基于压电传感的信号分离与多维特征提取方法及系统与流程

本技术涉及数据处理，具体而言，涉及基于压电传感的信号分离与多维特征提取方法及系统。

背景技术：

1、压电传感器能够将压力、振动或形变等机械量转换为电信号，因而被广泛用于对被测对象中的周期性成分进行监测与分析。典型应用包括柔性压电带或压电薄膜集成于床垫、座椅、靠垫等载体，用于获取人体与载体接触过程中产生的微弱周期性力学响应；将压电传感器布设于旋转机械、齿轮箱或电机壳体，用于获取转频、倍频以及啮合相关的周期性振动成分以支撑状态监测；以及将压电传感器安装于桥梁、楼板、管廊等结构或附属构件，用于捕获结构在风载、车流或设备激励下的主振频率与次级周期成分，以支持结构响应评估与异常预警。

2、上述场景虽然对象不同，但共同特征在于压电信号往往由多个周期性成分叠加而成，并伴随安装状态变化、结构耦合漂移、瞬态冲击、环境振动等引起的非平稳干扰，导致采集到的信号呈现多周期混合与强扰动的复杂形态。现有技术通常采用带通滤波、峰值检测或时频分析等方式估计目标周期参数，但在干扰与耦合条件变化较强时，多个周期性成分容易发生频带重叠或相互调制，瞬态冲击会引入宽带能量并破坏节律连续性，进而使周期参数出现误检、跳变或不稳定。此外，很多方案仅输出周期参数本身，缺少对当前输出结果可用性/可靠性的量化表征，难以支撑后续的自动筛选、融合或告警策略。

3、因此，需要一种在复杂扰动条件下仍能稳定提取多周期目标特征，并对输出结果给出可用性/可靠性量化表征的信号处理方案。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本技术提供了基于压电传感的信号分离与多维特征提取方法及系统。

2、第一方面，本技术提供了基于压电传感的信号分离与多维特征提取方法，包括：

3、获取由压电传感器采集的压电混合信号序列；

4、对所述压电混合信号序列进行信号有效性判定，并根据判定结果从所述压电混合信号序列中确定有效分析片段；

5、对所述有效分析片段执行信号解耦处理，得到多个信号分量，所述多个信号分量包括：第一周期分量、第二周期分量以及干扰分量；所述干扰分量用于表征非目标源引起的干扰成分；

6、基于所述第一周期分量与所述第二周期分量提取目标特征集合，所述目标特征集合包括第一周期参数与第二周期参数；

7、基于所述干扰分量的特征以及所述第一周期分量与所述第二周期分量的稳定性特征，确定置信度评价指标，生成监测数据；所述监测数据包括所述目标特征集合与所述置信度评价指标。

8、可选的，所述对所述压电混合信号序列进行信号有效性判定包括：

9、在多个时间窗口内计算目标频带能量占比，所述目标频带能量占比为所述时间窗口内落入第一预设频率范围与第二预设频率范围的信号能量之和与对应时间窗口内信号总能量的比值；当所述目标频带能量占比满足预设条件时，将对应时间窗口确定为有效分析片段。

10、可选的，所述根据判定结果从所述压电混合信号序列中确定有效分析片段包括：

11、在所述压电混合信号序列中检测瞬态扰动冲击点；

12、并屏蔽各所述瞬态扰动冲击点前后预设保护时长内的信号，将屏蔽后的连续信号片段确定为有效分析片段。

13、可选的，所述对所述有效分析片段执行信号解耦处理包括：对所述有效分析片段进行时频表征以获得时频能量分布；

14、在第一预设频率范围内提取第一时频主脊线并重构得到所述第一周期分量，在所述第二预设频率范围内提取第二时频主脊线并重构得到所述第二周期分量，并将除所述第一周期分量与所述第二周期分量之外的剩余成分确定为所述干扰分量。

15、可选的，所述确定置信度评价指标包括：

16、针对所述有效分析片段对应的多个相邻时间窗口，计算所述第一周期参数与所述第二周期参数的标准差作为所述稳定性特征；

17、基于所述稳定性特征与所述干扰分量的特征进行加权融合以生成所述置信度评价指标，其中，所述置信度评价指标随所述标准差增大而单调降低。

18、可选的，所述信号解耦处理还包括：

19、对所述有效分析片段执行相空间重构，得到由所述有效分析片段在相空间中的状态点序列构成的状态轨迹；

20、在所述状态轨迹上以预设时间偏移量计算闭合度指标，所述闭合度指标为相隔所述预设时间偏移量的状态点在相空间中的距离与对应轨迹弧长的比值，并基于所述闭合度指标确定闭合轨迹区段；

21、将所述闭合轨迹区段中对应的所述预设时间偏移量属于第一预设周期范围的轨迹区段重构为所述第一周期分量，将所述闭合轨迹区段中对应的所述预设时间偏移量属于第二预设周期范围的轨迹区段重构为所述第二周期分量，并将除所述闭合轨迹区段重构得到的成分之外的剩余成分确定为所述干扰分量。

22、可选的，所述对所述有效分析片段执行相空间重构包括：

23、对所述有效分析片段执行希尔伯特变换，得到与所述有效分析片段相位正交的正交分量；

24、以所述有效分析片段的采样值作为第一嵌入坐标、以所述正交分量作为第二嵌入坐标构建相平面，并将随时间变化的所述第一嵌入坐标与所述第二嵌入坐标的点序列确定为所述状态点序列以形成所述状态轨迹；

25、对所述状态点序列按轨迹弧长进行重采样，使相邻状态点满足预设弧长间隔。

26、可选的，还包括：

27、对所述第二周期分量执行希尔伯特变换以得到第二周期瞬时相位；

28、将所述闭合轨迹区段中的状态点与对应时刻的所述第二周期瞬时相位关联，并将所述第二周期瞬时相位作为第三坐标将所述状态点映射至三维圆柱相空间；

29、沿所述第二周期瞬时相位对所述三维圆柱相空间中的所述状态点进行相位分箱，计算各相位箱内状态点的轨迹重心以形成重心序列，并基于所述重心序列的漂移幅度判定所述闭合轨迹区段为受第二周期调制的目标闭合轨迹区段或非调制的干扰闭合轨迹区段。

30、可选的，所述基于所述重心序列的漂移幅度判定包括：

31、以所述第一周期分量的包络幅值与所述第二周期分量的瞬时幅值构建幅值—幅值相图，并计算单个第二周期内所述幅值—幅值相图形成的闭合曲线面积作为形态滞后环面积；

32、当所述形态滞后环面积大于预设机械耦合死区阈值时，将所述闭合轨迹区段判定为所述目标闭合轨迹区段，否则判定为所述干扰闭合轨迹区段。

33、第二方面，本技术提供了基于压电传感的信号分离与多维特征提取系统，包括：

34、获取由压电传感器采集的压电混合信号序列；

35、对所述压电混合信号序列进行信号有效性判定，并根据判定结果从所述压电混合信号序列中确定有效分析片段；

36、对所述有效分析片段执行信号解耦处理，得到多个信号分量，所述多个信号分量包括：第一周期分量、第二周期分量以及干扰分量；所述干扰分量用于表征非目标源引起的干扰成分；

37、基于所述第一周期分量与所述第二周期分量提取目标特征集合，所述目标特征集合包括第一周期参数与第二周期参数；

38、基于所述干扰分量的特征以及所述第一周期分量与所述第二周期分量的稳定性特征，确定置信度评价指标，生成监测数据；所述监测数据包括所述目标特征集合与所述置信度评价指标。

39、相比现有技术，本技术通过对压电混合信号进行有效性判定并确定有效分析片段，使后续处理限定在质量可控的信号区间内，从而降低瞬态冲击与非平稳扰动对特征提取的影响。在此基础上，将有效分析片段解耦为第一周期分量、第二周期分量及干扰分量，使目标特征的提取建立在更接近目标周期成分的信号载体上，并保留干扰表征用于一致性校验。进一步地，结合干扰分量特征与两周期分量的稳定性特征生成置信度评价指标，并将其与目标特征集合一并形成监测数据，为结果可信筛选、参数平滑/降权以及多源融合提供量化依据，从而提升复杂扰动条件下的输出稳定性与可用性。