场进行实时测量。一般进行冲击波信号数据采集的现场条件复杂，传感器所能采集到的信号会受到各种未知因素的干扰，从而影响了信号测量的准确度，例如飞石、碎片直接撞击传感器会导致传感器采集到异常信号。为了能够得到准确的冲击信号，需要对采集到的冲击信号进行有效性判定，剔除无效的信号后，才能实现对***效果的准确评估。
目前主流的冲击波信号有效性的判定方法主要是通过人工来进行判读，人工判读存在效率低下、准确度较低的问题，而且目前尚无一种可以在信号采集终端或上位机上对冲击波信号的有效性进行自动判定的方法，因此，亟需一种能够自动判定冲击波信号有效性的方法来代替人工判读。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种自动判定冲击波信号有效性的方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种自动判定冲击波信号有效性的方法，所述方法首先利用采集终端进行波形数据采集，之后在上位机或者采集终端进行数据处理，最后进行冲击波信号有效性判断。
优选的，当冲击波信号采集终端具备高速无线传输链路时，上述数据处理过程在上位机中进行，所述数据处理的步骤如下：
步骤1：上位机接收多个信号采集终端采集的波形数据；
步骤2：上位机对所有波形数据进行降噪滤波；
步骤3：分别检测所有波形数据各自的发生时刻，并以发生时刻为中心进行信号对齐；
步骤4：分别针对每个波形数据选取一个1ms的时间窗口，并对时间窗口内的所有数据进行归一化处理；
步骤5：对归一化后的数据进行小波变换，转换为相应的时频信号；
步骤6：对时频域信号进行符号映射，并按其绝对值的大小均分为三段，之后进行三值映射；
步骤7：计算经过符号映射后的不同终端数据的相似度，选取三个相关度最高的数据，合并数据中相同的部分生成数据匹配模板；
步骤8：对来自不同采集终端的数据首先进行符号映射，之后计算符号映射后的数据与数据匹配模板的相似度，根据相似度来判断冲击波信号的有效性，相似度大于70％可判定为有效信号。
优选的，当冲击波信号采集终端不具备高速无线传输链路时，所述数据处理过程在信号采集终端进行，所述数据处理的步骤如下：
步骤一：在***采集终端进行冲击波起点检测；
步骤二：检测到冲击波后，对不同时刻的信号值进行比较，检测冲击波信号峰值v_max；
步骤三：计算冲击波信号的衰减时间；
步骤四：进行信号异常判断；
步骤五：信号置信度判定；
步骤六：将有效信号的冲击波信号峰值数据和波形置信度信息传送至上位机。
优选的，数据处理的过程在信号采集终端进行的方法针对单个波形信号进行。
优选的，所述步骤一中检测冲击波起点，当v(n)-v(m)＞TH0，且n-m＝2，信号起点时间 T1＝n，其中n、m为不同采样时刻，v(n)和v(m)分别为n和m对应的采样信号值。
优选的，所述步骤三中计算信号冲击波衰减时间的方法为：从T1时刻起对采样信号值 v(t)进行均值计算，当均值小于v_max*a时，对应的时间为T2，并称其为第一个阶段；从 T2时刻起对采样信号v(t)进行均值计算，当均值小于v_max*b时，对应时间为T3，称其为第二个阶段；从T3时刻起对采样信号v(t)进行均值计算，当均值小于v_max*c时，对应时间为T4，称其为第三个阶段；其中a、b、c为信号衰减系数，三者构成递减等差数列，取值范围为0.2～0.8。
优选的，所述步骤四中判断异常信号的方法为：当T1＞TH1时，冲击波信号为异常信号；或者当v_max2＞v_max*5/4时，冲击波信号为异常信号，其中TH1为用户根据***特性及传感器的特性设置的信号上升参考时间；v_max2为信号衰减期的信号最大值。
优选的，所述步骤五中进行置信度判断，判断依据为TH2*k2＜(T2-T1)＜TH2*k1；(T2-T1) *k4＜(T3-T2)＜(T2-T1)*k3；(T3-T2)*k6＜(T4-T3)＜(T3-T2)*k5，其中k1、k2、k3、k4、k5、k6均为约束系数，取值范围为0.5～2，TH2为用户根据传感器特性设置的信号衰减第一阶段的时间参数。
本发明的有益效果是：本发公开的冲击波信号有效性的自动判定方法在上位机判定信号有效性时，首先对归一化后的数据进行小波变换，根据信号产生时的时频信息，统计多源数据的共同特征，选取相关度最高的若干数据建立一个匹配模版，之后利用该模板计算各个数据的相似度，该相似度具有较强的普遍适应性，与传感器特性、冲击波大小等因素相关性小；
在信号采集终端判定信号有效性时，通过对冲击波产生到上升期达到最大峰值的时间、衰减时是否有新的更大的峰值信号产生，来判断冲击波信号是否异常，其中达到最大峰值的时间与信号本身强度相关，需要根据现场情况进行设置；信号的置信度计算是将信号衰减过程分为三个阶段，根据传感器响应特性确定三个阶段和最大峰值的比例系数，然后根据信号衰减特性得到相应的衰减时间的比例关系，通过判断实际数据是否符合该比例关系来得到一个置信度信息，在采集终端进行数据处理简单易操作；
本发明公开的冲击波信号有效性的自动判定方法可根据采集终端是否具备高速无线传输链路，选择相应的判读方法，相比于传统的人工判读方法，反应速度快，实时高效、准确性高、适应性更强。
附图说明
图1为本发明的自动判定冲击波信号有效性的方法在上位机中进行数据处理的流程图。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种自动判定冲击波信号有效性的方法，该方法包括首先利用采集终端进行波形数据采集，之后在上位机或者采集终端进行数据处理，最后进行冲击波信号有效性判断。
具体的，当冲击波信号采集终端具备高速无线传输链路时，自动判定冲击波信号有效性的方法中数据处理过程在上位机中进行，如图1所示其步骤如下：
步骤1：上位机接收多个信号采集终端采集的波形数据；
步骤2：上位机对所有波形数据进行降噪滤波；
步骤3：分别检测所有波形数据各自的发生时刻，并以发生时刻为中心进行信号对齐；
步骤4：分别针对每个波形数据选取一个1ms的时间窗口，并对时间窗口内的所有数据进行归一化处理；
步骤5：对归一化后的数据进行小波变换，其中核函数选择Morse小波，对称参数(gamma) 为3，信号用s(t)来表示，将采集信号转换为2维的时频域信号WT(a，b)，如公式(1)所示：
WT(a，b)＝CWT(s(t)，Morse，gamma)(1)
步骤6：通过符号动态滤波法对时频域信号WT(a，b)进行符号映射，并按WT(a，b)的绝对值的大小均分为三段，之后将WT(a，b)进行三值映射；
步骤7：计算经过符号映射后的不同终端数据的相似度，选取三个相关度最高的数据，合并数据中相同的部分生成数据匹配模板；两个不同的数据相关度计算方法如公式(2)所示：
步骤8：对来自不同采集终端的数据进行符号映射，并计算符号映射后的数据与数据匹配模板的相似度，根据相似度来判断冲击波信号的有效性，相似度大于70％可判定为有效信号。
上述步骤7和8中进行模版计算和匹配计算都是以符号映射后的数据为基础。
当冲击波信号采集终端不具备高速无线传输链路时，上述数据处理过程在信号采集终端进行，其判定结果得到一个冲击波的峰值数据和一个波形置信度信息，只需将这个峰值数据和置信度信息回传至上位机，即可完成对冲击波的当量评估。冲击波信号发生时在很短的时间内(＜10us)会产生一个快速的上升信号，然后会慢慢衰减，衰减过程大约在0.3～1ms。本发明中，信号产生阶段称为上升期，而后的0.3～1ms称为衰减期。在采集信号终端进行数据处理的步骤如下：
步骤一：在***采集终端进行冲击波起点检测，具体检测方法为：取采样值value＝v(1)、 v(2)、v(3)、……、v(t)；当v(n)-v(m)＞TH0，n-m＝2时，得到信号起始时间T0＝n，其中n、m 为时间t的不同取值，v(n)和v(m)分别为n和m时刻对应的信号采样值；
步骤二：检测到冲击波后，对不同时刻的信号值进行比较，检测冲击波信号峰值，检测时间应小于阈值T_max，T_max值与传感器的位置、冲击波的强度等信息相关，不是一个固定值，在T_max时间内，检测到的最大值为冲击波的峰值数据(v_max)，该数据会上传至上位机，检测到的信号峰值对应的时间为T1；
步骤三：计算冲击波信号的衰减时间，具体方法为：从T1时刻起对采样信号值v(t)进行均值计算，当均值小于v_max*a时，对应的时间为T2，并称其为第一个阶段；从T2时刻起对采样信号v(t)进行均值计算，当均值小于v_max*b时，对应时间为T3，称其为第二个阶段；从T3时刻起对采样信号v(t)进行均值计算，当均值小于v_max*c时，对应时间为T4，称其为第三个阶段；其中a、b、c为信号衰减系数，三者构成递减等差数列，取值范围为 0.2～0.8，比如a＝0.8，b＝0.6，c＝0.4；
步骤四：进行信号异常判断，信号异常的判定方法为：当T1＞TH1时，冲击波信号为异常信号；或者当v_max2＞v_max*5/4时，冲击波信号为异常信号，其中TH1为用户根据***特性及传感器的特性设置的信号上升参考时间；v_max2为信号衰减期的信号最大值；
步骤五：信号置信度判定，判断依据为TH2*k2＜(T2-T1)＜TH2*k1；(T2-T1)*k4＜(T3-T2)＜(T2-T1)*k3；(T3-T2)*k6＜(T4-T3)＜(T3-T2)*k5，其中k1、k2、k3、k4、 k5、k6为约束系数，取值范围为0.5～2，TH2为为用户根据传感器特性设置的信号衰减第一阶段的时间参数；
步骤六：将有效信号的冲击波信号峰值数据和波形置信度信息传送至上位机。
上述在采集终端进行数据处理的方法只针对单个波形信号进行，上述方法主要通过检验采集信号的信号的上升阶段是否较短，信号衰减过程是否再次出现大于上升阶段的峰值信号，信号衰减过程是否符合由快到慢的物理规律来判定是否是正常的冲击波信号。
综上，本发明在上位机判定信号有效性时，首先对归一化后的数据进行小波变换，根据信号产生时的时频信息，统计多源数据的共同特征，选取相关度最高的若干数据建立一个匹配模版，之后利用该模板计算各个数据的相似度，该相似度具有较强的普遍适应性，与传感器特性、冲击波大小等因素相关性小；
在信号采集终端判定信号有效性时，通过对冲击波产生到上升期达到最大峰值的时间、衰减时是否有新的更大的峰值信号产生，来判断冲击波信号是否异常，其中达到最大峰值的时间与信号本身强度相关，需要根据现场情况进行设置；信号的置信度计算是将信号衰减过程分为三个阶段，根据传感器响应特性确定三个阶段和最大峰值的比例系数，然后根据信号衰减特性得到相应的衰减时间的比例关系，通过判断实际数据是否符合该比例关系来得到一个置信度信息。
本发明公开的冲击波信号有效性的自动判定方法可根据采集终端是否具备高速无线传输链路，选择相应的判读方法，相比于传统的人工判读方法，反应速度快，实时高效、准确性高、适应性更强。

Claims (3)

1.一种自动判定冲击波信号有效性的方法，其特征在于，所述方法首先利用采集终端进行波形数据采集，之后在上位机或者采集终端进行数据处理，最后进行冲击波信号有效性判断；
当冲击波信号采集终端不具备高速无线传输链路时，所述数据处理的过程在信号采集终端进行，所述数据处理的步骤如下：
步骤一：针对单个波形信号，在***采集终端进行冲击波起点检测；
步骤二：检测到冲击波后，对不同时刻的信号值进行比较，检测冲击波信号峰值v_max；
步骤三：计算冲击波信号的衰减时间；
步骤四：进行信号异常判断；
步骤五：信号置信度判定；
步骤六：将有效信号的冲击波信号峰值数据和波形置信度信息传送至上位机；
所述步骤一中检测冲击波起点，当v(n)-v(m)>TH0，且n-m＝2时，信号起点时间T1＝n，其中n、m为不同采样时刻，v(n)和v(m)分别为n和m对应的采样信号值；
所述步骤三中计算信号冲击波衰减时间的方法为：从T1时刻起对采样信号值v(t)进行均值计算，当均值小于v_max*a时，对应的时间为T2，并称其为第一个阶段；从T2时刻起对采样信号v(t)进行均值计算，当均值小于v_max*b时，对应时间为T3，称其为第二个阶段；从T3时刻起对采样信号v(t)进行均值计算，当均值小于v_max*c时，对应时间为T4，称其为第三个阶段；其中a、b、c为信号衰减系数，三者构成递减等差数列，取值范围为0.2～0.8；
所述步骤四中判断异常信号的方法为：当T1>TH1时，冲击波信号为异常信号；或者当v_max2>v_max*5/4时，冲击波信号为异常信号，其中TH1为用户根据***特性及传感器的特性设置的信号上升参考时间；v_max2为信号衰减期的信号最大值。
2.根据权利要求1所述的自动判定冲击波信号有效性的方法，其特征在于，当冲击波信号采集终端具备高速无线传输链路时，所述数据处理过程在上位机中进行，所述数据处理的步骤如下：
步骤1：上位机接收多个信号采集终端采集的波形数据；
步骤2：上位机对所有波形数据进行降噪滤波；
步骤3：分别检测所有波形数据各自的发生时刻，并以发生时刻为中心进行信号对齐；
步骤4：分别针对每个波形数据选取一个1ms的时间窗口，并对时间窗口内的所有数据进行归一化处理；
步骤5：对归一化后的数据进行小波变换，转换为相应的时频信号；
步骤6：对时频域信号进行符号映射，并按其绝对值的大小均分为三段，之后进行三值映射；
步骤7：计算经过符号映射后的不同终端数据的相似度，选取三个相关度最高的数据，合并数据中相同的部分生成数据匹配模板；
步骤8：对来自不同采集终端的数据首先进行符号映射，之后计算符号映射后的数据与数据匹配模板的相似度，根据相似度来判断冲击波信号的有效性，相似度大于70％可判定为有效信号。
3.根据权利要求1所述的自动判定冲击波信号有效性的方法，其特征在于，所述步骤五中进行置信度判断，判断依据为TH2*k2<(T2-T1)<TH2*k1；(T2-T1)*k4<(T3-T2)<(T2-T1)*k3；(T3-T2)*k6<(T4-T3)<(T3-T2)*k5，其中k1、k2、k3、k4、k5、k6均为约束系数，取值范围为0.5～2，TH2为用户根据传感器特性设置的信号衰减第一阶段的时间参数。
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