一种基于希尔伯特变换的连续扫描激光振动测试处理方法

本发明属于结构动力学非接触模态测试振动信号数据处理相关领域，具体涉及一种基于希尔伯特变换的连续扫描激光振动测试处理方法。

背景技术：

1、圆筒机匣作为航空发动机的承力部件，在飞机运行过程中受到发动机各工况下的振动载荷和气流等随机载荷的作用，所以它的动力学特性对发动机整体性能提升特别关键。现代分析机匣结构动力特性的一种方法是模态试验及分析法，利用模态试验，获得结构的动力学特性，即结构受到振动载荷时的振动位移幅值，为结构的振动分析、设备故障诊断和和结构动力特性的优化提供了依据。

2、在结构振动分析领域，激光多普勒测振仪(ldv)由于其非接触测量能力、测量位置的容易重新定位和连续扫描能力，与传统的离散点测量传感器(如位移传感器和加速度计)相比具有优势。近年来，连续扫描激光多普勒测振仪(csldv)在结构模态分析中的应用越来越受到关注。

3、如果连续扫描激光多普勒测振仪的波束在正弦激励结构的表面上连续扫描，则连续扫描激光多普勒测振仪输出为调幅正弦波，其中在激励频率下的载波信号由激励结构的振动位移幅值调制。目前从此类调制信号中提取结构复杂振动位移幅值的技术可分为两组，涉及解调方法(dma)和傅里叶变换方法(fta)。解调分析技术是一种简单的、非参数的、时域的分析方法，在信号处理和通信领域以及当前的环境中被广泛使用，但是由于数据长度的限制，以及必须事先知道振动的准确频率，在处理时数据可能会出现一些问题。另一方面，傅里叶变换方法(fta)是一种参数化的频域分析，它给出了结构振动位移幅值的函数形式。傅里叶变换方法(fta)基本上基于精细控制的正弦扫描模式，它的连续扫描激光多普勒模态测试输出频谱由一组边带组成，以激励频率为中心，结构振动位移幅值的幂级数近似系数由边带振幅导出，如果振动位移幅值形式中存在不连续性，由于系列截断效应，则会产生误差。由于在实践中，使用离散傅里叶变换(dft)分析来获得频谱，因此必须匹配扫描速率和数据记录长度等实验设置以及傅里叶变换要求，否则泄漏问题会显著降低估计的准确性。因此，正如dma过程一样，必须精确地知道振动频率。在这项工作中，作为一种替代方法，提出了一种用于解调的希尔伯特变换方法(hta)，以克服dma和fta相关的问题。希尔伯特变换已被应用于通信、信号处理和结构识别等领域的各种应用，但以前从未在连续扫描激光多普勒振动测试的模态分析中使用过。连续扫描激光多普勒振动测试输出是振幅调制正弦波，其振动位移幅值与偏转形状相关，这项工作研究了基于希尔伯特变换的连续扫描激光多普勒振模态测试输出信号处理技术。相比解调方法(dma)和傅里叶变换方法(fta)，希尔伯特变换方法(hta)无视数据的长度限制，并且可以在数据分析中适应各种扫描模式，此外，希尔伯特变换方法(hta)可能不需要知道振动频率，尤其是对于无阻尼结构

技术实现思路

1、为了解决传统的解调方法和傅里叶变换方法处理连续扫描模态测试振动数据限制多的问题，本发明提供一种基于希尔伯特变换的数据处理方法，首先采用快速傅里叶变换将试验得到的时域信号变换成频域信号，并利用带通滤波法在频域中滤除试验过程中产生的噪声干扰，然后采用逆傅里叶变换方法将降噪后的频域信号恢复成时域信号并通过对降噪后的时域信号进行希尔伯特变换，最后通过求解降噪后的时域信号与希尔伯特变换后的时域信号构造的函数关系式得到结构表面扫描路径点上的振动位移幅值。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、技术方案：

4、一种基于希尔伯特变换的连续扫描激光振动测试处理方法，包括以下步骤：

5、(1)：对结构表面进行连续扫描激光多普勒模态振动测试，获得定义在结构表面激光扫描路径点上随时间变化的振动时域信号；

6、(2)：将振动时域信号通过快速傅里叶变换转换到频域信号；

7、(3)：构造带通滤波器滤除结构有效频率范围外的噪声频率，获得结构表面的有效频率信号；

8、(4)：对降噪后的频域信号进行快速逆傅里叶变换，得到结构降噪后的时域信号；

9、(5)：对降噪后的时域信号进行希尔伯特变换得到结构表面激光扫描路径点上的振动位移幅值；

10、(6)：将结构表面激光扫描路径点的振动位移幅值与其对应的激光扫描路径点结合得到表示结构振动特性的模态振型。

11、优选的，步骤(1)中：根据连续扫描激光多普勒模态振动测试输出信号原理，将激光扫描路径点与输出信号结合，获得定义在结构表面激光扫描路径点上随时间变化的振动时域信号：

12、v(t)＝v(x,t)|x＝g(t)＝φ{g(t)}cos wbt+ψ{g(t)}sin wbt

13、式中：v(x,t)代表在t时刻坐标(x,0,0)处的振动速度，g(t)为关于时间t的函数；

14、φ{g(t)}＝v{g(t)}cosθ为结构表面对应激光扫描路径点的实部振动位移幅值；

15、ψ{g(t)}＝-v{g(t)}sinθ为结构表面对应激光扫描路径点的虚部振动位移幅值；

16、wb为正弦激振力的频率，v(x)为该时刻下x点的振动位移幅值，θ为该点振动的相位角。

17、优选的，步骤(2)中：

18、将振动时域信号通过快速傅里叶变换转换到频域信号，频域信号定义为：

19、fft(v(t))＝v(w)。

20、优选的，步骤(3)的实现过程为：

21、(31)：构造一个具有带通滤波器特性的变换函数bs(w)：

22、

23、(32)：将步骤(2)得到的频域信号通过步骤(31)构造的具有带通滤波器特性的变换函数bs(w)滤除试验产生的噪声干扰，具体的表现形式如下：

24、v(w)＝v(w)·bs(w)

25、式中v(w)为降噪后的频域信号。

26、优选的，步骤(4)中：将降噪后的频域信号v(w)通过快速逆傅里叶变换恢复成时域信号v(t)：

27、ifft(v(w))＝v(t)＝φ{g(t)}cos wbt+ψ{g(t)}sin wbt。

28、优选的，步骤(5)的实现过程为：

29、(51)：对时域信号v(t)进行希尔伯特变换，表现形式为：

30、

31、式中为希尔伯特变换后的时域信号，v(τ)为时域信号函数；

32、(52)将步骤(4)和步骤(51)的函数关系式放在一起建立二元一次方程求解出表示结构振动特性的振动位移幅值：

33、

34、式中的φ{g(t)}表示结构表面对应激光扫描路径点的实部振动位移幅值。

35、优选的，步骤(6)中：将步骤(52)得到的结构表面对应激光扫描路径点的实部振动位移幅值与其对应结构表面的扫描路径点结合得到反映结构动力学特性的模态振型。

36、有益效果：

37、本发明基于希尔伯特变换原理对连续扫描激光多普勒模态测试信号进行处理分析，通过与结构表面的激光扫描路径点进行结合得到结构的模态振型，从而精准的表现出结构的振动特性，与现有的傅里叶变换近似参数方法相比，具有以下有益效果：

38、(1)适用性强；

39、希尔伯特变换方法是一种非参数方法，模态形状中没有函数近似误差，可以自由的选择实验设置，如扫描速度和记录长度，而不受所描述的某些其他技术的限制，适用于处理结构空间复杂的模态振型。通过使用具有带通滤波器特性的变换函数，希尔伯特变换可用于测量从单次扫描期间获得的一组实验数据同时获得的多频率模态振型。

40、(2)具有广泛的工程应用价值；

41、本发明提出的基于希尔伯特变换的连续扫描激光多普勒振动模态测试数据处理方法，通用性强，应用范围广，在现有的技术条件下，利用本发明可以实现多种结构的连续扫描激光多普勒振动测试，包括普通的平板结构、缺孔平板结构以及复杂的实际机匣表面的连续扫描激光多普勒振动测试，具有广泛的工程应用价值。

42、综上所示，本发明为工程中实际机匣的连续扫描激光多普勒模态测试试验提供了基础。