[发明专利]一种基于时频分布相似度分析的兰姆波模态分离方法

说明书

本发明公开了一种基于时频分布相似度分析的兰姆波模态分离方法，通过板结构兰姆波信号采集系统，采集检测信号，对信号进行滤波和幅值归一化处理，并进行时频分析获得检测信号的时频分布，创建不同模态的理论时频分布集，计算检测信号与各模态理论时频分布集的相似度，得到相似度矩阵，寻找最大相似度值，识别与检测信号时频分布相匹配的模态及距离，在识别模态的基础上，构建中心随时间及频率变化的二维高斯时变滤波器，并与检测信号的时频图相乘分离出单模态时频图，由分离出的时频图获取单模态时域信号，实现兰姆波多模态信号的分离。该方法从时频分布相似度分析角度出发，在识别和分离模态的同时，能够较为准确的估计波包的传播距离。

技术领域

本发明涉及一种基于时频分布相似度分析的兰姆波模态分离方法，该方法适用于板结构中兰姆波多模态信号的分离，属于无损检测领域。

背景技术

兰姆波是声波在板结构中存在的特殊形式，其传播距离长、声场分布在整个壁厚，不仅能够满足板结构的大范围检测，并且可有效实现多种缺陷的检测，是板结构缺陷检测的一种重要方法。多模态及频散是兰姆波的基本特性。多模态特性是指兰姆波有多种传播模式，而频散特性是指兰姆波在传播过程中，其传播速度随频厚积而改变，且不同模态兰姆波的频散特性也往往不同。频散和多模态特性增加了兰姆波检测过程中信号分析的难度，使得缺陷识别困难。

兰姆波自身模态信息复杂，在任意给定的激励频率下，至少存在两种模态的波，且随着频率的增大，出现的模态数会更多，而在检测信号中，还可能存在直达、边界回波和缺陷波等多个波包，这使得兰姆波信号变得尤为复杂。因此，有必要对兰姆波信号进行分析处理，从多模态信号中分离出单模态信号。常见的兰姆波模态分离方法有时频分析法、稀疏表示法、时空转换法等。其中，时频分析法包括有短时傅里叶变换、连续小波变换、维格纳分布、线调频小波变换等。Scalea F[1]利用Gabor小波变换对铁轨中高频多模态信号进行了分离，但其时频分辨率固定，时间及频率分辨率不能同时达到最佳，且能量集中度不足；Zhao[2]利用线调频小波变换法分析了兰姆波的不同模态的频散特性，并有效提高了时域重叠信号的时频分辨率；Alexia[3]采用维格纳威尔分布识别出了粘弹性传播介质中传播的低速波。稀疏表示法广泛应用于语音信号处理、机械故障诊断等领域，近年来，稀疏表示方法被引入兰姆波的降噪及模态分离中。例如，许成[4]等利用缺陷的稀疏性，结合兰姆波理论传播模型，构建过完备字典，将梯度投影算法应用于稀疏重建，并基于得到的稀疏解获得了高精度的损伤图像；李海平[5]发展了一种基于稀疏表示的模态分离方法，通过将待测信号在构建的复合字典上进行稀疏分解，得到了单模态信号。稀疏表示方法对信号重构结果多依赖于字典构建，从冗余的字典中识别非常耗时；时空转换法将兰姆波时域信号映射为空间信号。例如，张海燕等将板中的全矩阵数据映射到频率-波数域，并在频率-波数域进行了全聚焦成像，提高了缺陷成像分辨率；Fei Gao[6]提出一种基于频率-波数域的兰姆波稀疏重建方法，成功分离了多个模态和多分量产生的叠加；田振华[7]在频率-波数域求解了三维波动方程，建立了一种基于传递函数的兰姆波解析模型，求解了兰姆波的时间-空间域的全局波场。

本发明在已知兰姆波理论频散曲线基础上，建立理论时频分布集，从时频分布集中寻找与检测信号时频分布相似度最高的模态，并利用时变滤波器实现兰姆波信号的分离。

发明内容

本发明提出的一种基于时频分布相似度分析的兰姆波模态分离方法，其基本原理如下：

对于兰姆波而言，它的频散特性使得波在传播过程中，其幅值、相位、传播速度均会产生变化，不同模态频散特性不同，这也导致其时频分布产生差异。本发明中的模态分离方法通过分析检测信号与理论信号的时频分布相似度来实现。当检测信号的时频分布与某模态理论时频分布的相似度达到最大，则与该模态相匹配，理论信号时频分布Y(t,ω)与检测信号的时频分布Φ(t,ω)相似度为：

式中d(Y,Φ)——Y(t,ω)与Φ(t,ω)的欧氏距离；

sim(Y,Φ)——Y(t,ω)与Φ(t,ω)的相似度。