CN115481661A - 基于模态分解的***信号检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道***技术领域，特别涉及一种基于模态分解的***信号检测方法及装置，方法包括通过数据采集仪器获取隧道***的***信号，将***信号作为原始信号；采用优化的模态分解模型对原始信号进行分解处理，将分解后得到的信号分量归入信号分量集；根据信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号。装置包括数据采集仪器、信号处理模块和信号重构模块；信号处理模块分别与数据采集仪器和信号重构模块连接，信号处理模块内置优化的模态分解模型和信号分量集；用于实现前述基于模态分解的***信号检测方法。本发发明通过采用优化的模态分解模型避免出现端点效应、模态混叠和虚假分量等问题，使得***信号模态清晰，提高了***信号的质量。
Description
技术领域
本发明涉及隧道***技术领域，特别涉及一种基于模态分解的***信号检测方法及装置。
背景技术
***振动测试是***施工的重要环节，一方面***的方法和***的参数影响***地震的振动强度，通过监测指导***施工，增进***施工效率：另一方面确保被保护物(工区周围人员和建筑物)的安全性，避免纠纷发生，给企业带来利益。***振动测试设备主要是通过监测质点振动速度的三个分量值、主振频率及振动速度随时间的衰减变化曲线。
目前，对于***施工的振动测试信号处理存在巨大缺点，例如端点效应、模态混叠和虚假分量等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于模态分解的***信号检测方法，包括：
S100：通过数据采集仪器获取隧道***的***信号，将***信号作为原始信号；
S200：采用优化的模态分解模型对原始信号进行分解处理，将分解后得到的信号分量归入信号分量集；
S300：根据信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号。
可选的，在S200步骤中，优化的模态分解模型采用互补集合经验模态分解算法，对原始信号进行分解处理方式如下：
S210：在原始信号中分别加入不同的白噪声以及原始信号与对应的白噪声的差值信号，得到多个两种类型的混叠信号；
S220：将加入白噪声得到的第一类混叠信号进行模态分解，得到的信号分量归入第一信号集；
S230：将加入差值信号得到的第二类混叠信号进行模态分解，得到的信号分量归入第二信号集；
S240：将第一信号集和第二信号集中与同一白噪声相关的信号分量分为一组，计算各组信号分量的平均值，得到的信号分量入信号分量集。
可选的，在S300步骤中，信号重构的方式如下：
S310：将信号分量集中的信号分量作为维度向量，建立信号分量矩阵，进行初始化，获得原子矩阵和残差，并计算残差的范数；
S320：根据残差的范数确定向量数量，并在信号分量矩阵中选取列向量；
S330：将列向量和原子矩阵的并集作为融合矩阵，计算融合矩阵与维度向量的最小二乘值；
S340：根据维度向量、融合矩阵和最小二乘值对残差进行修正，得到修正残差和修正范数；
S350：若修正范数不低于预设的范数阈值则执行S320，否则执行S360；
S360：将最小二乘值作为重构信号，将维度向量在对应尺度重构形成新的***信号。
可选的，对用于产生白噪声的发生器进行初始化处理，初始化处理方式为：
启动发生器，采集发生器产生的白噪声，并提取白噪声的波形参数；
将提取的波形参数与噪声波形设置参数进行对比，若偏差超出设定范围，则计算各参数差值与对应的波形参数比值，根据比值对白噪声的发生器进行状态调整，直至偏差在设定范围内。
本发明还提供了一种基于模态分解的***信号检测装置，包括数据采集仪器、信号处理模块和信号重构模块；
数据采集仪器用于获取隧道***的***信号，将***信号作为原始信号；
信号处理模块分别与数据采集仪器和信号重构模块连接，信号处理模块内置优化的模态分解模型和信号分量集，模态分解模型用于对原始信号进行分解处理，将分解后得到的信号分量归入信号分量集；
信号重构模块用于根据信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号。
可选的，数据采集仪器包括多个采集通道，且每个采集通道的最高采样率不小于50KSps。
可选的，数据采集仪器内置自适应模块，自适应模块用于在设置自动触发电频和采样时间情况下，自动适应信号强度。
可选的，信号处理模块连接有摄像头和显示屏；摄像头用于拍摄***图像；信号处理模块内置模拟子模块，模拟子模块用于根据***信号构建模拟波形；显示屏用于显示***图像以及***信号的模拟波形。
可选的，信号处理模块连接有修正模块和气压气温敏感元件，气压气温敏感元件用于检测环境气压和环境气温，修正模块根据环境气压和环境气温对原始信号进行修正处理，以修正处理后的原始信号传输给模态分解模型。
可选的，检测装置还包括充电锂电池和电源管理模块，电源管理模块包括第一电源输入端、第二电源输入端和电源输出端，第一电源输入端与充电锂电池连接，第二电源输入端用于连接外部电源，电源输出端用于给数据采集仪器、信号处理模块和信号重构模块供电；
电源管理模块内置电源调节电路，电源调节电路包括调节模组、场效应管Q1、稳压模组、电容C1、放大器U1、误差放大器U2、可变电阻R1、可变电阻R2和可变电阻R3。
本发明的基于模态分解的***信号检测方法及装置，通过将采集的***信号为原始信号，由优化的模态分解模型进行分解处理，得到的信号分量，构建成信号分量集，并以信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号；本方案通过采用优化的模态分解模型避免出现端点效应、模态混叠和虚假分量等问题，使得***信号模态清晰，提高了***信号的质量。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种基于模态分解的***信号检测方法流程图；
图2为本发明的基于模态分解的***信号检测方法实施例采用的分解处理流程图；
图3为本发明的基于模态分解的***信号检测方法实施例采用的信号重构流程图；
图4为本发明实施例中一种基于模态分解的***信号检测装置示意图；
图5为本发明的基于模态分解的***信号检测装置实施例采用的电源管理模块内置的电源调节电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于模态分解的***信号检测方法，包括：
S100：通过数据采集仪器获取隧道***的***信号，将***信号作为原始信号；
S200：采用优化的模态分解模型对原始信号进行分解处理，将分解后得到的信号分量归入信号分量集；
S300：根据信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过将采集的***信号为原始信号，由优化的模态分解模型进行分解处理，得到的信号分量，构建成信号分量集，并以信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号；本方案通过采用优化的模态分解模型避免出现端点效应、模态混叠和虚假分量等问题，使得***信号模态清晰，提高了***信号的质量。
在一个实施例中，如图2所示，在S200步骤中，优化的模态分解模型采用互补集合经验模态分解算法，对原始信号进行分解处理方式如下：
S210：在原始信号中分别加入不同的白噪声以及原始信号与对应的白噪声的差值信号，得到多个两种类型的混叠信号；
S220：将加入白噪声得到的第一类混叠信号进行模态分解，得到的信号分量归入第一信号集；
S230：将加入差值信号得到的第二类混叠信号进行模态分解，得到的信号分量归入第二信号集；
S240：将第一信号集和第二信号集中与同一白噪声相关的信号分量分为一组，计算各组信号分量的平均值，得到的信号分量入信号分量集。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的白噪声(white noise)是指功率谱密度在整个频域内是常数的噪声，即所有频率具有相同能量密度的随机噪声称为白噪声；本方案通过对原始信号加入不同的白噪声，例如加入n次，也就是集总平均次数为n；分别对加入白噪声和差值信号的信号做模态分解，平均值获得最终的信号分量集；本方案集总平均次数会减少，重建后的信号噪声明显减少，降低数据处理量，提高数据处理速度与效率，适应***信号检测需要。
在一个实施例中，如图3所示，在S300步骤中，信号重构的方式如下：
S310：将信号分量集中的信号分量作为维度向量，建立信号分量矩阵，进行初始化，获得原子矩阵和残差，并计算残差的范数；
S320：根据残差的范数确定向量数量，并在信号分量矩阵中选取列向量；
S330：将列向量和原子矩阵的并集作为融合矩阵，计算融合矩阵与维度向量的最小二乘值；
S340：根据维度向量、融合矩阵和最小二乘值对残差进行修正，得到修正残差和修正范数；
S350：若修正范数不低于预设的范数阈值则执行S320，否则执行S360；
S360：将最小二乘值作为重构信号，将维度向量在对应尺度重构形成新的***信号。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过将信号分量向量化以及构建向量矩阵，实现信号的数字化处理，提高了信号处理的精度；引入残差与范数理念，利用数据融合技术，进行最小二乘值修正，使用范数评判数字化处理效果，达到要求后，通过修正优化后的最小二乘值重构信号；本方案通过对信号分量的数字化处理，可以减少重构误差，进一步提高重构信号的品质。
在一个实施例中，对用于产生白噪声的发生器进行初始化处理，初始化处理方式为：
启动发生器，采集发生器产生的白噪声，并提取白噪声的波形参数；
将提取的波形参数与噪声波形设置参数进行对比，若偏差超出设定范围，则计算各参数差值与对应的波形参数比值，根据比值对白噪声的发生器进行状态调整，直至偏差在设定范围内。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过提取白噪声的波形参数，与噪声波形设置参数进行对比，判断白噪声偏差是否超出设定范围，若超出则计算各参数差值与对应的波形参数比值，并根据比值对白噪声的发生器进行状态调整，使得白噪声的偏差在设定范围内；然后再使用该白噪声发生器用于原始信号的分解处理；本方案通过预先将产生白噪声的发生器进行初始化处理，使得采用的白噪声处于设置的噪声波形精度范围，从而保障对原始信号进行分解处理的精度。
如图4所示，本发明实施例提供了一种基于模态分解的***信号检测装置，包括数据采集仪器10、信号处理模块20和信号重构模块30；
数据采集仪器10用于获取隧道***的***信号，将***信号作为原始信号；
信号处理模块20分别与数据采集仪器10和信号重构模块30连接，信号处理模块20内置优化的模态分解模型和信号分量集，模态分解模型用于对原始信号进行分解处理，将分解后得到的信号分量归入信号分量集；
信号重构模块30用于根据信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过将数据采集仪器采集的***信号为原始信号，由信号处理模块中内置的经优化模态分解模型进行分解处理，得到的信号分量，形成成信号分量集，由信号重构模块以信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号；本方案通过采用优化的模态分解模型避免出现端点效应、模态混叠和虚假分量等问题，使得***信号模态清晰，提高了***信号的质量。
在一个实施例中，数据采集仪器包括多个采集通道，且每个采集通道的最高采样率不小于50KSps。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过采用包含多个采集通道的数据采集仪器，例如数据采集仪器可以有3个采集通道，进行同步采样，可以简化同步采样的协调控制，使得后续的信号处理不需要考虑信号不同步的影响问题，降低信号处理的复杂程度；本方案通过限定每个采集通道的最高采样率，可以保障数据采样的频度适合***检测需求，防止采样周期太长导致信号失真；其中，采样率单位ksps(kilo Samples perSecond)指采样千次每秒。
在一个实施例中，数据采集仪器内置自适应模块，自适应模块用于在设置自动触发电频和采样时间情况下，自动适应信号强度。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在数据采集仪器内置自适应模块，在预设条件下，自动触发电频和采样，且自动适应采样信号的强度，不需要手动设置量程；本方案提高了检测装置的自动化程度和控制的智能性，可以消除人为因素影响，在检测中避免人为偏差。
在一个实施例中，信号处理模块连接有摄像头和显示屏；摄像头用于拍摄***图像；信号处理模块内置模拟子模块，模拟子模块用于根据***信号构建模拟波形；显示屏用于显示***图像以及***信号的模拟波形。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置摄像头拍摄***图像，通过设置模拟子模块根据***信号构建模拟波形，采用显示屏进行***图像以及模拟波形的显示，实现了***与检测的可视化，可以让技术人员直观对***影像与产生振动形成的***信号进行观察；信号处理模块还可以采用图像处理与识别技术对***图像进行处理和识别，结合对***信号与***效果进行分析。
在一个实施例中，信号处理模块连接有修正模块和气压气温敏感元件，气压气温敏感元件用于检测环境气压和环境气温，修正模块根据环境气压和环境气温对原始信号进行修正处理，以修正处理后的原始信号传输给模态分解模型。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置修正模块和气压气温敏感元件，使用气压气温敏感元件检测环境气压和环境气温，通过检测环境数据对原始信号进行修正处理；本方案考虑了环境气压与环境气温体现的现场空气状态不同对于***信号传递的影响，通过环境气压与环境气温反映现场空气状态情况，根据空气状态不同对于***信号传递的影响设定对原始信号进行修正处理，使得在不同现场(例如因为海拔或者天气因素造成不同的空气状态下)能够确保***信号不会因环境因素差异带来偏差，提高了检测现场适应性，可以保障在不同环境因素中相同***检测数据的一致性，排除了环境干扰，进一步提高了检测的***信号的准确性和可靠性。
在一个实施例中，还包括充电锂电池和电源管理模块，电源管理模块包括第一电源输入端、第二电源输入端和电源输出端，第一电源输入端与充电锂电池连接，第二电源输入端用于连接外部电源，电源输出端用于给数据采集仪器、信号处理模块和信号重构模块供电；
电源管理模块内置电源调节电路，如图5所示，电源调节电路包括调节模组、场效应管Q1、稳压模组、电容C1、放大器U1、误差放大器U2、可变电阻R1、可变电阻R2和可变电阻R3；
调节模组的输入端分别与第一电源输入端和第二电源输入端连接，调节模组的输出端与场效应管Q1的源极连接；误差放大器U2的输入引脚2与场效应管Q1的漏极连接作为输出端；
调节模组的控制端与误差放大器U2的引脚4连接，误差放大器U2的输入引脚1通过可变电阻R1与放大器U1的输出引脚4连接，误差放大器U2的输出引脚5与场效应管Q1的栅极连接，误差放大器U2的引脚3分别与稳压模组的输出引脚3、放大器U1的输入引脚1和放大器U1的引脚3连接；
放大器U1的输入引脚2分别与可变电阻R2的一端和可变电阻R3的一端连接，可变电阻R2的另一端与误差放大器U2的输入引脚1连接，可变电阻R3的另一端接地；稳压模组的输入引脚1和2分别与电容C1的阳极和阴极连接，电容C1的阳极连接直流电源正极。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案的电源管理模块设置第一电源输入端和第二电源输入端，使得装置可以适用于各种不同的电源，设置充电锂电池可以适应于野外作业；通过在电源管理模块内设置电源调节电路可以在适用于不同电源时都能够通过调节实现供电稳定，采用稳压模组提供通过配置电容C1可以提供基准电压作为参考，基准电压经在放大器U1、多个可变电阻和误差放大器U2处理后，作用于调节模组和场效应管Q1，对电源的输出电压进行稳压控制，并对输出电流进行精确控制，保障了磁铁的磁化品质及磁化质量一致性，提高了良品率；调节模组用于限制给到场效应管Q1源极的电流，使得供电输出的电压稳定，电流控制精确，风险可控，提高磁化设备的使用寿命；本方案采用的电源调节电路反应速度快，具有出色的瞬态响应特点，能够在超低压差下通过搭配电容器实现稳定工作。
在一个实施例中，数据采集仪器内置滤波模块，滤波模块采用以下算法对对原始信号进行滤波处理：
y(n)＝WT(n)X(n)
e(n)＝d(n)-y(n)
W(n+1)＝W(n)+2μ(n)e(n)X(n)
其中，y(n)表示n时刻的输出的检测信号，α，β为μ(n)的调整参数，μ(n)表示滤波模块的步长因子，d(n)表示n时刻的期望的检测信号，e(n)表示期望的检测信号与输出的检测信号之差，X(n)表示滤波模块在n时刻的输入向量，W(n)表示滤波模块在n时刻的抽头权向量，W(n+1)表示滤波模块在n+1时刻的抽头权向量，WT(n)表示转置后的滤波模块在n时刻的抽头权向量。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本发明采用滤波模块的滤波算法提高了滤波算法的收敛速度，提高了对原始信号滤波的反应能力，还提升了滤波的精度，进一步保证了采集信号的准确度，确保传输给信号处理模块的检测信号准确性；本发明的滤波模块也兼顾了稳态误差，提高了滤波算法的性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于模态分解的***信号检测方法，其特征在于，包括：
S100：通过数据采集仪器获取隧道***的***信号，将***信号作为原始信号；
S200：采用优化的模态分解模型对原始信号进行分解处理，将分解后得到的信号分量归入信号分量集；
S300：根据信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号。
2.根据权利要求1所述的基于模态分解的***信号检测方法，其特征在于，在S200步骤中，优化的模态分解模型采用互补集合经验模态分解算法，对原始信号进行分解处理方式如下：
S210：在原始信号中分别加入不同的白噪声以及原始信号与对应的白噪声的差值信号，得到多个两种类型的混叠信号；
S220：将加入白噪声得到的第一类混叠信号进行模态分解，得到的信号分量归入第一信号集；
S230：将加入差值信号得到的第二类混叠信号进行模态分解，得到的信号分量归入第二信号集；
S240：将第一信号集和第二信号集中与同一白噪声相关的信号分量分为一组，计算各组信号分量的平均值，得到的信号分量入信号分量集。
3.根据权利要求1所述的基于模态分解的***信号检测方法，其特征在于，在S300步骤中，信号重构的方式如下：
S310：将信号分量集中的信号分量作为维度向量，建立信号分量矩阵，进行初始化，获得原子矩阵和残差，并计算残差的范数；
S320：根据残差的范数确定向量数量，并在信号分量矩阵中选取列向量；
S330：将列向量和原子矩阵的并集作为融合矩阵，计算融合矩阵与维度向量的最小二乘值；
S340：根据维度向量、融合矩阵和最小二乘值对残差进行修正，得到修正残差和修正范数；
S350：若修正范数不低于预设的范数阈值则执行S320，否则执行S360；
S360：将最小二乘值作为重构信号，将维度向量在对应尺度重构形成新的***信号。
4.根据权利要求2所述的基于模态分解的***信号检测方法，其特征在于，对用于产生白噪声的发生器进行初始化处理，初始化处理方式为：
启动发生器，采集发生器产生的白噪声，并提取白噪声的波形参数；
将提取的波形参数与噪声波形设置参数进行对比，若偏差超出设定范围，则计算各参数差值与对应的波形参数比值，根据比值对白噪声的发生器进行状态调整，直至偏差在设定范围内。
5.一种基于模态分解的***信号检测装置，其特征在于，包括数据采集仪器、信号处理模块和信号重构模块；
数据采集仪器用于获取隧道***的***信号，将***信号作为原始信号；
信号处理模块分别与数据采集仪器和信号重构模块连接，信号处理模块内置优化的模态分解模型和信号分量集，模态分解模型用于对原始信号进行分解处理，将分解后得到的信号分量归入信号分量集；
信号重构模块用于根据信号分量集进行信号重构，得到处理后的***信号。
6.根据权利要求5所述的基于模态分解的***信号检测装置，其特征在于，数据采集仪器包括多个采集通道，且每个采集通道的最高采样率不小于50KSps。
7.根据权利要求5所述的基于模态分解的***信号检测装置，其特征在于，数据采集仪器内置自适应模块，自适应模块用于在设置自动触发电频和采样时间情况下，自动适应信号强度。
8.根据权利要求5所述的基于模态分解的***信号检测装置，其特征在于，信号处理模块连接有摄像头和显示屏；摄像头用于拍摄***图像；信号处理模块内置模拟子模块，模拟子模块用于根据***信号构建模拟波形；显示屏用于显示***图像以及***信号的模拟波形。
9.根据权利要求5所述的基于模态分解的***信号检测装置，其特征在于，信号处理模块连接有修正模块和气压气温敏感元件，气压气温敏感元件用于检测环境气压和环境气温，修正模块根据环境气压和环境气温对原始信号进行修正处理，以修正处理后的原始信号传输给模态分解模型。
10.根据权利要求5-9中任意一项所述的基于模态分解的***信号检测装置，其特征在于，还包括充电锂电池和电源管理模块，电源管理模块包括第一电源输入端、第二电源输入端和电源输出端，第一电源输入端与充电锂电池连接，第二电源输入端用于连接外部电源，电源输出端用于给数据采集仪器、信号处理模块和信号重构模块供电；
电源管理模块内置电源调节电路，电源调节电路包括调节模组、场效应管Q1、稳压模组、电容C1、放大器U1、误差放大器U2、可变电阻R1、可变电阻R2和可变电阻R3。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211078717.9A CN115481661A (zh) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 基于模态分解的***信号检测方法及装置 |
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Publications (1)
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|---|---|
| CN115481661A true CN115481661A (zh) | 2022-12-16 |
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ID=84424092
Family Applications (1)
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| CN202211078717.9A Pending CN115481661A (zh) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 基于模态分解的***信号检测方法及装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117915222A (zh) * | 2024-03-20 | 2024-04-19 | 宏大***工程集团有限责任公司 | 一种无线***联动通信方法 |
| CN118069998A (zh) * | 2024-04-24 | 2024-05-24 | 山东世纪智慧农业科技有限公司 | 一种基于物联网的食用菌生产环境智能调控方法 |
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2022
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| CN117915222B (zh) * | 2024-03-20 | 2024-06-04 | 宏大***工程集团有限责任公司 | 一种无线***联动通信方法 |
| CN118069998A (zh) * | 2024-04-24 | 2024-05-24 | 山东世纪智慧农业科技有限公司 | 一种基于物联网的食用菌生产环境智能调控方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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