張 平, 張小棟, 董曉妮, 賀利樂, 牛 杭
(1.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安,710055) (2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 西安,710049)
自調(diào)整復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波算法及應(yīng)用*
張 平1,2, 張小棟2, 董曉妮2, 賀利樂1, 牛 杭2
(1.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安,710055) (2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 西安,710049)
針對(duì)反射式光纖位移傳感器拾取的潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)中的脈沖和隨機(jī)噪聲干擾,提出一種自調(diào)整復(fù)合級(jí)聯(lián)數(shù)學(xué)形態(tài)濾波算法。采用三角結(jié)構(gòu)元素和半圓結(jié)構(gòu)元素,通過開閉和閉開組合濾波及串聯(lián)構(gòu)造了復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波算法。仿真結(jié)果表明,復(fù)合級(jí)聯(lián)濾波算法可提高信號(hào)的信噪比。針對(duì)傳統(tǒng)形態(tài)濾波方法結(jié)構(gòu)元素寬度隨機(jī)選取造成濾波后信號(hào)信噪比低的問題,通過在不同采樣頻率情況下對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行濾波仿真計(jì)算,提出一種結(jié)構(gòu)元素參數(shù)自調(diào)整選取方法。仿真實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)際潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)濾波處理結(jié)果表明,自調(diào)整復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波算法可有效濾除信號(hào)中的脈沖干擾和隨機(jī)噪聲干擾。
光纖; 潤(rùn)滑膜; 形態(tài)濾波; 結(jié)構(gòu)元素
利用雙圈同軸式光纖位移傳感器進(jìn)行潤(rùn)滑膜厚度的動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí),由于潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)、氣泡等因素的影響,使得信號(hào)中存在脈沖噪聲和隨機(jī)噪聲[1-2],影響潤(rùn)滑膜厚度檢測(cè)結(jié)果。經(jīng)典的消噪方法是采用模擬濾波器或者數(shù)字濾波器,其中數(shù)字濾波器最為常用,但是當(dāng)干擾噪聲的頻率與信號(hào)的頻率有交叉時(shí),這種方法不能有效地將噪聲與有用信號(hào)分離開來。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是基于隨機(jī)集論和積分幾何建立起來的有別于基于時(shí)域、頻域分析的數(shù)學(xué)方法。在解決信號(hào)中因有用頻率與噪聲頻率有交叉而難以分離的問題上,基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的消噪濾波方法只有加減法和取極值計(jì)算,不涉及乘除法[3],具有物理意義明確、算法簡(jiǎn)便、實(shí)用有效等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)最初的應(yīng)用范圍是在二值圖像、灰度圖像等圖像處理領(lǐng)域,近年來逐漸引用到一維信號(hào)處理領(lǐng)域,在電力系統(tǒng)[4]、語音[5]、腦電[6]以及振動(dòng)信號(hào)處理[3,7-9]等領(lǐng)域中得到了逐步應(yīng)用。傳統(tǒng)的形態(tài)濾波算法僅通過開閉和閉開的級(jí)聯(lián)運(yùn)算對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,并不能有效消除潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)中的脈沖噪聲和隨機(jī)噪聲,同時(shí),其結(jié)構(gòu)元素參數(shù)選擇的隨機(jī)性也影響濾波效果[10]。因此,提出一種結(jié)構(gòu)元素參數(shù)自調(diào)整的復(fù)合級(jí)聯(lián)式形態(tài)濾波算法對(duì)潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)進(jìn)行濾波。
數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算包括腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算,以及在此基礎(chǔ)上構(gòu)造的開運(yùn)算和閉運(yùn)算,其基本運(yùn)算的定義[7]如下。
設(shè)原始目標(biāo)信號(hào)f(n)為定義在F=(0,1,…,N-1)上的離散函數(shù),結(jié)構(gòu)元素g(n)為G=(0,1,…,M-1)上的離散函數(shù),且N>M,f(n)關(guān)于g(n)的腐蝕運(yùn)算(Θ)和膨脹運(yùn)算(?)分別定義為

(1)

(2)
其中:m∈0,1,…,M-1。
f(n)關(guān)于g(n)的形態(tài)學(xué)開運(yùn)算(°)和閉運(yùn)算(·)分別為

(3)

(4)
開運(yùn)算使目標(biāo)信號(hào)輪廓光滑,并去掉信號(hào)中的毛刺和孤立點(diǎn),起到抑制信號(hào)中的峰值(正脈沖)噪聲的作用;閉運(yùn)算則填平信號(hào)中的小溝,彌合信號(hào)的孔洞和裂縫,起到濾除信號(hào)中的低谷(負(fù)脈沖)噪聲的作用。將開、閉運(yùn)算進(jìn)行組合,可以對(duì)信號(hào)中的正負(fù)脈沖進(jìn)行補(bǔ)償濾波。Maragos[11-12]采用相同尺寸的結(jié)構(gòu)元素,通過不同順序級(jí)聯(lián)開、閉運(yùn)算,定義了形態(tài)開閉和閉開濾波器
(5)
(6)
其中:FO C(f(n))為開閉濾波信號(hào);FC O(f(n))為閉開濾波信號(hào)。
為了消除單一形態(tài)開閉或者閉開濾波所帶來的統(tǒng)計(jì)偏倚現(xiàn)象,筆者采用式(7)所示的開閉和閉開組合形態(tài)濾波器[13]
(7)
具有“探針”作用的結(jié)構(gòu)元素形狀的選取或者設(shè)計(jì)會(huì)直接影響濾波的效果,因此,需根據(jù)不同的濾波要求進(jìn)行形態(tài)濾波器結(jié)構(gòu)元素的選取,以達(dá)到滿意的濾波效果。潤(rùn)滑膜信號(hào)中主要包含脈沖噪聲和隨機(jī)噪聲。研究表明,三角結(jié)構(gòu)元素適合濾除脈沖噪聲干擾,半圓形結(jié)構(gòu)元素適合濾除隨機(jī)噪聲干擾[13-14]。三角和半圓形結(jié)構(gòu)元素的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為
(8)
(9)
其中:As為結(jié)構(gòu)元素高度;Ls為結(jié)構(gòu)元素寬度。
因此,針對(duì)潤(rùn)滑膜信號(hào)中的脈沖噪聲和隨機(jī)噪聲,筆者提出采用復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波方法,即先以三角形作為結(jié)構(gòu)元素構(gòu)造形態(tài)學(xué)濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波,得到的濾波信號(hào)再通過半圓形結(jié)構(gòu)元素構(gòu)造的形態(tài)學(xué)濾波器進(jìn)行濾波,即先選擇三角結(jié)構(gòu)元素,通過式(7)對(duì)潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)f(n)進(jìn)行濾波,得到濾波信號(hào)ys(n);再選擇半圓結(jié)構(gòu)元素,通過式(7)對(duì)ys(n)進(jìn)行處理,得到最終的潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)。其濾波過程如下

(10)

(11)
為了驗(yàn)證復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波算法的有效性,進(jìn)行以下仿真實(shí)驗(yàn)。
設(shè)原始信號(hào)為頻率50 Hz、幅值10的正弦波
x(t)=10sin(2π50t)
(12)
在原始信號(hào)中增加強(qiáng)度為15的正負(fù)脈沖干擾以及均值為0、方差為1的隨機(jī)噪聲,生成圖1所示的仿真信號(hào)波形。
采用結(jié)構(gòu)元素高度為10、結(jié)構(gòu)元素寬度為5的單一級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波器和復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波器,分別對(duì)加入噪聲干擾后的信號(hào)進(jìn)行濾波。單一級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波器采用的結(jié)構(gòu)元素為三角結(jié)構(gòu)元素,復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波器采用三角結(jié)構(gòu)元素和半圓形結(jié)構(gòu)元素。經(jīng)形態(tài)降噪濾波后的信號(hào)時(shí)域波形如圖2所示。

圖1 加入噪聲干擾后的仿真信號(hào)波形Fig.1 Waveform of simulating signal with noise

圖2 復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波降噪后的信號(hào)波形Fig.2 Filtered signal waveform with composite cascade morphology filter
由圖2可以看出,經(jīng)復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波后,信號(hào)中的脈沖噪聲干擾和隨機(jī)噪聲干擾得到了很好的抑制。為了進(jìn)一步說明形態(tài)濾波效果,可通過式(13)計(jì)算信號(hào)的信噪比
SNR=10lg(Py/Pn)
(13)
其中:Py為濾波降噪后的信號(hào)功率;Pn為干擾噪聲功率。
噪聲信號(hào)由加噪聲后的仿真信號(hào)減去原始信號(hào)得到,由此來計(jì)算干擾噪聲功率。
根據(jù)式(13)計(jì)算,經(jīng)過單一級(jí)聯(lián)濾波的信號(hào)信噪比為42.561,而經(jīng)過復(fù)合級(jí)聯(lián)濾波的信號(hào)信噪比為43.516。表1為隨機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差不同時(shí),采用不同濾波方法濾波得到信號(hào)的信噪比。由表1可以看出,在不同強(qiáng)度的隨機(jī)噪聲干擾下,復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波器濾波后的信號(hào)信噪比都比單一級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波器濾波后的信號(hào)信噪比大。

表1 不同形態(tài)濾波方法的信號(hào)信噪比
對(duì)于形態(tài)學(xué)濾波器來說,在結(jié)構(gòu)元素形狀確定的情況下,結(jié)構(gòu)元素寬度是影響濾波效果的關(guān)鍵因素[10]。
對(duì)于連續(xù)的結(jié)構(gòu)元素,其寬度即為結(jié)構(gòu)元素的時(shí)間跨度。采集的目標(biāo)信號(hào)為離散信號(hào),在選取結(jié)構(gòu)元素寬度時(shí),除了考慮信號(hào)本身的頻率外,還必須考慮采樣頻率的影響。為此,筆者通過選取不同結(jié)構(gòu)元素寬度、不同采樣頻率對(duì)含噪聲的頻率不同的仿真信號(hào)進(jìn)行濾波實(shí)驗(yàn),以確定結(jié)構(gòu)元素寬度。
在式(12)和式(14)正弦信號(hào)的基礎(chǔ)上,增加強(qiáng)度為15的正負(fù)脈沖干擾以及均值為0、方差為1的隨機(jī)噪聲,分別生成加噪仿真信號(hào)1和2
x(t)=10sin(2π25t)
(14)
圖3為采樣頻率取1 024,2 048和4 096 Hz時(shí)兩個(gè)仿真信號(hào)濾波后的信噪比隨著結(jié)構(gòu)元素寬度變化的曲線。由圖3可以看出,對(duì)于不同的采樣頻率,濾波信號(hào)的信噪比都是隨著結(jié)構(gòu)元素寬度的增大先增加,再有一段平坦區(qū),其信噪比變化不大;之后隨著結(jié)構(gòu)元素寬度的增大,信噪比減小。針對(duì)仿真信號(hào)1,隨著采樣頻率的增大,分別在結(jié)構(gòu)元素寬度為5,10,20時(shí)取得比較滿意的信噪比;針對(duì)仿真信號(hào)2,隨著采樣頻率的增大,分別在結(jié)構(gòu)元素寬度為10,20,40時(shí)取得比較滿意的信噪比。在采樣頻率相同的情況下,隨著信號(hào)頻率的增大,結(jié)構(gòu)元素寬度減小時(shí)才能取得比較滿意的濾波效果。
從上述仿真結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)元素寬度取值不能隨機(jī)選取,必須基于1倍頻和采樣頻率才能取得滿意的濾波效果。根據(jù)上述數(shù)值仿真結(jié)果,筆者提出一種自調(diào)整結(jié)構(gòu)元素寬度取值方法
Ls≈Fs/4f0
(15)
其中:Fs為信號(hào)的采樣頻率;f0為信號(hào)的1倍頻。
計(jì)算結(jié)果取整即為結(jié)構(gòu)元素寬度。由式(15)可以看出,針對(duì)含脈沖噪聲和隨機(jī)噪聲的正弦信號(hào)濾波,結(jié)構(gòu)元素寬度在時(shí)域上為其1/4波形的時(shí)間跨度時(shí),可以取得滿意的濾波效果,避免了傳統(tǒng)形態(tài)濾波方法結(jié)構(gòu)元素寬度隨機(jī)選取造成的濾波后信號(hào)信噪比低的缺點(diǎn)。

圖3 結(jié)構(gòu)元素寬度不同時(shí)的信噪比Fig.3 SNR with different structural element width
在如圖4所示的單跨轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)取圓軸承潤(rùn)滑膜厚度信號(hào),轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)見表2。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子兩端由圓柱形滑動(dòng)軸承支承,轉(zhuǎn)子由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),傳感器采用文獻(xiàn)[2]中所設(shè)計(jì)的光纖傳感器。

圖4 潤(rùn)滑膜厚度測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Testing rig of lubricating film thickness
表2 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)
Tab.2 Parameter of rotor rig

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)子跨度/mm600軸承寬度/mm45轉(zhuǎn)子直徑/mm29.918半徑間隙/μm46圓盤質(zhì)量/kg30.21相對(duì)間隙/‰3
實(shí)驗(yàn)過程中,通過變頻器將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速調(diào)整到1 800 r/min,同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集器CBOOK2000E的上位機(jī)程序?qū)⒉蓸宇l率設(shè)置為1 024 Hz,采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為1 024。通過數(shù)據(jù)采集,最終獲得潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)。
在離線處理數(shù)據(jù)時(shí),復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)濾波器的結(jié)構(gòu)高度取值為5,根據(jù)式(15)結(jié)構(gòu)元素寬度取值方法,取結(jié)構(gòu)寬度為8。為了進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)元素寬度時(shí)的形態(tài)濾波效果對(duì)比,分別取形態(tài)學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)元素寬度為4,8和16,對(duì)原始潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)進(jìn)行濾波。圖5為未處理的A測(cè)點(diǎn)潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)波形,圖6為經(jīng)復(fù)合級(jí)聯(lián)形態(tài)學(xué)濾波器濾波后的信號(hào)波形。

圖5 轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)測(cè)點(diǎn)A潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)時(shí)域波形Fig.5 Testing position A signal waveform of lubricating film thickness in time domain with 1 800 r/min

圖6 經(jīng)濾波后測(cè)點(diǎn)A潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)時(shí)域波形Fig.6 testing position A filtered signal waveform of lubricating film thickness
由圖5可以看出,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí),測(cè)點(diǎn)A油膜厚度信號(hào)中含有明顯的噪聲。
由圖6可以看出,結(jié)構(gòu)元素寬度為4時(shí),濾波后的潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)仍然有較明顯的噪聲;結(jié)構(gòu)元素寬度為16時(shí),濾波后的信號(hào)波形失真,特別是采樣起始點(diǎn)的相位發(fā)生了非常明顯的變化;根據(jù)式(15)結(jié)構(gòu)元素寬度選取方法,取結(jié)構(gòu)元素寬度為8時(shí),濾波后潤(rùn)滑膜厚度信號(hào)的脈沖噪聲和隨機(jī)噪聲得到很好抑制。對(duì)濾波后測(cè)點(diǎn)A信號(hào)求均值,得測(cè)點(diǎn)A油膜厚度為55 μm。
從上述仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)元素寬度選取過小,不能有效濾除信號(hào)中的噪聲;而結(jié)構(gòu)元素寬度選取過大,則容易造成波形失真、相位失真。只有根據(jù)采樣頻率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速選取合適的結(jié)構(gòu)元素寬度,才能取得比較滿意的濾波效果。
針對(duì)反射式光纖位移傳感器測(cè)量獲得的滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑膜信號(hào)的脈沖噪聲干擾和隨機(jī)噪聲干擾,筆者提出一種自調(diào)整復(fù)合級(jí)聯(lián)數(shù)學(xué)形態(tài)濾波算法對(duì)其進(jìn)行處理。與傳統(tǒng)的形態(tài)濾波算法相比,該濾波算法可有效濾除信號(hào)中的脈沖噪聲和隨機(jī)噪聲,并能避免因結(jié)構(gòu)元素參數(shù)隨機(jī)選取所造成信號(hào)信噪比低的問題。
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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.03.009
*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405366)
2014-11-13;
2014-12-29
TH113.2+1
張平,男,1980年5月生,博士、講師。主要研究方向?yàn)楣饫w檢測(cè)技術(shù)、機(jī)械故障診斷、工程機(jī)械機(jī)電液一體化。曾發(fā)表《證據(jù)熵在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用》(《振動(dòng)、測(cè)試與診斷》2010年第30卷第1期)等論文。 E-mail:zp-80@163.com