一种残余应力测量仪器的励磁信号谐波滤除方法及系统

本发明涉及信号处理，更具体的涉及一种残余应力测量仪器的励磁信号谐波滤除方法及系统。

背景技术：

1、对于磁性测量仪器而言，对待检测物体施加不同频率的励磁信号会得到待检测物体不同的磁化参数(如剩磁、矫顽力等)，会导致仪器对检测信号的判别发生偏差，从而对检测结果的精度造成影响。因此，保证励磁信号频率的单一性，对于保证检测结果的准确性是非常关键的。

2、然而，在实际应用中，由于磁性测量仪器信号发生器的质量参差不齐、电路中非线性元件的存在以及电路设计上的不足，励磁信号中往往伴随着谐波成分，然而，这些谐波的存在会导致励磁信号的频率谱变得复杂，对检测信号的精确辨识产生了显著的干扰，为此，滤除谐波信号成为了一项紧迫的任务。

3、目前，常用的滤波技术包括可调节滤波器和小波变换等。然而，可调节滤波器因调节范围受限、占用较大仪器内部空间、功耗较高以及增加仪器成本等问题，并非理想的选择。另一方面，尽管小波变换方法在处理信号方面具有较高的应用频率，但其处理结果受小波基和窗函数选择的影响较大，导致处理结果具有一定的不确定性和较低的普适性。

4、综上，现有的滤除谐波技术由于处理结果的不确定性和不稳定性，无法根据现场检测的需要及时快速的为仪器探头提供不同频率值的励磁信号，影响测量结果的准确度。

技术实现思路

1、针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种残余应力测量仪器的励磁信号谐波滤除方法及系统，能够减少采用可调节滤波器和小波变换等方法带来的不确定性和不稳定性，从而提高测量结果的精确度和可靠性。

2、为解决上述技术问题，本发明公开了一种残余应力测量仪器的励磁信号谐波滤除方法，包括以下步骤：

3、对读取磁各向异性残余应力测量仪器的励磁信号进行分解，得到励磁信号的多层imf函数；

4、根据励磁信号的多层imf函数，确定各层imf分量中含有谐波成分的imf分量；

5、获取含有谐波的imf分量的傅里叶频谱，确定含有谐波的imf分量数据长度和采样频率；根据数据长度和采样频率，确定含有谐波的imf分量频率分辨率；根据实际情况确定要消除的谐波频率和频率分辨率，得到要消除的谐波频率对应的频谱索引，并将该频谱索引位置的频谱值设置为零，通过逆傅里叶变换得到滤除谐波后的imf分量。

6、优选地，所述确定含有谐波的imf分量数据长度和采样频率，具体包括：

7、对含有谐波的imf分量进行傅里叶变换，通过快速傅里叶变换算法计算含有谐波的imf分量的傅里叶频谱，确定数据长度和采样频率fs；

8、获取含有谐波的imf分量为x[n]，n＝0,1,…，n-1，其中，n为数据长度；

9、快速傅里叶变换算法计算的x[k]＝fft(x[n])，k＝0,1,…，n-1；

10、快速傅里叶变换算法的结果x[k]是复数，其幅度表示频率成分的强度，相位表示频率成分的相位。

11、优选地，所述得到要消除的谐波频率对应的频谱索引，包括以下步骤：

12、根据数据长度和和采样频率，计算频率分辨率为：

13、

14、实际情况确定要消除的第m次谐波频率为fh＝m×f0，其中，f0为基波频率；

15、根据频率分辨率和实际情况确定要消除的第m次谐波频率，计算要消除的谐波频率对应的频谱索引为：

16、

17、优选地，所述通过逆傅里叶变换得到滤除谐波后的imf分量，包括以下步骤：

18、取x[kh]＝0，当谐波频率不是精确对应一个索引时，需要将该频谱索引kh位置的频谱值设置为零，得到处理后的频谱x[k]；

19、对处理后的频谱x[k]进行逆快速傅里叶变换，将处理后的频谱x[k]转换回时域，得到滤除谐波后的imf分量：

20、y[n]＝ifft(x[k])。

21、优选地，还包括将得到滤除谐波后的imf分量与其他未包含谐波成分的imf分量进行信号重构，获得消除谐波后的励磁信号。

22、优选地，所述得到励磁信号的多层imf函数，包括以下步骤：

23、采集磁各向异性残余应力测量仪器的励磁信号x(t)；

24、识别励磁信号x(t)的所有局部极大值点和局部极小值点；

25、通过三次样条插值分别对所有局部极大值点和极小值点进行拟合，得到上包络线emax(t)和下包络线emin(t)；

26、计算上包络线和下包络线的平均值：

27、

28、从励磁信号x(t)中减去上包络线和下包络线的平均值，得到信号h(t)：

29、h(t)＝x(t)-m(t)

30、使用经验模态分解方法，对励磁信号x(t)进行分解，将信号分解为多个imf分量；

31、且每个imf分量满足两个条件：一在整个数据段内，极值点的数量和过零点的数量必须相等或相差最多为一个；二在任意一点，由局部极大值点和局部极小值点定义的包络线的平均值为零；

32、判断信号h(t)是否满足imf分量的条件，当不满足imf分量的条件时，则将h(t)作为新的信号，重复上述步骤，直到得到一个满足imf分量条件的信号，记为ci(t)，ci(t)为第i个imf分量；

33、从励磁信号中减去得到的imf分量，得到一个剩余信号r(t)＝x(t)-ci(t)；

34、通过剩余信号r(t)更新新的信号h(t)，并继续进行上述分解过程，当剩余信号为一个单调函数时停止分解；

35、将励磁信号x(t)表示为多个imf分量和一个剩余分量的和：

36、

37、其中，n为imf分量的个数，rn(t)为趋势项；

38、舍弃趋势项。

39、优选地，所述确定各层imf分量中含有谐波成分的imf分量，包括以下步骤：

40、根据励磁信号的多层imf函数，对各层imf分量进行希尔伯特变换，得到各层imf分量的希尔伯特变换值，对各层imf分量的希尔伯特变换值进行计算，得到各层imf分量的瞬时幅度和瞬时频率；

41、根据各层imf分量的瞬时幅度和瞬时频率，绘制各层imf分量的希尔伯特；根据各层imf分量的希尔伯特谱，确定含有谐波成分的imf分量和未包含谐波成分的imf分量。

42、优选地，所述得到各层imf分量的瞬时幅度和瞬时频率，具体包括：

43、对各层imf分量进行希尔伯特变换，得到各层imf分量的希尔伯特变换值h[ci(t)]；

44、定义ci(t)的希尔伯特变换为：

45、

46、其中，p.v.表示柯西主值积分，τ表示积分变量；

47、通过希尔伯特变换值，构建ci(t)的解析信号为：

48、

49、其中，表示瞬时幅度，表示瞬时相位，表示瞬时频率。

50、优选地，所述确定含有谐波成分的imf分量和未包含谐波成分的imf分量为将时间和瞬时频率作为两个维度，通过绘制出每层imf分量的希尔伯特谱，确定含有谐波成分的imf分量和未包含谐波成分的imf分量。

51、优选地，还包括一种残余应力测量仪器的励磁信号谐波滤除系统，包括：

52、信号分解模块，用于对读取磁各向异性残余应力测量仪器的励磁信号进行分解，得到励磁信号的多层imf函数；

53、信号谐波成分确定模块，用于根据励磁信号的多层imf函数，确定各层imf分量中含有谐波成分的imf分量；

54、滤除谐波模块，用于获取含有谐波的imf分量的傅里叶频谱，确定含有谐波的imf分量数据长度和采样频率；根据数据长度和采样频率，确定含有谐波的imf分量频率分辨率；根据实际情况确定要消除的谐波频率和频率分辨率，得到要消除的谐波频率对应的频谱索引，并将该频谱索引位置的频谱值设置为零，通过逆傅里叶变换得到滤除谐波后的imf分量。

55、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

56、本发明提出的励磁信号谐波滤除方法，该方法通过对读取的励磁信号进行分解，得到多层imf函数，能够将复杂的信号分解为一系列称为固有模态函数imf分量，每个imf分量都具有不同的频率和时间尺度特征。根据获取的含有谐波的imf分量的傅里叶频谱，确定含有谐波的imf分量数据长度和采样频率，确定含有谐波的imf分量频率分辨率，得到信号随时间变化的频率和幅值信息，克服了传统时频分析方法(如傅里叶变换)的一些局限性，能够自适应地处理非线性、非平稳信号，更准确地揭示信号的时频特性，实现对信号时频特性的精确描述。根据现场实际的需要，通过确定要消除的谐波频率对应的频谱索引，并将该频谱索引位置的频谱值设置为零，再进行逆傅里叶变换将处理后的频谱转换回时域，以确保谐波被有效滤除，获取滤除谐波后的imf分量，同时也实现了所需要的频率成分的实时动态调节。进一步的，通过信号重构能够得到纯净的、滤除谐波后的励磁信号，该信号可用于后续的磁各向异性残余应力测量，以提高测量的精度和可靠性。