一种基于迭代信号空间的叶端定时信号参辨识方法

本发明涉及欠采样信号处理，具体涉及一种基于迭代信号空间的叶端定时信号参辨识方法。

背景技术：

1、结构健康检测对于确保重大装备的安全运转并及时发现隐藏的损伤具有重要的实际意义。转子叶片作为航空发动机及燃气轮机中的重要部件，往往由于处于高温、高压等工作条件下发生疲劳损伤，造成发动机的失效和巨大的经济损失。叶端定时技术作为一种重要的非接触叶片振动测量方法，在转子叶片振动监测领域得到了广泛应用。与传统接触式应变片测量法相比，叶端定时技术能够具有非接触、同时监测同级所有叶片以及可以实现在线监测的特点，逐渐成为转子叶片振动测量的主流方法，受到了国内外学者的广泛关注。

2、叶端定时法采用先进的传感器安装于机匣上，通过记录叶片无振动和有振动时到达传感器的时间并计算两者之间的差值，从而获取叶片的振动位移信息。叶端定时信号采样频率同时取决于传感器的安装数量及叶盘轴的转速。在实际中，由于航空发动机的结构及空间限制，所能安装的传感器数量有限，造成其采样频率难以满足奈奎斯特采样定理，因此叶端定时信号为严重的欠采样信号，使频率等振动参数提取带来了困难，造成基于固有频率的转子叶片故障诊断难以开展。目前，已提出的叶端定时信号处理算法，如“5+2”方法、子空间理论等，往往需要特定数量和布局的传感器且需要一定的先验信息。因此，本领域亟需一种高效的叶端定时高度欠采样信号振动参数辨识方法。

3、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提出一种基于迭代信号空间的叶端定时信号参数辨识方法，能够在高度欠采样条件下准确提取叶片的固有频率及幅度信息，将为叶片的健康监测提供有力的技术支持。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于迭代信号空间的叶端定时信号参数辨识方法，包括如下步骤：

4、步骤s100中，在机匣上安装多个叶端定时传感器，获取转子叶片的实际到达时间采用opr传感器记录叶盘转动时每圈的起始时间，以获取叶片的转速信息；通过各叶片与各传感器之间的安装角度及转速信息计算叶片的理论到达时间

5、步骤s200中，计算叶片实际到达时间与理论到达时间的差值，并根据叶片的长度和转速，将时间差值转换为叶端的振动位移数据；所述振动位移数据为一维向量位移数据；

6、步骤s300中，对所述一维向量位移数据进行多次截取，每次截取的数据作为信号矩阵的列向量，从而形成位移信号矩阵；

7、步骤s400中，求适应于所述位移信号矩阵范围的一组标准正交基，并由这组标准正交基张成信号空间，正交基中向量个数等于唯一信号矩阵的秩；

8、步骤s500中，构建信号感知字典d，在迭代过程中，度量感知字典d中各原子与信号空间的相关性实现频率提取，进而估计系数矩阵，并计算此轮迭代的残差矩阵用于更新信号空间进而实现欠采样叶端定时信号的参数辨识。

9、所述的方法中，步骤s100中，和分别表示第i个叶片在实际运行中有振动和无振动情况下，在第j圈到达第p个传感器的实际时间和理论时间；实际到达时间利用多个叶端定时传感器采集；

10、且其中θi,p为第i个与第p个传感器的初始夹角。

11、所述的方法中，叶端定时采样频率为传感器数量与转速的乘积。

12、所述的方法中，采用的叶端定时传感器为光纤传感器，opr传感器为电容传感器。

13、所述的方法中，根据叶盘的转速fr和叶片长度r以及理论到达时间和实际到达时间的差值计算叶端振动位移，表达式为：

14、所述的方法中，步骤s300中，对所述一维向量位移数据将所采集的叶片振动位移信号采用窗函数周期性截断的方式构建多测量向量信号矩阵，每次截取信号长度为m，作为位移信号矩阵的列向量，截取q次，则位移矩阵y为m×q的矩阵，相邻向量存在重复数据点，位移信号矩阵中向量的长度等于传感器数量的整数倍，截断窗平移量为传感器数量的整数倍；从几何上而言，所观测数据为子空间级的振动数据，而非单个的位移数据。。

15、所述的方法中，步骤s400中，在后续参数辨识过程中，位移信号矩阵会不断更新，从而形成的适应于矩阵范围的一个标准正交基同步更新；

16、步骤s500中，在第n次迭代过程中，原子的选择方法为：

17、

18、其中，du为感知字典的第u列，u＝1,2,3…，t[n]是前n次迭代过程所选择出的原子在感知字典d中的索引集，||·||2为求矩阵的2-范数。

19、步骤s500中，在第n次代过程中完成相关性最大原子选择后，根据最小二乘法对系数矩阵进行估计：

20、

21、其中：表示伪逆；表示由索引集为t[n]的原子组成的字典。

22、第n次迭代过程中，所采用的信号空间时适应于第(n-1)次迭代过程中的残差矩阵r[n-1]的一个标准正交基，且

23、本发明具有以下有益技术效果：

24、所述方法中，基于迭代信号空间的思想的根本原理在于迭代过程中残差信号矩阵的更新推动适用于信号矩阵的正交基的更新，而正交基中向量的数量始终等于信号所包含的频率成分的数量，因此能够始终在每次过程中保持正确的选择。

25、本发明对传感器的布局没有特定需求，数量在3-5传感器即可实现从严重欠采样的叶端位移数据中提取信号的频率及幅值信息，且运算快速简单，能够为转子叶片的在线实时健康监测提供技术保证。

技术特征：

1.一种基于迭代信号空间的叶端定时信号参数辨识方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，步骤s100中，采用的叶端定时传感器为光纤传感器，opr传感器为电容传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s300中，对所述一维向量位移数据采用窗函数周期性截断的方式构建多测量向量信号矩阵，多测量向量信号矩阵的各向量之间数据存在部分重复使用，获得位移信号矩阵。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s400中，对所述位移信号矩阵进行特征值分解或奇异值分解:

5.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，正交基s各列为向量，s中列向量的个数等于位移信号矩阵y的秩。

6.根据权利要求3中所述的方法，其特征在于，位移信号矩阵中向量的长度等于传感器数量的整数倍，截断窗平移量为传感器数量的整数倍。

7.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤s500中，通过度量感知字典d中各原子与张成信号空间的相关性来辨识转子叶片中所包含的频率成分。

8.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤s500中，在第n次迭代过程中，原子的选择方法为：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤s500中，在第n次代过程中完成相关性最大原子选择后，根据最小二乘法对系数矩阵进行估计：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，第n次迭代过程中，所采用的信号空间时适应于第(n-1)次迭代过程中的残差矩阵r[n-1]的一个标准正交基，且

技术总结本发明提供一种基于迭代信号空间的叶端定时信号参数辨识方法，获取转子叶片实际到达时间及叶片理论到达时间；计算两者差值并根据叶片长度和转速，获得叶端的振动位移数据；所述振动位移数据为一维向量位移数据；对所述一维向量位移数据进行多次截取，以获得位移信号矩阵Y；求适应于所述位移信号矩阵范围的一组标准正交基，并张成信号空间；构建信号感知字典D，度量感知字典D中各原子与信号空间的相关性实现频率提取，进而估计系数矩阵，并计算此轮迭代的残差矩阵用于更新信号空间进而实现欠采样叶端定时信号的参数辨识。本发明对传感器的布局没有特定需求，可实现从严重欠采样的叶端位移数据中提取信号的频率及幅值信息，且运算快速简单。技术研发人员：杨志勃,赵玉柱,陈雪峰,乔百杰,吴淑明,孙若斌受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29