基于互相關(guān)分析的車(chē)輛消磁信號(hào)自動(dòng)分割方法的研究

劉耐特，李耀仲

（1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于互相關(guān)分析的車(chē)輛消磁信號(hào)自動(dòng)分割方法的研究

劉耐特1，李耀仲2

（1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

車(chē)輛消磁過(guò)程中三分量磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x所記錄的空間磁場(chǎng)數(shù)據(jù)需要按消磁周期進(jìn)行自動(dòng)分割，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)化。以大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在分析空間磁場(chǎng)三分量的相關(guān)性以及函數(shù)積分閾值分割法的基礎(chǔ)上，提出了基于互相關(guān)分析的車(chē)輛消磁信號(hào)自動(dòng)分割方法，自動(dòng)估算合理閾值，判定消磁信號(hào)起止時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜噪聲環(huán)境下消磁測(cè)量數(shù)據(jù)的精確分割。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)用證明了該方法的可行性和有效性。

消磁信號(hào)；互相關(guān)分析；閾值分割；函數(shù)積分

1 引言

在地磁及環(huán)境電磁場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，車(chē)輛會(huì)被磁化形成固定的磁場(chǎng)特征，會(huì)招致磁性探測(cè)和磁敏武器攻擊，對(duì)車(chē)輛消磁可消除該特征，從而提高其生命力[1-3]。目前，車(chē)輛消磁主要由專(zhuān)用消磁車(chē)完成，其消磁系統(tǒng)采用消磁線(xiàn)圈[4]，消磁系統(tǒng)提供脈沖電流以產(chǎn)生車(chē)輛消磁所需的沖擊磁場(chǎng)，使車(chē)體磁性材料中的磁疇處于無(wú)序狀態(tài)，從而達(dá)到車(chē)輛消磁的目的[5]。為評(píng)估消磁作業(yè)系統(tǒng)，需要記錄消磁過(guò)程中的空間磁場(chǎng)分布及變化情況。由于需要消磁的車(chē)輛種類(lèi)多，且同一輛車(chē)需要進(jìn)行多次消磁作業(yè)才能完全消磁，因此，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理與分析。

圖1 所示為同測(cè)點(diǎn)空間磁場(chǎng)三分量（也稱(chēng)X 通道、Y 通道、Z 通道）的實(shí)測(cè)信號(hào)曲線(xiàn)。由圖1 可知，與消磁作業(yè)過(guò)程對(duì)應(yīng)的三段衰減震蕩曲線(xiàn)肉眼清晰可辨，但由于雜亂且明顯的噪聲信號(hào)給自動(dòng)數(shù)據(jù)帶來(lái)了阻礙。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析，需要先按消磁作業(yè)周期將測(cè)量數(shù)據(jù)中的有效信號(hào)段分割出來(lái)。

圖1 消磁站現(xiàn)場(chǎng)三通道消磁信號(hào)

對(duì)于信號(hào)分割方法的探討常見(jiàn)于表面肌電信號(hào)分割、心音信號(hào)分割、語(yǔ)音分割等領(lǐng)域[6-9]。李琳等人[6]在信號(hào)能量閾值分割算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)估算初始能量閾值，利用小波去噪技術(shù)進(jìn)行信號(hào)濾波，同時(shí)根據(jù)分割點(diǎn)特征動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閾值并重新確定分割點(diǎn)方法完成了對(duì)表面肌電信號(hào)的有效分割；郭興明等人[7]基于維奧拉積分方法[8]的原理，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波去噪預(yù)處理，采用結(jié)合香農(nóng)能量改進(jìn)后的維奧拉積分波形方法完成信號(hào)包絡(luò)，并自適應(yīng)選取閾值對(duì)正常和異常心音進(jìn)行分段；呂苗榮等人[9]基于自相關(guān)分段方法，當(dāng)分段長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)捕獲最大自相關(guān)系數(shù)下的分段長(zhǎng)度作為截取長(zhǎng)度完成對(duì)準(zhǔn)周期離心泵振動(dòng)信號(hào)的分割。將上述方法用于圖1 所示的實(shí)測(cè)消磁數(shù)據(jù)時(shí)，都存在準(zhǔn)確率不高、容易誤判及漏判的情況，需要手工干預(yù)，在面對(duì)大量的車(chē)輛消磁數(shù)據(jù)時(shí)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

但經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，上述方法在面對(duì)消磁作業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)的處理效果均不好。針對(duì)上述車(chē)輛消磁信號(hào)具有分段重復(fù)、單段震蕩衰減以及非沖擊磁場(chǎng)段信號(hào)無(wú)效等特性，本文在能量閾值分割方法的基礎(chǔ)上，基于三分量（通道）信號(hào)特征提出一種以互相關(guān)法消除信號(hào)噪聲及低頻成分，并針對(duì)互相關(guān)函數(shù)自動(dòng)獲取閾值并分割的方法。

2 基于互相關(guān)分析的閾值分割方法實(shí)現(xiàn)

2.1 互相關(guān)分析

互相關(guān)分析方法廣泛應(yīng)用于地震波信號(hào)分析[10]、多通道雷達(dá)信號(hào)分析[11]等領(lǐng)域，能有效抑制噪聲、脈沖抖動(dòng)并增強(qiáng)有效信號(hào)。本文所采集的空間磁場(chǎng)三分量為空間正交[12]，具有以下特點(diǎn)：①各通道的測(cè)量數(shù)據(jù)都包含消磁信號(hào)（消磁作業(yè)段為震蕩衰減信號(hào)，其余為偏置直流信號(hào)）和噪聲兩部分；②各通道的消磁信號(hào)都同時(shí)開(kāi)始和結(jié)束；③各通道信號(hào)的互相關(guān)性高。記錄儀記錄狀態(tài)下三通道信號(hào)如圖1 所示。由此，可任取兩通道信號(hào)截取t1-t2時(shí)段原始數(shù)據(jù)序列，分別記為X1、X2。

先消去測(cè)量數(shù)據(jù)中的直流成分：

式（1）中：x1、x2分別為消去直流分量后的序列。

考慮到信號(hào)由沖擊磁場(chǎng)信號(hào)和通道白噪聲疊加合成，不妨令：

式（2）中：si（t）為信號(hào)中消磁信號(hào)；ni（t）為噪聲，i=1，2。

對(duì)序列x1、x2求互相關(guān)函數(shù)可得：

考慮到消磁信號(hào)與噪聲互不相關(guān)，互相關(guān)序列為0，噪聲的互相關(guān)序列也為0，可將（3）式化簡(jiǎn)為：

由此可以看出，兩路在t1-t2時(shí)段內(nèi)作信號(hào)互相關(guān)運(yùn)算后，得到的互相關(guān)序列只與信號(hào)中消磁信號(hào)相關(guān)，與噪聲無(wú)關(guān)?；ハ嚓P(guān)函數(shù)中含周期信號(hào)段幅值大、震蕩效果明顯，噪聲段幅值基本為0。

2.2 基于序列積分的閾值分割

空間磁場(chǎng)三分量同步記錄了消磁作業(yè)中空間磁場(chǎng)在X、Y、Z 三軸方向上的變化。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，通道互相關(guān)序列曲線(xiàn)中，在消磁作業(yè)階段仍為衰減震蕩型，能量集中，信號(hào)幅值逐漸減??；而在非消磁段接近于水平直線(xiàn)，能量和幅值接近于0。因此，如果為互相關(guān)曲線(xiàn)設(shè)定合理閾值，當(dāng)曲線(xiàn)幅值高于閾值時(shí)，判定為消磁作業(yè)結(jié)束。為避免對(duì)不同信號(hào)反復(fù)設(shè)定分割閾值，自適應(yīng)給定分割閾值對(duì)分割效果至關(guān)重要。

本文通過(guò)消磁信號(hào)互相關(guān)函數(shù)f（t）的能量來(lái)確定閾值參數(shù)，f（t）在消磁信號(hào)測(cè)量時(shí)間段0-T 時(shí)間段內(nèi)的能量為：

根據(jù)（5）式求得的序列積分，確定信號(hào)分割閾值為：

首先判斷消磁信號(hào)起始點(diǎn)。為避免將非沖擊磁場(chǎng)段單一峰值識(shí)別為沖擊磁場(chǎng)段起始點(diǎn)，采用定長(zhǎng)滑動(dòng)窗遍歷互相關(guān)數(shù)據(jù)序列，采用窗口起始點(diǎn)幅值與分割閾值比較來(lái)確定分割點(diǎn)。所以，如果：

且之后的連續(xù)k 個(gè)窗口起始點(diǎn)幅值均滿(mǎn)足式（7），即：

則可將ti判定為消磁信號(hào)起始點(diǎn)。然后判斷消磁信號(hào)結(jié)束點(diǎn)，若滿(mǎn)足：

當(dāng)信號(hào)幅值低于閾值小于λ時(shí)，且之后的連續(xù)k 個(gè)窗口起始點(diǎn)幅值均滿(mǎn)足（9）式，即：

則可將ti判定為消磁信號(hào)結(jié)束點(diǎn)，如果不滿(mǎn)足起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的判定條件，則：

式（11）中：△t 為窗口固定長(zhǎng)度。

窗口繼續(xù)滑動(dòng)，直至遍歷整個(gè)信號(hào)。

2.3 消磁信號(hào)分割實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述相關(guān)理論分析，擬定了如圖2 所示的消磁信號(hào)自動(dòng)分割的流程圖，該流程圖主要包括以下幾個(gè)主要步驟：①計(jì)算互相關(guān)序列。分別取同測(cè)點(diǎn)的兩分量數(shù)據(jù)，以固定步長(zhǎng)計(jì)算互相關(guān)序列。②獲取分割閾值。對(duì)互相關(guān)函數(shù)，根據(jù)函數(shù)積分計(jì)算分割閾值λ。③判斷消磁周期起始、結(jié)束時(shí)刻。用定長(zhǎng)滑動(dòng)窗口遍歷整個(gè)互相關(guān)數(shù)據(jù)序列，按閾值判定起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)。④確定分割方案。對(duì)三次不同的互相關(guān)函數(shù)分別獲取分割點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最大組L，避免分割不完全。

圖2 消磁信號(hào)自動(dòng)分割流程圖

為了提高閾值分割準(zhǔn)確率，本分割方法加入了分割閾值自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法。經(jīng)計(jì)算求得的分割閾值λ大小適合與否直接影響分割效果。如果閾值λ偏小，將導(dǎo)致將多段消磁信號(hào)劃分為一段有效信號(hào)；如果閾值λ偏大，將導(dǎo)致部分消磁信號(hào)不能被有效識(shí)別或?qū)味斡行判盘?hào)劃分多段。因此，在自動(dòng)分割過(guò)程中需要對(duì)閾值λ進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使分割出的消磁信號(hào)趨于合理。

根據(jù)初始分割結(jié)果，確定單段沖擊磁場(chǎng)信號(hào)長(zhǎng)度為：

式（12）中：i 為分段序號(hào)，i=1，2，…，K[K=size（L）]。

消磁信號(hào)平均長(zhǎng)度為：

3 仿真與分析

3.1 信號(hào)處理及分割

為了驗(yàn)證本方法有效果，本文考慮了另外2 種典型的分割算法。

首先，采用文獻(xiàn)[6-8]的信號(hào)分割法，對(duì)同樣的實(shí)測(cè)消磁數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，由于該方法所述小波降噪不能消去直流分量，本文選用高通濾波對(duì)消磁信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)圖1 所示X 分量進(jìn)行高通濾波、維奧拉積分特征包絡(luò)，結(jié)果如圖3所示，結(jié)果表明，高通濾波后的信號(hào)能較好地去除噪聲和直流分量并保留其時(shí)頻特性，維奧拉方法可有效地提取濾波后消磁信號(hào)的特征包絡(luò)。

圖3 消磁信號(hào)處理效果圖

其次，考慮文獻(xiàn)[9]給出的分割方法。由于該算法僅適用于周期信號(hào)，分割前需預(yù)設(shè)分段信號(hào)長(zhǎng)度，與本文所述待處理的信號(hào)特征不符，本文不予討論。

最后，采用本文提出的方法對(duì)消磁信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，通道X、Y 兩路信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)圖像如圖3 所示。結(jié)果表明，互相關(guān)函數(shù)圖像能有效地去除非沖擊磁場(chǎng)段噪聲和直流分量，保留消磁信號(hào)特征。相較于濾波信號(hào)，維奧拉包絡(luò)和互相關(guān)分析就能有效地抑制直流分量和噪聲，突出消磁信號(hào)。然而，維奧拉包絡(luò)效果取決于高通濾波效果，維奧拉方法對(duì)部分消磁信號(hào)的包絡(luò)效果極差以至于無(wú)法提取消磁信號(hào)。

根據(jù)上文分析的閾值分割方法，對(duì)三分量數(shù)據(jù)所計(jì)算出的3 個(gè)互相關(guān)序列，依次確定消磁信號(hào)的起始點(diǎn)和結(jié)束，并以分割點(diǎn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的一組作為最終的消磁信號(hào)。對(duì)實(shí)測(cè)消磁信號(hào)圖1 的分割處理結(jié)果如圖4 所示。

3.2 實(shí)際應(yīng)用與結(jié)果分析

本文選取了32 組實(shí)測(cè)消磁數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試與驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)人工分辨，確定了上述數(shù)據(jù)中的總有效消磁信號(hào)的分段數(shù)為110 組。依次采用高通濾波、維奧拉積分法及本文所述互相關(guān)法進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別處理，結(jié)果如下：采用高通濾波后直接分割的正確分段數(shù)為88，采用維奧拉包絡(luò)的正確分段數(shù)為95，互相關(guān)法的正確分段數(shù)105，分段正確率如表1 所示?；ハ嚓P(guān)分析的分段正確率達(dá)到了95.5%，比高通濾波、維奧拉積分法有極大的提高。

圖4 基于互相關(guān)的三通道消磁信號(hào)分割效果

表1 消磁信號(hào)分段的正確率

4 結(jié)論

對(duì)復(fù)雜電磁噪聲環(huán)境中消磁過(guò)程空間磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的分割問(wèn)題，對(duì)空間磁場(chǎng)三分量進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算后再處理，能夠極大地削減噪聲和直流分量對(duì)分割的影響。磁場(chǎng)三分量數(shù)據(jù)兩兩組合后再進(jìn)行分割處理，避免了單個(gè)分量上的隨機(jī)噪聲導(dǎo)致信號(hào)分割錯(cuò)誤。結(jié)合基于函數(shù)積分的閾值分割方法，能夠自適應(yīng)估算閾值，自動(dòng)完成對(duì)消磁信號(hào)的分割。與其他分割算法相比，本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了分割參數(shù)設(shè)定與數(shù)據(jù)分割的自動(dòng)化，正確率高，基本不需要人工干預(yù)，大大減輕了人員負(fù)擔(dān)。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.008

2095-6835（2020）13-0020-03

〔編輯：張思楠〕