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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：本发明公开了一种基于改进局部均值分解和倒谱系数的钢轨裂纹检测方法，首先，加载车轮在钢轨上运动全周期内的声发射信号，利用改进局部均值分解方法，将这些声发射分解成若干个乘积函数；然后，选择每组声发射信号分解得到的第一维乘积函数进行线性叠加，排除噪声和其他不相关信息的干扰，获得重构信号；接下来，从重构信号中提取13维伽马通倒谱系数，依据线性回归模型，推导构建一个转换矩阵，将第2维‑第6维伽马通倒谱系数融合为一维的倒谱信息系数；最后，基于三倍标准差法则构建伤损检测阈值，实现钢轨裂纹声发射信号的精准检测。本发明运算速率快，检测精度高，在高铁钢轨裂纹伤损检测领域具有很高的社会意义和经济价值。

主权项：1.一种基于改进局部均值分解和倒谱系数的钢轨裂纹检测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一：加载车轮在钢轨上运动全周期内的N组声发射信号st＝{s1t，...，sNt}，利用改进局部均值分解方法，将每组声发射信号分解成若干个乘积函数{PF1t，...，PFXt}，然后选择每组声发射信号分解得到的第一维乘积函数PF1t进行线性叠加，获得重构信号St＝{S1t，...，SNt}，具体步骤如下：步骤一一：加载车轮在钢轨上运动全周期内的N组声发射信号st＝{s1t，...，sNt}，每组声发射信号含有M个采样点个数；步骤一二：寻找第一组声发射信号s1t的所有极大值点[tmax，s1tmax]，然后对这些极值进行插值以获得初始上包络eu0t，随后计算上包络距离du0t：du0t＝s1t-eu0t局部极值du0t表示为下一个上包络距离通过对进行插值获得，迭代k次计算直到的总数小于给定的阈值θ，估计的经验上限为eukt；步骤一三：初始下包络距离dl0t由s1t和初始下包络线el0t计算得出：dl0t＝s1t-el0t迭代k次计算直到的总数小于θ，估计的经验下限为elkt；局部均值函数lm11t和局部包络函数lee11t计算如下： 步骤一四：计算调频信号： FM11t被用作原始信号来重复步骤一二和步骤一三，直到收敛到典型的调频函数，该迭代进程的终止标准是lee11t≈1；步骤一五：计算包络信号： 其中，q∈[1，k]，代表迭代k次的包络信号；s1t的第一维乘积函数PF1t通过下式计算获得：PF1t＝lee11t*FM1kt其中，FM1kt为纯净调频函数；步骤一六：通过从原始信号s1t中去除lee11t得到新信号u1t，迭代执行k次，ukt作为更新后信号，直至ukt演化为单调函数： 这样原始信号s1t分解为多个乘积函数和一个单调函数： 步骤一七：在原始信号s1t分解的众多乘积函数中，只选择第一维乘积函数构成重构函数S1t：S1t＝PF1t步骤一八：对剩余的N-1组声发射信号st＝{s2t，...，sNt}重复步骤一二～步骤一七进行分解重构，获得重构信号St＝{S1t，...，SNt}；步骤二：从重构信号中提取13维伽马通倒谱系数GTCC，然后依据线性回归模型，推导构建一个转换矩阵，将第2维-第6维伽马通倒谱系数融合为一维的倒谱信息系数CIC，具体步骤如下：步骤二一：将步骤一的N组重构声发射信号St＝{S1t，...，SNt}，按照时间顺序转置为信号SL*1t，L＝M*N；步骤二二：对信号SL*1t依次进行分帧、加窗和傅里叶变换：SL*1t→Sfn*wlent 其中，fn表示信号SL*1t的分帧数量，wlen表示每帧的长度，olen是相邻两个不同帧产生的重叠长度，wt表示窗函数，fft.表示傅里叶运算；步骤二三：计算伽马通滤波器的脉冲响应gt： 其中，A表示幅度因子，p表示滤波器阶数，fc表示GT滤波器的中心频率，是相移，B表示脉冲响应的持续时间；计算每个子带的能量，表示为Ej；步骤二四：应用对数函数和离散余弦变换对对数压缩滤波器输出进行去相关，伽马通倒谱系数GTCC计算公式如下： 其中，V代表伽马通滤波器的数量，i∈{1，2，...，13}；步骤二五：获得13维伽马通倒谱系数后，将第2维-第6维伽马通倒谱系数组合构建一个复合矩阵Hf：Hf＝[NGTCC2，...，NGTCC6]其中，N.表示统一量化伽马通倒谱系数的归一化函数；步骤二六：依据线性回归模型，推导构建一个转换矩阵Pf，将第2维-第6维伽马通倒谱系数融合为一维的倒谱信息系数CIC： 其中，.T和.-1分别表示转置运算和求逆运算，Df是所有元素均为1的5*5保护矩阵，Sf表示一个5*1单位向量矩阵；步骤三：依据步骤二获得的倒谱信息系数CIC的时域特性和三倍标准差法则，构建钢轨裂纹检测阈值，准确识别伤损信息，实现钢轨裂纹声发射信号检测，具体步骤如下：步骤三一：计算倒谱信息系数CIC的标准差SCIC： 其中，Ci2代表第i2个CIC，i2∈[1，fn]，表示fn帧倒谱信息系数CIC的平均值；步骤三二：构建钢轨裂纹检测阈值Thr： 步骤三三：依据检测阈值Thr，建立钢轨裂纹检测标准： 其中，R代表最终裂纹检测结果，当R＝1时，代表该倒谱信息系数对应的声发射信号属于伤损信号，即此时车轮恰好经过钢轨表面伤损处，反之，当R＝0时，则表示该倒谱信息系数对应的声发射信号属于噪声信号。

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