[发明专利]一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法

说明书

一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，属于光纤传感中的信号处理领域。本方法首先对光纤光栅应变传感器所采集到的损伤信号进行预处理，剔除信号中的异常值与噪声，并截取得到用于包络提取的信号部分；利用极值法提取信号中的所有波峰、波谷以构造信号的上、下包络线；上、下包络线相减，消除温度变化对光纤光栅应变传感器所造成的影响，得到极值包络线；对得到的极值包络线进行三次样条插值，还原为原始信号的长度，得到比较粗糙的包络线；最后利用小波分解提取粗糙包络线中的低频信号，得到信号包络线。本发明适用于探伤监测等领域，对含有大量数据且采样频率较高的信号快速提取包络线，并保持原始信号的变化趋势，为后续损伤监测提供依据。

技术领域

本发明涉及一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，属于光纤传感中的信号处理领域。

背景技术

光纤光栅传感器是一种新型传感器，具有质量轻、体积小、抗电磁干扰等优点，在航空航天结构健康监测、大型土木建筑健康监测等领域应用广泛。在光纤光栅传感系统中，宽带光源发出的光通过光纤耦合器入射到光纤光栅传感器的光栅中，符合条件的光会被反射回来。当被测物体出现裂纹时，其表面的应力应变分布会发生变化，从而导致反射光的中心波长发生变化，对信号包络线的变化趋势产生较大影响。所以通过对信号包络线变化趋势的分析就可以实现对裂纹的监测。

在基于小波包和Hilbert包络谱分析的设备故障特征提取方法的专利中提出了一种利用小波包变换和Hilbert提取输变电设备信号包络谱的方法，通过分析包络谱得到了输变电设备的故障特征，但是在长期的光纤光栅传感损伤监测中，光纤光栅传感器所采集的数据量过大，采样频率较高，使得希尔伯特变换或小波变换无法提取比较理想的包络线，此方法就无法使用。同时由于在裂纹萌生的初始阶段信号没有剧烈的变化，所以提取的包络线需要尽可能的保持原始信号的变化趋势，需要以信号的峰值、谷值为基础提取包络线。在一种基于极点构造低通滤波器的信号包络提取方法和装置专利与一种基于插值拟合的频谱包络提取方法专利中，虽然也通过极值提取的方法得到了信号的包络线。但是这些方法在提取极值前需要对信号进行变换处理。当数据量较大时，这些变换需要大量的时间，降低了监测效率。

发明内容

针对现有方法在提取大量数据的包络时存在的效率低及包络线不理想的问题，本发明的主要目的是提出一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，实现对含有大量数据且采样频率较高的信号进行快速提取包络线，并有效的保持原始信号的变化趋势。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，首先对光纤光栅应变传感器所采集到的损伤信号进行预处理，剔除信号中的异常值与噪声，并截取得到用于包络提取的信号部分；利用极值法提取信号中的所有波峰、波谷以构造信号的上、下包络线；上、下包络线相减，消除温度变化对光纤光栅应变传感器所造成的影响，得到极值包络线；对得到的极值包络线进行三次样条插值，还原为原始信号的长度，得到比较粗糙的包络线；最后利用小波分解提取粗糙包络线中的低频信号，得到信号包络线，达到快速提取包络线，有效的保持原始信号的变化趋势的目的。

本发明公开的一种用于光纤传感损伤监测的包络提取方法，包括以下步骤：

步骤1.利用箱线图法剔除光纤光栅传感器所采集信号中的异常值。

①将信号中的数据由小到大排序，得到新的数据集Xi；

②计算数据集Xi的四分位数Q₁、Q₂(中位数)、Q₃；

③计算四分位距IQR＝Q₃-Q₁；

④计算箱线图的上须A＝Q₃+1.5*IQR、下须B＝Q₁-1.5*IQR；