， ，

(海軍駐滬東中華(集團(tuán))軍事代表室,上海 200120;海軍工程大學(xué) 艦船工程系,武漢 430033)

船舶耐波性試驗(yàn)是獲得船體運(yùn)動(dòng)特性及流體動(dòng)力性能的重要手段，包括模型試驗(yàn)及實(shí)船試驗(yàn)。模型試驗(yàn)常用來(lái)驗(yàn)證理論模型及對(duì)實(shí)船耐波性能指標(biāo)的預(yù)報(bào)，常需要測(cè)量船模在規(guī)則波或不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、波浪作用力及船體運(yùn)動(dòng)時(shí)在流場(chǎng)的興波等；實(shí)船試驗(yàn)則主要測(cè)量一定海況下船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。獲得可靠的耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)是耐波性試驗(yàn)的前提，但耐波性試驗(yàn)測(cè)量的信號(hào)中往往包含高頻的背景噪聲。在實(shí)船測(cè)量時(shí)，船上的各種機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)噪聲和測(cè)量?jī)x器中的交流電噪聲是高頻噪聲的主要來(lái)源；船模試驗(yàn)時(shí)高頻噪聲主要來(lái)源于測(cè)量設(shè)備中的交流電噪聲和拖車(chē)及其旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)噪聲。所謂趨勢(shì)項(xiàng)是指測(cè)試信號(hào)中周期大于記錄長(zhǎng)度的成分[1]。直接對(duì)含有高頻噪聲和趨勢(shì)項(xiàng)的信號(hào)進(jìn)行耐波性分析會(huì)影響其精度和準(zhǔn)確性。因此為獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須對(duì)這些測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波處理。另一方面，船舶耐波性能指標(biāo)多，且船舶在波浪中航行時(shí)工況多，因此實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通道多，數(shù)據(jù)量大。所以開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)可靠的船舶耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有工程應(yīng)用意義。

針對(duì)艦船耐波性實(shí)測(cè)信號(hào)中趨勢(shì)項(xiàng)難以消除而影響濾波精度這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法消除趨勢(shì)項(xiàng)的影響。根據(jù)艦船對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的低頻特點(diǎn)，在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解前先進(jìn)行低通濾波,可使實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)中的譜峰頻率處在相對(duì)高頻位置,減少EMD迭代次數(shù)，并使有用信息包含在第一個(gè)IMF中,方便對(duì)有用模態(tài)的識(shí)別。這一方法提高了分析精度，且使得實(shí)時(shí)分析成為可能。文獻(xiàn)[3]以FFT-FS頻譜細(xì)化技術(shù)來(lái)輔助分析多工況及耐波性系列試驗(yàn)時(shí)頻譜特性，有效地用于船模耐波性試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的定量分析。本文以這兩種算法為基礎(chǔ)編制船舶耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)例分析說(shuō)明該系統(tǒng)的可靠性。

1 信號(hào)處理方法

1.1 濾波方法

耐波性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理常采用低通濾波的方法[4]，其步驟是對(duì)實(shí)測(cè)時(shí)間序列去直流、快速傅立葉變換(FFT)、高頻截?cái)唷⒎锤道锶~變換(IFFT)以得到過(guò)濾高頻噪聲的時(shí)間序列，該方法能夠過(guò)濾高頻噪聲，但難以過(guò)濾趨勢(shì)項(xiàng)及低頻噪聲。船模對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是低頻的，使得低頻的趨勢(shì)項(xiàng)和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)可能耦合在一起，故采用一般的濾波器難以對(duì)頻率選取較準(zhǔn)確的下限閾值。針對(duì)該問(wèn)題，采用低通濾波過(guò)濾高頻噪聲和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)消除趨勢(shì)項(xiàng)及低頻噪聲影響的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理以提高分析精度。

EMD方法由美國(guó)人Huang于1998年提出，該方法基于信號(hào)的局部特征時(shí)間尺度，把信號(hào)分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function，IMF)及剩余項(xiàng)之和[5]，這些IMF及剩余項(xiàng)對(duì)應(yīng)的頻率由高頻向低頻排列，每個(gè)IMF代表信號(hào)中某個(gè)頻率或頻段內(nèi)的波動(dòng)分量，突出了數(shù)據(jù)的局部特征，對(duì)其進(jìn)行分析可以更準(zhǔn)確有效地把握原數(shù)據(jù)的特征信息，而剩余項(xiàng)則為頻率為零的項(xiàng)，即趨勢(shì)項(xiàng)。該方法的一個(gè)缺點(diǎn)是迭代時(shí)間長(zhǎng)?；谝陨戏治?，本文先對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，使得有用信號(hào)處在所得信號(hào)的相對(duì)高頻位置，然后采用EMD進(jìn)行模態(tài)分解，相對(duì)高頻的有用信號(hào)往往對(duì)應(yīng)第一個(gè)IMF，而其它IMF及剩余項(xiàng)則為低頻噪聲，提取第一個(gè)IMF作為有用信號(hào)就消除了低頻趨勢(shì)項(xiàng)及低頻噪聲的影響。該方法處理流程見(jiàn)圖1。該方法能夠兼顧低通濾波及EMD的優(yōu)點(diǎn)，減少EMD進(jìn)行IMF分解的迭代次數(shù)并提高分析效率，同時(shí)還便于對(duì)有用模態(tài)的自動(dòng)識(shí)別。

圖1 實(shí)測(cè)信號(hào)的濾波處理流程

1.2 FFT-FS細(xì)化譜分析

FFT-FS實(shí)際上是一種聯(lián)合采用快速傅里葉變換(FFT)及傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)(FS)的信號(hào)處理方法。其原理是在不增加數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N的前提下對(duì)信號(hào)先進(jìn)行N1點(diǎn)FFT，初步確定信號(hào)的頻幅特性，然后對(duì)FFT的離散頻率通過(guò)變量代換獲得連續(xù)頻率，并對(duì)感興趣的局部頻段進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)獲得連續(xù)的頻譜曲線(xiàn)。關(guān)于頻率的變量代換、FFT-FS、FFT更詳?shù)慕榻B可參考文獻(xiàn)[6]。對(duì)于實(shí)測(cè)耐波性信號(hào)來(lái)說(shuō)，感興趣的頻段是遭遇圓頻率ωf附近的局部頻段，因此只需對(duì)遭遇頻率附近的頻幅特性進(jìn)行分析，從而提高分析效率及頻率分辨率。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)多核技術(shù)及集群技術(shù)的快速發(fā)展，并行程序設(shè)計(jì)成為提高數(shù)值計(jì)算效率的主流技術(shù)之一，在Matlab2009之后，MathWorks將并行計(jì)算技術(shù)植入Matlab中，進(jìn)一步加強(qiáng)了該軟件的數(shù)值運(yùn)算功能[7]。

為提高數(shù)據(jù)處理的精度及效率，基于Matlab平臺(tái)，以低通濾波及EMD方法為內(nèi)核，以FFT-FS細(xì)化譜分析技術(shù)作為輔助工具，開(kāi)發(fā)了船舶性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其主界面見(jiàn)圖2。

圖2 程序主界面

該程序能夠?qū)δ筒ㄐ栽囼?yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理及細(xì)化譜分析，可以幫助了解實(shí)測(cè)信號(hào)的時(shí)域及頻域特征，能對(duì)分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如對(duì)不規(guī)則中船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)測(cè)量信號(hào)而言，可統(tǒng)計(jì)其平均周期、平均值、平均幅值、最大幅值、最小幅值、三一幅值、波峰數(shù)、波谷數(shù)等重要信息。

2.1 軟件介紹

該程序包含菜單欄、工具欄、圖形顯示及數(shù)據(jù)顯示四大模塊。其中菜單欄包括文件菜單、編輯菜單、工具菜單、窗口菜單及幫助文件菜單，圖形顯示窗口主要用于通道數(shù)據(jù)的顯示、濾波結(jié)果的顯示及FFT-FS細(xì)化譜的顯示；工具欄包括文件格式的定義、導(dǎo)入及導(dǎo)出、圖形的縮放、拖放等操作按鈕；數(shù)據(jù)顯示工具包括原始數(shù)據(jù)、濾波數(shù)據(jù)及細(xì)化譜數(shù)據(jù)的顯示按鈕。

2.2 軟件使用

1)導(dǎo)入數(shù)據(jù)。在導(dǎo)入數(shù)據(jù)前對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的存取格式及文件類(lèi)型進(jìn)行定義。為提高系統(tǒng)的通用性，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可為單通道數(shù)據(jù)，也可為多通道數(shù)據(jù)，讀取文件類(lèi)型則可根據(jù)采集系統(tǒng)存取的數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行定義。

2)數(shù)據(jù)取樣。為方便對(duì)有效數(shù)據(jù)的取樣，系統(tǒng)設(shè)置了數(shù)據(jù)取樣功能，在時(shí)歷曲線(xiàn)上按右鍵并在有效數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行拖放則可對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣，見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)據(jù)取樣

試驗(yàn)過(guò)程中為提高試驗(yàn)效率，常需要在一次試驗(yàn)測(cè)量中進(jìn)行多個(gè)工況的測(cè)量，如規(guī)則波模型試驗(yàn)中常在入射波波長(zhǎng)為短波時(shí)進(jìn)行多個(gè)速度的拖曳，為提高分析效率并對(duì)試驗(yàn)工況測(cè)量參量進(jìn)行比較，系統(tǒng)設(shè)置了多段取樣及多段分析模式，見(jiàn)圖4。

圖4 通道選擇

3)參數(shù)設(shè)置。包括執(zhí)行中心化選項(xiàng)、通道選擇、濾波系數(shù)設(shè)置、處理模式、取樣方式、細(xì)化譜譜線(xiàn)數(shù)目設(shè)置及細(xì)化頻段設(shè)置，見(jiàn)圖5。

圖5 參數(shù)設(shè)置

中心化選項(xiàng)決定對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是否移除零階量，對(duì)于非定常量，當(dāng)需要提取信號(hào)的波動(dòng)信息時(shí)(如運(yùn)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的一階量)，需要執(zhí)行中心化，對(duì)于一些定常量，如分析波浪中船體的阻力增值數(shù)據(jù)時(shí)，需要提取的是實(shí)測(cè)信號(hào)中的定常部分，不需要進(jìn)行中心化。濾波系數(shù)一般默認(rèn)為2，該系數(shù)為低通濾波的最小截?cái)囝l率與有用信號(hào)的主頻(如規(guī)則波中船模振蕩的遭遇頻率)的比值。細(xì)化譜線(xiàn)數(shù)及細(xì)化頻段是進(jìn)行FFT-FS細(xì)化譜分析時(shí)的輸入?yún)?shù)，其中細(xì)化頻段對(duì)應(yīng)于FFT-FS分析的上、下限頻率，細(xì)化譜線(xiàn)數(shù)為該頻段內(nèi)譜的離散次數(shù)，可反映信號(hào)在頻域內(nèi)的分辨率。處理模式包括自動(dòng)模式及手動(dòng)模式，手動(dòng)模式為單通道信號(hào)處理模式，在信號(hào)異常時(shí)采用該方式并結(jié)合濾波系數(shù)調(diào)節(jié)濾波的質(zhì)量，自動(dòng)模式為多通道數(shù)據(jù)的批處理模式，當(dāng)選擇好待處理的通道后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行處理。

4)數(shù)據(jù)處理。參數(shù)設(shè)置好后，點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，以執(zhí)行分析。系統(tǒng)根據(jù)取樣位置及分析模式進(jìn)行濾波分析及FFT-FS分析，當(dāng)分析模式為手動(dòng)模式時(shí)僅對(duì)當(dāng)前通道進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)取樣分析模式為自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)對(duì)選定的每一通道進(jìn)行處理，并逐一顯示各通道分析結(jié)果。分析結(jié)束后，狀態(tài)表格中對(duì)應(yīng)通道的取樣方式中會(huì)標(biāo)明取樣狀態(tài)，分析狀態(tài)中的方框會(huì)標(biāo)出執(zhí)行分析的狀態(tài)；各通道的FFT-FS幅值譜會(huì)保存在FFT-FS數(shù)據(jù)表中(見(jiàn)圖6)，表中還給出了關(guān)于幅值譜的特征量；濾波數(shù)據(jù)表中保存了執(zhí)行濾波分析通道的濾波時(shí)歷數(shù)據(jù)，及對(duì)各時(shí)歷數(shù)據(jù)的特征統(tǒng)計(jì)值(見(jiàn)圖7)。各通道的處理結(jié)果及時(shí)歷曲線(xiàn)通過(guò)輸出菜單保存在Excel表格中。

圖6 FFT-FS頻幅特征及細(xì)化譜

圖7 濾波統(tǒng)計(jì)結(jié)果及時(shí)歷過(guò)程記錄

3 信號(hào)處理實(shí)例分析

圖8給出了某船模在規(guī)則波中的垂蕩運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)及采用本系統(tǒng)分析所得的濾波曲線(xiàn)，圖中還給出了僅低通濾波的結(jié)果。模型重173 kg，水線(xiàn)長(zhǎng)3.651 m，型寬0.462 m，設(shè)計(jì)吃水0.156 m，模型速度1.021 m/s，入射波波長(zhǎng)3 m,頂浪航行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木唧w參數(shù)及試驗(yàn)情況參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

圖8 實(shí)測(cè)垂蕩信號(hào)及濾波結(jié)果

由圖8可見(jiàn)低通濾波過(guò)濾了高頻噪聲，但未過(guò)濾趨勢(shì)項(xiàng)的影響，而本文的濾波方法不僅消除了高頻噪聲的影響，也消除了低頻趨勢(shì)項(xiàng)的影響。

圖9a)給出了對(duì)低通濾波所得信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解所得各IMF及余量的時(shí)歷曲線(xiàn)，圖9b)給出了圖8各時(shí)歷曲線(xiàn)的FFT-FS幅值細(xì)化譜。

圖9 低通濾波后的信號(hào)經(jīng)EMD分解得到的各模態(tài)及對(duì)應(yīng)的FFT-FS幅值譜

從圖9可見(jiàn)第一個(gè)IMF確實(shí)是所需要提取的垂蕩信號(hào)，且該模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率處在各模態(tài)的相對(duì)高頻處。表1給出了3條時(shí)歷曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)的平均周期、平均幅值、最大幅值、波峰及波谷數(shù)，從表1可見(jiàn),未進(jìn)行濾波處理的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和濾波后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有較大的差異，因此為確保分析精度，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波處理是必要的。

表1 3種方法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較

4 結(jié)論

1)耐波性試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)受噪聲的影響，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析影響分析精度。

2)基于低通濾波及EMD的聯(lián)合分析方法能夠過(guò)濾高頻噪聲及低頻趨勢(shì)項(xiàng)的影響，提高數(shù)據(jù)分析的精度及效率。

3)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)易，且能夠執(zhí)行多通道數(shù)據(jù)的批處理，并對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理；可為船舶耐波性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)和綜合評(píng)價(jià)提供有力的技術(shù)支撐。

[1] 陳 雋，李 杰．振動(dòng)信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)提取的幾種方法及其比較[J]．福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33(S)：42-45

[2] 許 勇，歐勇鵬，董文才．基于低通濾波和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的艦船耐波性試驗(yàn)信號(hào)分析方法研究[J]．船舶力學(xué)，2009,13(5)：712-717.

[3] 許 勇，董文才，歐勇鵬．基于FFT-FS頻譜細(xì)化技術(shù)的船模乃波形試驗(yàn)測(cè)量信號(hào)分析方法研究[J]．船舶力學(xué)，2012，16(5)：497-503.

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