一种一维构件应力波信号特征向量的择优方法
【专利摘要】本发明属于应力波信号特征向量评价领域，具体涉及一种基于标准偏差和欧氏距离分布熵的一维构件应力波信号特征向量的择优方法。一维构件应力波信号特征向量的择优方法，包括如下步骤：(1)将用于检测一维构件完整性的应力波信号进行处理，提取特征向量；(2)对该特征向量进行基于标准偏差的稳定性评价；(3)对该特征向量进行基于欧氏距离分布熵的可分性评价；(4)对评价结果进行综合分析，进行特征向量的择优。本发明实现了特征向量的择优，基于标准偏差和欧氏距离分布熵的评价方法为应力波信号特征向量的择优提供了新的思路，为后期一维构件的无损检测提高了检测分辨率，并且抗噪性能优良，不占有过多的时间资源。
【专利说明】
一种一维构件应力波信号特征向量的择优方法
技术领域
[0001] 本发明属于应力波信号特征向量评价领域，具体涉及一种基于标准偏差和欧氏距 离分布熵的一维构件应力波信号特征向量的择优方法。
【背景技术】
[0002] 本发明是一维构件无损检测技术的关键部分。一维构件无损检测是应用非常广泛 的技术，特别是在建筑粧基、轴承和锚杆等，以往研究通常在特征向量提取和检测之间忽略 特征向量的评价和择优，难以确定检测结果的影响因素，本发明实现了特征向量的择优，是 一维构件无损检测技术的关键部分。
[0003] 当前应力波信号特征向量的构造通常有两种形式:一维和多维，特征向量的构成 包括信号的幅值、能量(功率谱密度），方差等，用来表征一维构件的完整性信息，特征向量 的性能优劣直接反映在检测结果上。
[0004] 本发明在标准偏差和欧氏距离分布熵的基础上，实现了对一维构件应力波信号特 征向量的评价，进而通过综合分析，实现对特征向量的择优，可以提高无损检测分辨率，并 且抗噪性能优良，不占有过多的时间资源。
【发明内容】
[0005] 为了弥补现有方法的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于标准偏差和欧氏 距离分布熵的一维构件应力波信号特征向量的择优方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] -维构件应力波信号特征向量的择优方法，包括如下步骤：
[0008] (1)将用于检测一维构件完整性的应力波信号进行处理，提取特征向量；
[0009] (2)对该特征向量进行基于标准偏差的稳定性评价；
[0010] (3)对该特征向量进行基于欧氏距离分布熵的可分性评价；
[0011] (4)对评价结果进行综合分析，进行特征向量的择优。
[0012] 所述的一维和多维特征向量：
[0013] -维特征向量为：
[0014] T=[Ti,T2,T2,---,Tn]
[0015] 多维特征向量为： rri FT'-' H71 ill I12 l\n 'rp' 'rp' t.
[0016] T= 21 22 ："。 9 ?? ? rrp rp -rp- _ ml ^ m2- -：mn _
[0017] 对所述的特征向量T进行稳定性评价分析，评价特征向量随干扰因素强度变化而 变化的稳定性，求得特征向量在不同干扰水平下的特征向量的标准偏差;应力波信号的特 征向量的标准偏差为：
[0019] Xj(i)是构造的应力波信号多维特征向量的第j行的第i个样本值，st山是第j行特 征向量的标准偏差，M是特征量的总类数，I是应力波信号多维特征向量的平均标准偏差。
[0020] 应力波信号的特征向量的欧氏距离分布熵为：
[0022]式中&(i)是本文构造的应力波信号多维特征向量的第j行的第i个样本值，S就是 该特征向量的欧式空间，u是该行特征向量的均值向量，即欧式空间中心向量，N是欧式空间 的分段数，N的设置要满足远小于特征向量的列数，ru是每个距离分布中的特征值个数，H (Ph就是多维特征向量的第j行的欧氏距离分布熵，M是特征量的总类数，H(P)是应力波信 号多维特征向量的平均欧氏距离分布熵，即特征向量的可分性评价指标。
[0023]本发明的有益效果在于：
[0024]本发明实现了特征向量的择优，基于标准偏差和欧氏距离分布熵的评价方法为应 力波信号特征向量的择优提供了新的思路，为后期一维构件的无损检测提高了检测分辨 率，并且抗噪性能优良，不占有过多的时间资源。
【附图说明】
[0025]图1为本发明的算法流程图。
[0026]图2为常见应力波信号波形图。
[0027]图3为多种干扰下的应力波信号。
[0028]具体实施措施
[0029] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0030] 本发明具体涉及基于标准偏差和欧氏距离分布熵的评价方法，步骤如下：（1)将用 于检测一维构件完整性的应力波信号进行处理，提取特征向量；（2)对该特征向量进行基于 标准偏差的稳定性评价；（3)对该特征向量进行基于欧氏距离分布熵的可分性评价；（4)对 评价结果进行综合分析，选取综合性能优异的特征向量；（5)评价流程结束。本发明在应力 波信号特征向量的评价上有较好的实际应用价值，并且本发明提出的评价方法抗噪性能优 良，不占有过多的时间资源。算法流程图如图1所示。
[0031] 本发明将用于检测一维构件完整性的应力波信号进行处理，提取特征向量;对该 特征向量进行基于标准偏差的稳定性评价;对该特征向量进行基于欧氏距离分布熵的可分 性评价;对评价结果进行综合分析，选取综合性能优异的特征向量。
[0032]该方法的具体步骤是：
[0033] (1)一维构件的应力波信号如图2所示，其特征向量通常有两种构成形式:一维和 多维：
[0034] 一维特征向量表示如：
[0035] T=[Ti,T2,T2,---,Tn]
[0036] 多维特征向量表示如： T〇. T.。， Tt,
[0037] T= "" ? ? ? ? ? > ??? ? ? T 丁 T1 _ m\ 义 m2 ^ mn
[0038] 特征向量包含多个特征值，表征应力波信号的完整性信息。
[0039] (2)应力波信号在不同噪声干扰下的波形如图3所示，对特征向量T进行稳定性评 价分析，评价特征向量随干扰因素强度变化而变化的稳定性，可以求得特征向量在不同干 扰水平下的特征向量的标准偏差。标准偏差是数据集的分散度的标志，标准偏差越小，特征 向量的稳定性越好;标准偏差越大，则特征向量的稳定性就越差。应力波信号的特征向量的 标准偏差计算如下：
[0041]上式中&(i)是本文构造的应力波信号多维特征向量的第j行的第i个样本值，St山 是第j行特征向量的标准偏差，M是特征量的总类数，也是本文方法构造的多维特征向量的 行数，I是应力波信号多维特征向量的平均标准偏差，即特征向量的稳定性评价指标。I越 小，表示特征向量越稳定;I越大，稳定性越差。
[0042] (3)欧氏距离(Euclideandistance)即欧几里得距离，空间中两点间的欧氏距离在 数值上的大小表示这两点之间真实距离的远近。在多维空间中，常采用欧氏距离来表示该 空间的分离度。一维构件的应力波信号的特征向量是非线性的，每个特征样本对于特征向 量的中心点具有较大的离散性，本文引入欧氏距离分布熵的概念，求特征向量各个元素相 对于该特征向量欧式空间中心向量的欧氏距离，通过参数调整得该特征向量的欧氏距离概 率分布，该欧氏距离概率分布的熵，就是应力波信号特征向量的欧氏距离分布熵，应力波信 号的特征向量的欧氏距离分布熵计算如下：
[0044] 式中&(i)是本文构造的应力波信号多维特征向量的第j行的第i个样本值，S就是 该特征向量的欧式空间，u是该行特征向量的均值向量，即欧式空间中心向量，N是欧式空间 的分段数，N的设置要满足远小于特征向量的列数，ru是每个距离分布中的特征值个数，H (P乃就是多维特征向量的第j行的欧氏距离分布熵，M是特征量的总类数，也是本文方法构 造的多维特征向量的行数，H(P)是应力波信号多维特征向量的平均欧氏距离分布熵，即特 征向量的可分性评价指标。H(P)越小，表示特征向量可分性越好;H(P)越大，可分性越差。
[0045] (4)对两种评价结果进行综合分析，对比不同特征向量的评价结果，进行综合考 虑，选取性能更优异的特征向量，来表征一维构件的缺陷信息，实现特征向量择优的目的。
[0046] 基于标准偏差和欧氏距离分布熵的一维构件应力波信号特征向量评价方法，其具 体步骤如下：
[0047] (1)对原始应力波信号进行预处理，按多种方法提取不同的特征向量。
[0048] (2)对特征向量进行基于标准偏差的稳定性评价，应力波信号的特征向量的标准 偏差计算如下：
[0050] 上式中&(i)是本文构造的应力波信号多维特征向量的第j行的第i个样本值，stdj 是第j行特征向量的标准偏差，M是特征量的总类数，也是本文方法构造的多维特征向量的 行数，I是应力波信号多维特征向量的平均标准偏差，即特征向量的稳定性评价指标。I越 小，表示特征向量越稳定;I越大，稳定性越差。
[0051] (3)对特征向量进行基于欧氏距离分布熵的可分性评价，应力波信号的特征向量 的欧氏距离分布熵计算如下：
[0053] 式中&(i)是本文构造的应力波信号多维特征向量的第j行的第i个样本值，S就是 该特征向量的欧式空间，u是该行特征向量的均值向量，即欧式空间中心向量，N是欧式空间 的分段数，N的设置要满足远小于特征向量的列数，ru是每个距离分布中的特征值个数，H (P乃就是多维特征向量的第j行的欧氏距离分布熵，M是特征量的总类数，也是本文方法构 造的多维特征向量的行数，H(P)是应力波信号多维特征向量的平均欧氏距离分布熵，即特 征向量的可分性评价指标。H(P)越小，表示特征向量可分性越好;H(P)越大，可分性越差。
[0054] (4)对特征向量评价结果进行综合分析，选取性能更优异的特征向量。
[0055]选取分段提取特征量的方法，构造应力波信号的多维特征向量，包括量化信息熵， 能量和方差，其构造如下： ^NHl [NHl NH2 -， NH:
[0056] % - NE - N-E{ NE：^ ，" iVE" NS.2] [iVS2! NS22 NS2n
[0057] 选取常用的基于小波分解的一维特征向量的方法构造一维能量特征向量，构造如 下：
[0058] T2=[E] = [El,E2,E3,-- - ,En]
[0059]对两种特征向量进行稳定性和可分性评价分析，在标准偏差和欧氏距离分布熵两 个方面进行对比，在综合性能方面对特征向量进行择优。并在多种噪声环境下进行检验。本 发明基于标准偏差和欧氏距离分布熵的方法实现了对一维构件应力波信号特征向量的综 合评价，并规范了在稳定性和可分性方面的评价标准，为后期一维构件的无损检测提高了 检测分辨率，并且抗噪性能优良，不占有过多的时间资源，有较好的实际应用价值。
【主权项】
1. 一种一维构件应力波信号特征向量的择优方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将用于检测一维构件完整性的应力波信号进行处理，提取特征向量； (2) 对该特征向量进行基于标准偏差的稳定性评价； (3) 对该特征向量进行基于欧氏距离分布赌的可分性评价； (4) 对评价结果进行综合分析，进行特征向量的择优。2. 根据权利要求1所述的一种一维构件应力波信号特征向量的择优方法，其特征在于： 所述的一维和多维特征向量： 一维特征向量为： T=[Tl，T2，T2，...，Tn] 多维特征向量为：3. 根据权利要求1所述的一种一维构件应力波信号特征向量的择优方法，其特征在于： 对所述的特征向量T进行稳定性评价分析，评价特征向量随干扰因素强度变化而变化的稳 定性，求得特征向量在不同干扰水平下的特征向量的标准偏差;应力波信号的特征向量的 t示准偏単责.Xj(i)是构造的应力波信号多维特征向量的第j行的第i个样本值，St山是第j行特征向 量的标准偏差，M是特征量的总类数，I是应力波信号多维特征向量的平均标准偏差。4. 根据权利要求1所述的一种一维构件应力波信号特征向量的择优方法，其特征在于： 应力波信号的特征向量的欧氏距离分布赌为：巧甲xjU)是本义巧造的应力汲信号多维特征向量的第j行的第i个样本值，S就是该特 征向量的欧式空间，U是该行特征向量的均值向量，即欧式空间中屯、向量，N是欧式空间的分 段数，N的设置要满足远小于特征向量的列数，m是每个距离分布中的特征值个数，H(P)J就 是多维特征向量的第j行的欧氏距离分布赌，M是特征量的总类数，H(P)是应力波信号多维 特征向量的平均欧氏距离分布赌，即特征向量的可分性评价指标。
【文档编号】G06K9/00GK105913043SQ201610289436
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】康维新, 李敬德, 高爽
【申请人】哈尔滨工程大学