CN106484990B - 一种发动机试验数据三维瀑布图重建、显示及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空、航天试验技术领域，具体涉及一种发动机试验数据三维瀑布图重建、显示及分析方法。该方法的主要步骤是：1)从LMS Test.Lab Rev的Desktop‑Advanced软件的原始三维瀑布图中导出txt格式文件；2)从txt格式文件中读取频谱数据中的幅值列数据；3)将频谱数据存储为二维数组；4)重建三维瀑布图并显示和分析，其中分析方法包括频谱切片提取数据、动态视角查看以及数据比对等分析步骤。通过本发明解决了当前LMS Test.Lab Rev的Desktop‑Advanced软件自动生成的单色三维瀑布图频谱数据显示混叠、显示效果模糊、区分度不强的缺陷并且解决了不便于操作人员进行分析处理的问题。

Description

一种发动机试验数据三维瀑布图重建、显示及分析方法

技术领域

本发明属于航空、航天试验技术领域，具体涉及一种发动机试验数据三维瀑布图重建、显示及分析方法。

背景技术

火箭发动机试验后对三维振动频谱数据进行分析是发动机性能评估与故障诊断的必要手段，而以时间、频率、幅值为坐标的立体三维瀑布图是一种常见的频谱分析图谱。

当前在LMS Test.Lab Rev软件中显示三维瀑布图具体做法是：1.启动LMSTest.Lab Rev的Desktop-Advanced软件，对采集的数据做三维瀑布图。2.手动将Navigator视图下Name栏中的N个参数(N＞0)中的任意1个拖到1×1三维瀑布图显示窗口中，数据绘制在1×1三维瀑布图显示窗口中，如图1所示，本程序采用LMS Test.Lab Rev软件中自带的例子程序进行说明。

但是现有三维瀑布图显示效果不足之处包括以下几个方面：1)如图1所示，使用单色绘制三维瀑布图，使得三维数据看上去是混叠在一起，看上去模糊不清，不同时刻谱线与谱线之间区分不明显，给数据分析人员查看数据带来不便。2)如图1所示，针对同一谱线，采用单色绘制三维瀑布图导致不同量级的幅值数据区分不明显。3)如图2所示，视角改变幅度有限以及视角改变后三维立体效果直线下降，形似“伪3D”，不利于用户灵活分析数据。

为了对显示在三维坐标中的数据更直观地查看，有时候需要改变角度查看数据，当前在LMS Test.Lab Rev软件中改变三维瀑布图显示视角的具体做法是：1.启动LMSTest.Lab Rev的Desktop-Advanced软件，对采集的数据做三维瀑布图算法分析处理。2.手动将Navigator视图下Name栏中的N个参数(N＞0)中的任意1个拖到1×1三维瀑布图显示窗口中。3.在1×1三维瀑布图界面右键属性菜单设置旋转角度值，如图2所示。明显可见，当前LMS Test.Lab Rev软件中改变三维瀑布图显示视角的方式繁琐复杂，不便于数据分析人员查看数据。

现有的改变三维瀑布图显示视角方式的不足之处包括以下几个方面：1)数据分析人员每次改变三维瀑布图显示视角查看数据均需要进行上述一系列操作，需要消耗的时间成本可想而知，而且给数据分析人员带来不便。2)由于角度调节的大小不好控制，对于初次接触该软件的数据操作人员需要较长的学习与记忆时间。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种发动机试验数据三维瀑布图重建、显示及分析方法，解决了当前LMS Test.Lab Rev的Desktop-Advanced软件自动生成的单色三维瀑布图频谱数据显示混叠、显示效果模糊、区分度不强的缺陷并且解决了不便于操作人员进行分析处理的问题。

本发明的具体技术解决方案如下：

本发明提供了一种发动机试验数据三维瀑布图重建、显示及分析方法，包括以下步骤：

1)从LMS Test.Lab Rev的Desktop-Advanced软件的原始三维瀑布图中导出txt格式文件；所述txt格式文件包括头文件信息字符串和频谱数据，所述频谱数据的数据列字符串按以下规律排列：频率列为第一列，幅值列和相位列交替排列。

2)从txt格式文件中读取频谱数据中的幅值列数据；所述频谱数据是三维瀑布图中时间坐标轴上每个时刻对应的幅值列；

3)将频谱数据存储为二维数组；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

4)重建；

4.1)构建三维坐标系；三维坐标系包括频率坐标轴、时间坐标轴、幅值坐标轴；

4.2)设置显示视窗、投影矩阵并在内存中开辟一块缓冲区；

4.3)循环读取二维数组中行数据绘制在三维坐标系中的频率坐标轴，循环读取二维数组中列数据绘制在三维坐标系中的幅值坐标轴；

所述三维坐标系中频率坐标轴的绘制方式是从所述头文件信息字符串中读取频率间隔值；从所述头文件信息字符串中读取频率范围，利用频率间隔值和频率范围来绘制频率坐标轴；

所述三维坐标系中时间坐标轴的绘制方式是从所述头文件信息字符串中读取时间间隔值；从所述头文件信息字符串中读取时间范围，利用时间间隔值和时间范围来绘制时间坐标轴；

4.4)从频谱数据的幅值列直接读取幅值再乘以投影矩阵得到三维坐标系中的幅值的数据；在显示视窗中显示绘制好的频率坐标轴、时间坐标轴、幅值坐标轴数据，形成三维瀑布图；所述三维瀑布图为单色三维瀑布图、凝固状三维瀑布图以及彩色三维瀑布图；

所述单色三维瀑布图绘制方法是：

循环读取重建时频谱数据存储的二维数组，将不同时间的幅值列的个数作为第一层循环次数，将频谱数据存储的二维数组的第二维对应的不同频率的个数的作为第二层循环次数，绘制不同时刻的频谱切片曲线，在OpenGl中调用函数glColor3f设置每条频谱曲线的颜色值，并用灰色绘制每条频谱曲线的边框，形成单色三维瀑布图；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

所述凝固状三维瀑布图的绘制方法是：

首先以每条频谱曲线绘制宽带，然后循环读取重建时频谱数据存储的二维数组，将不同时间的幅值列的个数作为第一层循环次数，将频谱数据存储的二维数组的第二维对应的不同频率的个数的作为第二层循环次数，绘制不同时刻的频谱切片曲线，并用灰色绘制每条频谱曲线的边框，形成凝固状三维瀑布图；所述宽带是将相近的数据凝固化显示，突出较大值数据。所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴。

所述彩色三维瀑布图的绘制方法是：

循环读取重建时频谱数据存储的二维数组，将不同时间的幅值列的个数作为第一层循环次数，将频谱数据存储的二维数组的第二维对应的不同频率的个数的作为第二层循环次数，绘制不同时刻的频谱切片曲线，同时，取幅值数据中的最大值将其分为三段得到两个颜色阈值，三段对应三种不同颜色，将当前所要显示的幅值数据和颜色阈值进行比较，显示相对应的颜色。所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

上述方法还包括频谱切片提取数据步骤：

用户从三维瀑布图中选择某时刻；将频谱数据存储的二维数组中行作为索引，循环读取某时刻的频率坐标轴和幅值坐标轴，写入到txt文件；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；导出的txt数据用来详细分析频谱数据。

上述方法还包括动态视角查看步骤：

根据实时监测的鼠标坐标值，通过调用MFC中响应鼠标坐标移动变化的消息响应函数实现重建三维瀑布图视角的上下左右移动。

上述方法还包括数据比对步骤：

选择不同试验的同一参数数据；按照步骤4)所述方法重建数据并在同一界面显示不同试验的同一参数数据。

本发明的优点在于：

1、本发明针现有的对LMS Test.Lab Rev软件中自动生成的三维瀑布图导出.txt格式的文本数据进行提取与处理，重建新的三维瀑布图，新的三维瀑布图解决了当前LMSTest.Lab Rev的Desktop-Advanced软件自动生成的单色三维瀑布图频谱数据显示混叠、显示效果模糊、区分度不强的缺陷并且解决了不便于操作人员进行分析处理的问题。

2、本发明采用单色三维瀑布图、凝固状三维瀑布图以及彩色(红、黄、蓝)三维瀑布图，使得三维瀑布图的表现形式多样化，操作人员可以根据需要选择三维瀑布图的表现形式，同时彩色(红、黄、蓝)三维瀑布图使得不同时刻谱线与谱线之间区分更加明显，使得不同量级的幅值数据区分更加明显。

3、本发明通过动态视角查看实现了通过拖动鼠标方便、快捷地调节数据分析的视角，省去现有的软件中一系列繁琐操作，使得数据分析更加快捷高效。

4、本发明通过频谱切片扩展了对不同时刻频谱曲线数据快速提取的功能，即频谱切片，增加了对频谱数据降维分析的能力。

5、本发明通过数据比对扩展了三维瀑布图比对的功能，增强了对频谱数据比对分析的能力。

附图说明

图1为LMS Test.Lab Rev软件三维瀑布图功能数据显示效果图。

图2为LMS Test.Lab Rev软件设置视角角度对话框截图。

图3为LMS Test.Lab Rev软件三维瀑布图导出的txt格式数据截图。

图4为本发明方法的单色三维瀑布图效果图。

图5为本发明方法的凝固状三维瀑布图效果图。

图6为本发明方法的彩色三维瀑布图效果图。

图7为本发明方法的三维瀑布图提取频谱切片功能效果图。

图8为LMS Test.Lab Rev软件改变视角后三维瀑布图效果图。

图9为本发明方法的三维瀑布图某一视角改变后效果图。

图10为本发明方法的三维瀑布图重建、显示与分析流程图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细地说明。

本发明不仅解决了LMS Test.Lab Rev软件只能在属性对话框中修改视角参数，不便于用户灵活查看数据的缺点，而且解决了单色三维瀑布图数据显示混叠、显示效果模糊、区分度不强等缺点，提出了一种发动机试验数据三维瀑布图重建、多种模式显示、多种模式分析的方法，在获得较好用户体验的同时保证振动与噪声测量领域三维瀑布图数据显示的高效性、可靠性。

本发明的系统基于现有的LMS Test.Lab Rev软件开发，图10为对三维瀑布图重建的算法流程图，其中对三维瀑布图重建的细节部分进行详细阐述，方法步骤包括：

步骤1)如图3所示，从LMS Test.Lab Rev的Desktop-Advanced软件的原始三维瀑布图中导出txt格式文件；所述txt格式文件包括头文件信息字符串和频谱数据：所述频谱数据的数据列字符串按以下规律排列：频率列为第一列，幅值列和相位列交替排列；

步骤2)从txt格式文件中读取频谱数据中的幅值列数据；频谱数据是三维瀑布图中时间坐标轴上每个时刻对应的幅值列；

步骤3)将频谱数据存储为二维数组；二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

步骤4)重建；

步骤4.1)构建三维坐标系；三维坐标系包括频率坐标轴、时间坐标轴、幅值坐标轴；

步骤4.2)设置显示视窗、投影矩阵并在内存中开辟一块缓冲区；

注：此处显示视窗是将MFC应用程序的界面部分，也是为了建立三维坐标系，在三维坐标系上绘制三维瀑布图做准备，可以看做是应用程序的初始化；

步骤4.3)循环读取二维数组中行数据绘制在三维坐标系中的频率坐标轴，循环读取二维数组中列数据绘制在三维坐标系中的幅值坐标轴；

所述三维坐标系中频率坐标轴的绘制方式是从所述头文件信息字符串中的“Frequency resolution”字符串读取频率间隔值；从所述头文件信息字符串中的“Xaxis”字符串读取频率范围，利用频率间隔值和频率范围来绘制频率坐标轴；

三维坐标系中时间坐标轴的绘制方式是从所述头文件信息字符串中的“Trackingtime 0s 0.32s 0.64s 0.96.....”字符串读取时间间隔值；从所述头文件信息字符串中的“Waterfall Name AutoPower Point2WF 16[0-4.8s]”字符串读取时间范围，利用时间间隔值和时间范围来绘制时间坐标轴”；

步骤4.4)从频谱数据的幅值列直接读取幅值再乘以投影矩阵得到三维坐标系中的幅值的数据；在显示视窗中显示绘制好的频率坐标轴、时间坐标轴、幅值坐标轴数据，形成三维瀑布图；所述三维瀑布图为单色三维瀑布图、凝固状三维瀑布图以及彩色三维瀑布图；

如图4所示，单色三维瀑布图绘制方法是：

循环读取重建时频谱数据存储的二维数组，将不同时间的幅值列的个数作为第一层循环次数，将频谱数据存储的二维数组的第二维对应的不同频率的个数的作为第二层循环次数，绘制不同时刻的频谱切片曲线，在OpenGl中调用函数glColor3f设置每条频谱曲线的颜色值，并用灰色绘制每条频谱曲线的边框，形成单色三维瀑布图；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

如图5所示，凝固状三维瀑布图的绘制方法是：

首先以每条频谱曲线绘制宽带，然后循环读取重建时频谱数据存储的二维数组，将不同时间的幅值列的个数作为第一层循环次数，将频谱数据存储的二维数组的第二维对应的不同频率的个数的作为第二层循环次数，绘制不同时刻的频谱切片曲线，并用灰色绘制每条频谱曲线的边框，形成凝固状三维瀑布图；所述宽带是将相近的数据凝固化显示，突出较大值数据；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

如图6所示，彩色三维瀑布图的绘制方法是：

循环读取重建时频谱数据存储的二维数组，将不同时间的幅值列的个数作为第一层循环次数，将频谱数据存储的二维数组的第二维对应的不同频率的个数的作为第二层循环次数，绘制不同时刻的频谱切片曲线，同时，取幅值数据中的最大值将其分为三段得到两个颜色阈值，三段对应三种不同颜色，将当前所要显示的幅值数据和颜色阈值进行比较，显示相对应的颜色。所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

步骤5)分析；

分析方法包括频谱切片提取数据，具体做法是：

用户从三维瀑布图中选择某时刻；将频谱数据存储的二维数组中行作为索引，循环读取某时刻的频率坐标轴和幅值坐标轴，写入到txt文件；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；导出的txt数据用来详细分析频谱数据。图7为本发明方法的三维瀑布图提取频谱切片功能效果图。

分析方法还包括动态视角查看，具体做法是:

根据实时监测的鼠标坐标值，通过调用MFC中响应鼠标坐标移动变化的消息响应函数实现重建三维瀑布图视角的上下左右移动。动态视角查看用于改变三维瀑布图视角来显示数据，视角改变范围为前、后、左、右上下各90度。图8为LMS Test.Lab Rev软件改变视角后三维瀑布图效果图。图9为本发明方法的三维瀑布图某一视角改变后效果图，从中很明显可以看出，本发明方法解决了三维瀑布图显示效果不足的一系列缺点。

分析方法还包括数据比对用于实现同一界面显示两个不同时间的三维瀑布图的对比用于进行实验数据的对比分析，其具体步骤是：

选择不同试验的同一参数数据；按照步骤4)所述方法重建数据并在同一界面显示不同试验的同一参数数据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如开发数据采集系统过程中，基于硬件采集板卡采集到的自定义格式的二进制文本数据利用本发明思想进行绘制三维瀑布图，又比如抽取某几个模块做成控件程序、单文档程序、多文档程序，或是将应用本发明核心思想做成实时三维瀑布图重建、显示和分析程序等等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围内。

Claims (3)

1.一种发动机试验数据三维瀑布图重建、显示及分析方法，包括以下步骤：

1)从LMS Test.Lab Rev的Desktop-Advanced软件的原始三维瀑布图中导出txt格式文件；所述txt格式文件包括头文件信息字符串和频谱数据，所述频谱数据的数据列字符串按以下规律排列：频率列为第一列，幅值列和相位列交替排列；

2)从txt格式文件中读取频谱数据中的幅值列数据；所述频谱数据是三维瀑布图中时间坐标轴上每个时刻对应的幅值列；

3)将频谱数据存储为二维数组；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

4)重建；

4.1)构建三维坐标系；三维坐标系包括频率坐标轴、时间坐标轴、幅值坐标轴；

4.2)设置显示视窗、投影矩阵并在内存中开辟一块缓冲区；

4.3)循环读取二维数组中行数据绘制在三维坐标系中的频率坐标轴，循环读取二维数组中列数据绘制在三维坐标系中的幅值坐标轴；

所述三维坐标系中频率坐标轴的绘制方式是从所述头文件信息字符串中读取频率间隔值；从所述头文件信息字符串中读取频率范围，利用频率间隔值和频率范围来绘制频率坐标轴；

所述三维坐标系中时间坐标轴的绘制方式是从所述头文件信息字符串中读取时间间隔值；从所述头文件信息字符串中读取时间范围，利用时间间隔值和时间范围来绘制时间坐标轴；

4.4)从频谱数据的幅值列直接读取幅值再乘以投影矩阵得到三维坐标系中的幅值的数据；在显示视窗中显示绘制好的频率坐标轴、时间坐标轴、幅值坐标轴数据，形成三维瀑布图；所述三维瀑布图为单色三维瀑布图、凝固状三维瀑布图以及彩色三维瀑布图；

所述单色三维瀑布图绘制方法是：

循环读取重建时频谱数据存储的二维数组，将不同时间的幅值列的个数作为第一层循环次数，将频谱数据存储的二维数组的第二维对应的不同频率的个数的作为第二层循环次数，绘制不同时刻的频谱切片曲线，在OpenGl中调用函数glColor3f设置每条频谱曲线的颜色值，并用灰色绘制每条频谱曲线的边框，形成单色三维瀑布图；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

所述凝固状三维瀑布图的绘制方法是：

首先以每条频谱曲线绘制宽带，然后循环读取重建时频谱数据存储的二维数组，将不同时间的幅值列的个数作为第一层循环次数，将频谱数据存储的二维数组的第二维对应的不同频率的个数的作为第二层循环次数，绘制不同时刻的频谱切片曲线，并用灰色绘制每条频谱曲线的边框，形成凝固状三维瀑布图；所述宽带是将相近的数据凝固化显示，突出较大值数据；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

所述彩色三维瀑布图的绘制方法是：

循环读取重建时频谱数据存储的二维数组，将不同时间的幅值列的个数作为第一层循环次数，将频谱数据存储的二维数组的第二维对应的不同频率的个数的作为第二层循环次数，绘制不同时刻的频谱切片曲线，同时，取幅值数据中的最大值将其分为三段得到两个颜色阈值，三段对应三种不同颜色，将当前所要显示的幅值数据和颜色阈值进行比较，显示相对应的颜色；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；

分析方法包括频谱切片提取数据，具体步骤是：

用户从三维瀑布图中选择某时刻；将频谱数据存储的二维数组中行作为索引，循环读取某时刻的频率坐标轴和幅值坐标轴，写入到txt文件；所述二维数组中行对应的是三维瀑布图中的频率坐标轴，所述二维数组中列对应的是三维瀑布图中的幅值坐标轴；导出的txt数据用来详细分析频谱数据。

2.根据权利要求1所述的发动机试验数据三维瀑布图重建、显示及分析方法，其特征在于：还包括动态视角查看步骤：

根据实时监测的鼠标坐标值，通过调用MFC中响应鼠标坐标移动变化的消息响应函数实现重建三维瀑布图视角的上下左右移动。

3.根据权利要求1所述的发动机试验数据三维瀑布图重建、显示及分析方法，其特征在于：还包括数据比对步骤：

选择不同试验的同一参数数据；按照步骤4)所述方法重建数据并在同一界面显示不同试验的同一参数数据。