或者趨勢按照頻率由高到低的次序依次分解開來，從而得到原始檢測信號的若干個本 征模態(tài)分量IMF;此時，再對這些本征模態(tài)分量進行希爾伯特變換，就可以得到原始信號中 的瞬時頻率及其幅值，從而得到原始信號的邊際譜。
[0088]信號分析過程1一一經驗模態(tài)分解：
[0089] 利用EMD分解算法，對任意信號x(t)進行"篩分"的過程如下：
[0090] (a)求取檢測信號的所有極大值點和極小值點，并利用三次樣條函數進行擬合以 得到信號x(t)的上、下包絡線;其中，為保留原始信號的自身特性，局部極大值既要大于前 一時刻的值也要大于后一時刻的值，同理，局部極小值既要小于前一時刻的值也要小于后 一時刻的值。
[0091] (b)計算信號上、下包絡線的均值nu(t)，然后求原始信號x(t)與包絡線均值nu(t) 的差值hi，即
[0092] hi = x(t)-mi(t)
[0093] (c)判斷In是否已經滿足頂F的定義條件：如果In已經滿足頂F定義，則認為In為檢 測信號的第一個本征模態(tài)函數;若hi不滿足IMF的定義，則將其作為原始數據并重復步驟 (a)，直到得到的b滿足頂F的定義為止。令原始信號x(t)的第一個頂F分量即imflS C1，則C1 即為原始信號中最高頻率的經驗模態(tài)分量。
[0094] ci = hi
[0095] (d)從原始信號x(t)中將C1*離出來，則得到剔除imfl的差值信號r 1:
[0096] ri = x(t)-ci
[0097] 把差值信號^當作原始信號再重復進行步驟(a)~(c)的處理，得到信號x(t)的第 2、3、…、η個頂F分量Ci(t)，再依次求取差值信號η，即
[0098]
[0099]若仏是單調函數并且從中不能再提取滿足頂F條件的分量時，則認為信號的EMD分 解過程結束，且信號x(t)可以表示成經驗模態(tài)分量Cl與殘余函數rn的疊加形式，即
[0100]
z=i
[0101] 其中，參與函數rn是單調函數或常數，代表信號的趨勢項，而各個經驗模態(tài)分量Cl、 Cf_、Cn代表原始信號中頻率由高到低的模態(tài)分量，其包含了信號中從高到低不同頻率段 的固有振動模態(tài)。
[0102] 信號分析過程2-一希爾伯特變換：
[0103] 對經過上述EMD分解得到的各頂F分量進行希爾伯特變換，即原始信號x(t)就可以 表不成：
[0104]
[0105] 檢測信號的瞬時振幅在頻率及時間平面可記作：
[0106]
[0107] 在Hilbert譜的基礎上可進一步得到Hilbert邊際譜Η( ω )的定義：
[0108]
[0109]其中，1表示檢測信號數據序列的長度;Η(ω)表示在整個時間域上，檢測信號中每 一個頻率成分所占的累積幅度;Η( ω，t)表示檢測信號的幅度隨頻率、時間的變化規(guī)律。 [0110]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對 本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可 以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā) 明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【主權項】
1. 一種基于運營車輛的鋼軌核傷檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括： 加速度傳感器，根據車輛運行過程中的振動產生轉向架的橫向、垂向加速度信號； 信號采集及預處理單元，以固定的采樣頻率采集橫向、垂向加速度信號并進行預處理， 產生各采樣時刻的待檢測信號； 信號處理單元，對各采樣時刻的待檢測信號依次進行時域特征值分析識別鋼軌核傷、 連續(xù)小波分析識別鋼軌核傷和經驗模態(tài)分解識別鋼軌核傷，得到最終判定存在鋼軌核傷的 待檢測信號。2. 根據權利要求1所述的基于運營車輛的鋼軌核傷檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述信號采 集及預處理單元對采集到的橫向、垂向加速度信號進行預處理包括:對采集到的橫向、垂向 加速度信號進行隔離處理、模數轉換和數字濾波。3. 根據權利要求1所述的基于運營車輛的鋼軌核傷檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處 理單元包括： 信號時域特征值分析模塊，對各采樣時刻的待檢測信號進行時域特征值分析識別鋼軌 核傷，得到初步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號； 信號連續(xù)小波分析模塊，對初步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號進行連續(xù)小波分析識 別鋼軌核傷，得到第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號； 信號經驗模態(tài)分解模塊，對第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號進行信號經驗模態(tài) 分解，得到最終判定存在鋼軌核傷的待檢測信號。4. 一種基于運營車輛的鋼軌核傷檢測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： 51、 利用加速度傳感器根據車輛運行過程中的振動產生轉向架的橫向、垂向加速度信 號； 52、 以固定的采樣頻率采集橫向、垂向加速度信號并進行預處理，產生各采樣時刻的待 檢測信號； 53、 對各采樣時刻的待檢測信號依次進行時域特征值分析識別鋼軌核傷、連續(xù)小波分 析識別鋼軌核傷和經驗模態(tài)分解識別鋼軌核傷，得到最終判定存在鋼軌核傷的待檢測信 號。5. 根據權利要求4所述的基于運營車輛的鋼軌核傷檢測方法，其特征在于，步驟S2中的 預處理進一步包括:對采集到的橫向、垂向加速度信號進行隔離處理、模數轉換和數字濾 波。6. 根據權利要求4所述的基于運營車輛的鋼軌核傷檢測方法，其特征在于，步驟S3進一 步包括如下子步驟： 53.1、 對各采樣時刻的待檢測信號進行時域特征值分析識別鋼軌核傷，得到初步判定 存在鋼軌核傷的待檢測信號； 53.2、 對初步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號進行連續(xù)小波分析識別鋼軌核傷，得到 第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號； 53.3、 對第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號進行信號經驗模態(tài)分解，得到最終判 定存在鋼軌核傷的待檢測信號。7. 根據權利要求6所述的基于運營車輛的鋼軌核傷檢測方法，其特征在于，步驟S3.1進 一步包括如下子步驟： 53.1、 1、計算待檢測信號的時域特征值，所述時域特征值包括平均值、峰值和有效值； S3.1.2、將待檢測信號的時域特征值與時域特征值閾值比較，若待檢測信號的時域特 征值中至少有一項數值超過該數值的閾值，則判定待檢測信號存在鋼軌核傷，得到初步判 定存在鋼軌核傷的待檢測信號。8. 根據權利要求6所述的基于運營車輛的鋼軌核傷檢測方法，其特征在于，步驟S3.2進 一步包括如下子步驟： 53.2.1、 對數據庫中已知存在核傷故障的轉向架的橫向、垂向加速度信號和正常鋼軌 的轉向架的橫向、垂向加速度信號同時進行連續(xù)小波分析，通過對比，獲得核傷故障信號的 故障特征頻帶； 53.2.2、 將初步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號的故障特征頻帶內的信號幅值與正常 鋼軌在該頻帶內的閾值比較，若初步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號的在故障特征頻帶內 的幅值超過正常鋼軌在該頻帶內的閾值，則判定初步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號存在 鋼軌核傷，得到第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號。9. 根據權利要求6所述的基于運營車輛的鋼軌核傷檢測方法，其特征在于，步驟S3.3進 一步包括如下子步驟： 53.3.1、 對第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號進行信號經驗模態(tài)分解，得到第二 步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號的各級模態(tài)分量； 53.3.2、 若第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號的高頻第一級模態(tài)分量中存在W型 波動信號，則判定第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號存在鋼軌核傷，得到最終判定存 在鋼軌核傷的待檢測信號。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于運營車輛的鋼軌核傷檢測系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括：加速度傳感器，根據車輛運行過程中的振動產生轉向架的橫向、垂向加速度信號；信號采集及預處理單元，以固定的采樣頻率采集橫向、垂向加速度信號并進行預處理，產生各采樣時刻的待檢測信號；信號處理單元，對各采樣時刻的待檢測信號依次進行時域特征值分析識別鋼軌核傷、連續(xù)小波分析識別鋼軌核傷和經驗模態(tài)分解識別鋼軌核傷，得到最終判定存在鋼軌核傷的待檢測信號。本發(fā)明所述技術方案能夠實現(xiàn)在車輛經過鋼軌時的實時檢測，不受時間的限制，且不存在人工檢測易發(fā)生人為失誤的問題。
【IPC分類】G01N29/46, G01N29/04, G01N29/36
【公開號】CN105510438
【申請?zhí)枴緾N201510873116
【發(fā)明人】魏秀琨, 尹賢賢, 賈利民, 朱明 , 賀延芳, 李卓玥, 申麗, 張曉中, 王騰騰, 呂又冉, 閆冬, 楊杰
【申請人】北京交通大學
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月2日