基于自适应对数阈值框架分析的局部喘振去噪方法
【专利摘要】本发明涉及基于自适应对数阈值框架分析的局部喘振去噪方法，通过构建滤波器组、对信号进行框架分解、自适应非线性阈值去噪以及框架逆变换等过程最终得到去除噪声的干净信号。与传统的针对压气机的失速信号处理方法(FFT方法等)相比，这种基于对数阈值的框架方法能够最大限度地保留原始信号中的有效信息，滤去原始信号中的噪声信号，使得对失速演化的细节产生更加清晰的描述。同时，该方法与传统的针对压气机的失速信号处理方法相比更加高效快速，可以在实验过程中做到采集信号的同时通过实时处理得到滤去噪声的干净信号，便于实验人员对实验过程进行实时分析，为揭示压气机的流动失稳提供了必要的工具。
【专利说明】
基于自适应对数闕值框架分析的局部喘振去噪方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于自适应对数阔值框架分析的局部喘振信号去噪方法，针对压 气机局部喘振失速信号，该方法可W最大限度地保留原始信号中的有效信息，滤去原始信 号中的噪声信号，使得研究者对于失速演化的细节产生更加清晰的认识。同时，该信号处理 方法还具有实时性，可W在实验过程中采集信号的同时通过实时处理得到滤去噪声的干净 信号，便于实验员对实验过程进行实时分析。
【背景技术】
[0002] 旋转失速与喘振制约着压气机的稳定工作范围。压气机作为航空发动机、燃气轮 机的关键部件，其工作稳定性尤为重要。对压气机失速实验信号的详细分析有助于对压气 机失速的机理研究和主动控制。局部喘振作为新型失速先兆，发现于跨声速轴流压气机中， 具有更加复杂的频率特性(同时存在高频和低频两个重要频率），对去噪方法提出了新的挑 战。然而，常规去噪方法（WFFT滤波、自相关、互相关为例)具有局限性，去噪效果不明显，影 响了对于局部喘振现象的物理刻画。
[0003] 框架分析作为可W最大限度保留原始信号中有用信息的去噪方法，其具备的多个 高通滤波器保证了信息去噪好的良好重构。因此，本发明将框架分析应用于局部喘振信号 的去噪研究中。并针对局部喘振的复杂频率特性，又增加了自适应对数阔值方法(在不同信 号分析层具有不同的判断阔值），从而更好地区分有效信号和噪声，获得了干净的局部喘振 信号。
【发明内容】
[0004] 自适应的对数阔值框架方法的建立：
[0005] (1)采用带有一个低通滤波器和两个高通滤波器的滤波器组
[0006] 低通滤波器:h=(hi，h2, . . .，liN)
[0007] 第一高通滤波器：=(毎1，.担，...，各If)
[000引第二高通滤波器:g'=佔'.扭，...，g;)
[0009] 本发明仅采用Ron-化en紧凑型框架的滤波器组，其低通及高通滤波器具有如下形 式：
[0010]
[0011]
[0012]
[0013]
[0014]
[0015]
[0016] 通过采用低通和高通滤波器，原始信号被分解为近似系数W及细节系数。在第j层 分解之后，可W得到第j层的近似系数為W及细节系数聲和聲。
[0017] (3)对每层系数采用自适应非线性阔值
[0018] 采用自适应非线性阔值，即在每层施加不同的阔值，噪声信号可W从细节系数中 消除。式中Au表示阔值，i表示高通滤波器的数目，j表示分解层数，N表示信号的数目。如果 细节系数大于给定的阔值，那么将会被视作有用信息而被保留；如果细节系数小于给定的 阔值，那么将会被视作噪声信号而被消除。经过该过程，可W得到去噪后的细节系数<气。
[0019]
[0020] (4)框架逆变换
[0021] 经过固定框架逆变换，近似系数W及去噪后的细节系数都可W被重构，得到的最 终结果就是经过去噪后的结果。
[0022]
【附图说明】
[0023] 图1局部喘振失稳演化过程中FFT结果与框架结果的对比；
[0024] 图2旋转失速团的出现与局部喘振型扰动的关联；
【具体实施方式】
[0025] 图l(al)和(a2)表示在350转子转速时叶尖和叶根区域首次出现局部喘振扰动。采 用框架方法去除噪声信号后，可W清晰地观察到单个扰动的发展过程:从300转子转速到 350转子转速，扰动的幅值不断增大，最终发展成为局部喘振扰动。图l(bl)和(b2)同样描述 了在1100转子转速时叶尖和叶根区域的局部喘振扰动发展过程。由图I(Cl)和(c2)可见，由 于流动越来越不稳定，局部喘振扰动出现愈加频繁。通过框架方法处理结果，可W明显的看 出连续的局部喘振扰动是由最初的小幅值的初始扰动发展而成的，到了局部喘振的最后阶 段，连续的局部喘振扰动诱发了旋转失速团的产生。采用框架方法处理实验数据，可W清晰 地看到旋转失速团出现在叶根和叶尖区域(如图l(dl)和(d2)中方框内信号）。
[0026] 为了进一步研究旋转失速团的发生，图2给出了更多的细节信息。首先，旋转失速 团是出现在叶根W及叶尖区域的高频扰动，图2表示旋转失速团是在叶尖的压力从最小值 开始增长时出现的。框架方法处理的结果可W清晰地展示旋转失速团与局部喘振扰动之间 的关联:随着局部喘振扰动的发展，转子叶尖静压升高，叶尖攻角随之增大，一旦攻角超过 临界值，旋转失速团就会出现;反之，如果转子叶尖的静压下降，旋转失速团就会消失。
[0027] 总结；
[0028] 相比于快速傅里叶变换(FFT)方法，采用本发明提出的方法一方面可W有效地消 除原始信号中的噪声信号，另一方面可W大大提高信号处理的效率，最终可W清晰地给出 局部喘振扰动的发展过程W及旋转失速团的出现与局部喘振扰动之间的关联，为分析压气 机内部不稳定流动提供了有力的保障，便于研究者更加清晰地认识压气机内部不稳定流动 W及失稳的发生过程。
【主权项】
1.基于自适应对数阈值框架分析的局部喘振信号去噪方法，其特征在于： (1) 与传统的针对压气机的失速信号处理方法(FFT方法等)相比，这种基于对数阈值的 框架方法能够最大限度地保留原始信号中的有效信息，滤去原始信号中的噪声信号，使得 对局部喘振失速演化的细节产生更加清晰的描述； (2) 该方法与传统的针对压气机的失速信号处理方法相比更加高效快速，可以在实验 过程中做到采集信号的同时通过实时处理得到滤去噪声的干净信号，便于实验人员对实验 过程进行实时分析； (3) 基于以上优势，采用该对数阈值框架方法分析了局部喘振扰动的发展过程以及与 旋转失速团的物理关联，更加清晰地认识了局部喘振扰动的物理本质，为揭示压气机的流 动失稳提供了必要的工具。
【文档编号】H03H21/00GK105827219SQ201610139834
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】王海辉, 李秋实, 潘天宇, 鹿哈男
【申请人】北京航空航天大学