CN112577752B - 在城市复杂噪声环境中用地震检波器测量汽车转速的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在城市复杂噪声环境中用地震检波器测量汽车转速的方法，本发明拟通过地震检波器布置在城市室外环境的检车场地地面，将汽车停靠在地震检波器旁，汽车发动机启动时，产生的振动信号会通过车轮耦合到地面形成瑞雷波，通过地震检波器在距车轮一定范围内接收到瑞雷波进而实现测速。由于检车场地在室外，大大增加了被检汽车的流动性，不管连续检测多少车辆，都不需要调整地震检波器位置，减少了人员操作，从而极大提高了测量效率。测量汽车转速高效且操作简单，仅须将汽车开到指定位置，无须调整测量装置及汽车位置，短时间内可连续测量多辆汽车，测量效率至少提高一倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆工程中的汽车转速测量，尤其是在城市复杂噪声环境中利用地震检波器测量汽车转速的方法。
背景技术
为有效保障安全行驶，汽车需要在车检机构定期进行汽车发动机性能检测，汽车发动机性能检测可以评估汽车发动机的健康状态，及时排查车辆安全隐患，减少交通事故的发生。由于车检机构数量有限，同时我国汽车保有总量大且急剧增加，车检机构常出现检测数量高于单日检测汽车最大能力的情况，庞大的检测数量增加了车检机构的工作强度与难度，因此通过技术更新，提高车辆检测效率，一直是检车行业不断追求的目标。当前汽车发动机性能检测一般是通过测量一段时间内汽车转速进而分析出如发动机功率和瞬时转速等重要指标，因此研究高效可靠的汽车转速测量方法可以有效提高汽车发动机性能检测效率，缓解车检机构工作压力。
当前汽车转速测量方法很多，主要分为接触式测量和非接触式测量。
接触式测量主要有将转速传感器、声传感器等，如CN109507446A公开了一种汽车发动机转速检测方法，CN108363853A公开了一种基于多传感器相关去噪的发动机转速测量方法，是将传感器贴在发动机表面或汽车大梁上进行测量或是将带有冲击力传感器的装置伸进汽车排气管中通过检测尾气的冲击信号进而测量转速如CN101672857公开了汽车发动机转速快速测量装置，接触式测量的优点是获得的信号质量较好，测量结果准确度较高，但也存在一定弊端，上述两种接触式测量方法都需要车检人员参与调整装置，容易因人工操作失误得不到正确的测量结果，且由于人工参与不能实现自动测量，造成测量效率低下。以上问题为接触式测量转速方法的共同缺陷。
与接触式测量方法相对，非接触式测量转速方法目前主要是采用声传感器，但声传感器不接触车辆，而是用于在车辆附近测量发动机噪声(文献《汽车起动机噪声分析及其改进研究》)或汽车尾气噪声(文献《基于瞬时频率转速提取算法的汽车排气噪声分析》)，由于是非接触式测量，声传感器与被测部位存在一定距离，且车检时汽车静止，发动机和尾气管部产生的声音能量较低，再加上室外测量环境存在风的干扰和较多的人文噪声，声传感器采集的有用信号质量较差，而当前非接触式测量信号的去噪方法只适用于信噪比较高的信号，由于非接触式测量声信号的信噪比低且存在较多随机强干扰，使用这些方法处理非接触式测量声信号容易造成测量结果局部误差较大甚至出现错误，因此当前非接触式声传感器接收的转速信号可靠性较低，尤其在城市室外嘈杂的测量环境下，测量可靠性和精度都难以保证。
可见现有方法均不适用于高效可靠测量汽车转速的要求。为此，经大量研究发现，汽车发动机工作时会产生振动信号，在汽车附近地面上布置地震检波器可以接收到这种发动机震动耦合到大地形成的地震动信号，即来自汽车的地震信号，通过一系列处理步骤，利用该信号可以测量发动机转速。
利用地震检波器在城市室外环境下准确可靠的测量汽车转速存在着较大难度，其难度主要体现在两个方面，一是室外环境中的背景噪声种类繁多，特征复杂，地震检波器会接收到周围环境中非移动目标产生的如声震耦合干扰、地面及地下震动干扰和单频电子干扰等。测试人员仅凭经验难以评估测量环境中背景噪声水平及噪声的稳定性，而噪声水平较高或噪声不稳定会直接导致测量结果不准确甚至不可靠；二是提取汽车转速难，由于发动机振动信号耦合进入地下后能量衰减较大，再加上城市中的测量环境存在能量较强和随机性较强的人文干扰如人员行走干扰和远距离车辆行驶干扰等，采集到的有用信号的能量往往小于人文干扰，使可靠提取汽车转速难度增大。针对人文干扰，文献《陆地地震勘探随机建模分析》适合压制沙漠中的人文干扰，但由于汽车转速测量场地大多是水泥地面，在这种环境下的人文干扰的能量往往是有用信号的多倍，不适合压制城市环境中地震信号的人文干扰，文献《基于RCSST和CNN的微弱地震信号噪声压制方法研究》适于多道采集的地震勘探环境，不适用于处理检车环境的单道地震信号，此外，压制强噪声时通常使用的方法有中值滤波法，该方法用干扰附近的有用信号的幅值替代干扰，但也会削弱其它时段的有用信号，使提取转速的准确度降低。
综合考虑现有汽车转速测量方法，在城市复杂检车环境下，都难以高效可靠的测量一段时间内汽车转速。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种城市复杂噪声环境利用地震检波器测量汽车转速的方法。
本发明的发明思想是，本发明拟通过地震检波器布置在城市室外环境的检车场地地面，将汽车停靠在地震检波器旁，汽车发动机启动时，产生的振动信号会通过车轮耦合到地面形成瑞雷波，通过地震检波器在距车轮一定范围内接收到瑞雷波进而实现测速。首先，布设好汽车转速测试场地，求取非移动目标产生的干扰的频率范围并分析背景噪声的稳定性；然后开始测速，获取测速信号的时频能量矩阵；再根据干扰判定条件找出人员行走干扰及远距离车辆行驶干扰并分别压制；最后通过推导的转速公式得出最终的转速测量结果。由于检车场地在室外，大大增加了被检汽车的流动性，不管连续检测多少车辆，都不需要调整地震检波器位置，减少了人员操作，从而极大提高了测量效率。
1.一种城市复杂噪声环境利用地震检波器测量汽车转速的方法，包括以下步骤：
a.布设汽车转速测试场地，连接地震仪和地震检波器，地震检波器采集数据时只使用垂直分量，采样率Fs满足400≤Fs≤1000，用石膏将地震检波器底部固定在测试场地的地面，被测汽车的左前轮或右前轮位置保持与地震检波器的直线距离在1米内；
b.求取非移动目标产生的干扰的频率范围，测速前采集一段2分钟背景噪声，求取该背景噪声的功率谱记为S(n)，n为采样频率序号，n＝1,2,...,N，N为S(n)的总点数，将功率谱等分成M段子功率谱，且M满足Fs/20≤M≤Fs/10，取S(n)中所有大于其所在子功率谱的阈值的点，子功率谱的阈值等于该子功率谱的均值的3倍，将这些点中采样频率序号连续的点作为一个连续区间，假定可得到D个连续区间，且任意两个连续区间不能组成一个新的连续区间，设Rd为第d个连续区间，d＝1,2,...,D，Rd的计算公式为
Rd＝[0.5L′d·Fs/N，0.5L″d·Fs/N] (1)
其中，“·”表示乘法运算，L′d、L″d分别是第d个连续区间中最小和最大的采样频率序号，令K＝R1∪R2∪...∪RD，K为非移动目标产生的干扰的频率范围；
c.分析该测速环境下背景噪声的稳定性，求出K的区间长度记为G，若G≤15，则证明该环境噪声稳定性好，可以进行转速测量，反之应选择其它时间段再次执行步骤b至步骤c，直到环境噪声稳定；
d.计算测量信号的时频矩阵，汽车发动机启动后再记录转速信号y(t)，信号时长为T秒，且60≤T≤150，t＝1,2,...,T·Fs，对y(t)带通滤波获取10Hz到150Hz部分信号，并对滤波后的地震信号时频分析，获得时频矩阵(pab)A×B，A是行数，B是列数，a代表时间信息，b代表频率信息，a＝1,2,...,A,b＝1,2,...,B，且0.5T≤A≤T，140≤B≤280；
e.对远距离车辆行驶干扰进行压制，令
设Euv为元素puv的检测子矩阵，u＝2,3,...,A-1，v＝2,3,...,40，令
x为正整数，判定元素puv是否存在汽车行驶干扰的条件为
其中，C＝A-2，Θ(P,γ)是计算矩阵P中分别不小于数值γ的元素个数的函数，Λ()为计算均值的函数，将满足条件(3)的puv逐行替代为Λ(Euv)，替代后的矩阵为(p′ab)A×B；
f.对人员行走干扰进行压制，判定行向量是否存在人员行走干扰的条件为
对任意u，若u满足条件(4)，则将p′ub分别替换为
再使列序号满足b·Fs/(2B)∈K的p′ab分别替换为
处理后的矩阵为(qab)A×B；
g.获取测量信号的转速信息，计算a·T/A时刻下转速对应的频率Ja
其中，Ha＝Ja-1-1，Ia＝Ja-1+1，Γ()为计算数值最大的元素在矩阵中的列序号的函数，定义η(a)为转速序列
η(a)＝λ·Ja·Fs/(e·B) (6)
λ为汽车冲程数，e为发动机的缸数，利用(T/A,2T/A,...,T)和η(a)两序列再经插值处理可得出转速测量结果。
有益效果：本发明可应用在城市复杂噪声环境，适用性强，在较多的人员行走及远距离车辆行驶等人文干扰中依然有效；本发明方法测量汽车转速效率高，且操作简单，仅须将汽车开到指定位置，无须调整测量装置及汽车位置，短时间内可连续测量多辆汽车，减少了人员操作，从而极大提高了测量效率，至少提高一倍，且测量成本低廉。
附图说明
图1在城市复杂噪声环境中用地震检波器测量汽车转速的方法场地布设图
图2(a)地震检波器垂直分量接收的信号的时频图，矩形框内为人员行走干扰，椭圆形框内为远距离车辆行驶干扰，在40Hz左右还有非移动目标产生的持续的单频干扰；(b)贴在发动机上的加速度传感器接收的信号的时频图。
图3(a)用本发明方法处理地震检波器垂直分量信号得到的转速曲线；(b)用本发明方法处理贴在发动机上的加速度传感器信号得到的转速曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例是在校园水泥路面进行，被测车辆为4缸4冲程汽车，地震检波器距离汽车行驶方向右侧车轮1米远。测量该汽车转速时段内，时有行人走动和车辆往来。为对比该方法与接触式测量的效果，在汽车发动机上贴一个加速度型振动传感器。
一种在城市复杂噪声环境中用地震检波器测量汽车转速的方法，包括以下步骤：
a.布设汽车转速测试场地，连接地震仪和地震检波器，地震检波器采集数据时只使用垂直分量，采样率Fs＝1000，用石膏将地震检波器底部固定在测试场地的地面，被测汽车的左前轮或右前轮位置保持与地震检波器的直线距离在1米内即可；
b.求取非移动目标产生的干扰的频率范围，测速前采集一段2分钟背景噪声，求取该背景噪声的功率谱记为S(n)，n为采样频率序号，n＝1,2,...,N，N为S(n)的总点数，本例中将功率谱等分成50段子功率谱，取S(n)中所有大于其所在子功率谱的阈值的点，子功率谱的阈值等于该子功率谱的均值的3倍，将这些点中采样频率序号连续的点作为一个连续区间，本例中得到10个连续区间，且任意两个连续区间不能组成一个新的连续区间，设Rd为第d个连续区间，d＝1,2,...,10，Rd的计算公式为
Rd＝[0.5L′d·Fs/N，0.5L″d·Fs/N] (1)
其中，“·”表示乘法运算，L′d、L″d分别是第d个连续区间中最小和最大的采样频率序号，令K＝R1∪R2∪...∪R10，K为非移动目标产生的干扰的频率范围；
c.分析该测速环境下背景噪声的稳定性，求出K的区间长度为6.1且不超过15，则证明该环境噪声稳定性好，可以进行转速测量；
d.计算测量信号的时频矩阵，汽车发动机启动后再记录转速信号y(t)，信号时长为60秒，t＝1,2,...,60Fs，对y(t)带通滤波获取10Hz到150Hz部分信号，并对滤波后的地震信号时频分析，获得时频矩阵(pab)A×B，A是行数，B是列数，a代表时间信息，b代表频率信息，a＝1,2,...,A,b＝1,2,...,B，且30≤A≤60，140≤B≤280；
e.对远距离车辆行驶干扰进行压制，令
设Euv为元素puv的检测子矩阵，u＝2,3,...,A-1，v＝2,3,...,40，令
x为正整数，判定元素puv是否存在汽车行驶干扰的条件为
其中，C＝A-2，Θ(P,γ)是计算矩阵P中分别不小于数值γ的元素个数的函数，Λ()为计算均值的函数，将满足条件(3)的puv逐行替代为Λ(Euv)，替代后的矩阵为(p′ab)A×B；
f.对人员行走干扰进行压制，判定行向量是否存在人员行走干扰的条件为
对任意u，若u满足条件(4)，则将p′ub分别替换为
再使列序号满足b·Fs/(2B)∈K的p′ab分别替换为
处理后的矩阵为(qab)A×B；
g.获取测量信号的转速信息，计算60a/A时刻下转速对应的频率Ja
其中，Ha＝Ja-1-1，Ia＝Ja-1+1，Γ()为计算数值最大的元素在矩阵中的列序号的函数，定义η(a)为转速序列
η(a)＝λ·Ja·Fs/(e·B) (6)
λ是汽车冲程数为4，e是发动机的缸数为4，利用(60/A,120/A,180/A,...,60)和η(a)两序列再经插值处理可得出转速测量结果。
经测试，即便受到了较大的干扰，该方法下的地震垂直分量信号与加速度传感器测量结果基本一致。地震结果相对接触式加速度传感器的平均误差为0.49％，该时段相对误差的方差为0.88。而利用同步挤压小波变换方法得到的平均误差最小时仍为1.4％，该时段相对误差的方差为0.98，由图3对比可知，本发明方法效果更优，利用本发明方法得到的汽车转速和接触式测量结果的一致性较高，测量结果的准确度和平稳度都符合相关工程的要求。
Claims (1)
1.一种在城市复杂噪声环境中用地震检波器测量汽车转速的方法，包括以下步骤：
a.布设汽车转速测试场地，连接地震仪和地震检波器，地震检波器采集数据时只使用垂直分量，采样率Fs满足400≤Fs≤1000，用石膏将地震检波器底部固定在测试场地的地面，被测汽车的左前轮或右前轮位置保持与地震检波器的直线距离在1米内即可；
b.求取非移动目标产生的干扰的频率范围，测速前采集一段2分钟背景噪声，求取该背景噪声的功率谱记为S(n)，n为采样频率序号，n＝1,2,...,N，N为S(n)的总点数，将功率谱等分成M段子功率谱，且M满足Fs/20≤M≤Fs/10，取S(n)中所有大于其所在子功率谱的阈值的点，子功率谱的阈值等于该子功率谱的均值的3倍，将这些点中采样频率序号连续的点作为一个连续区间，假定可得到D个连续区间，且任意两个连续区间不能组成一个新的连续区间，设Rd为第d个连续区间，d＝1,2,...,D，Rd的计算公式为
Rd＝[0.5L′d·Fs/N，0.5L″d·Fs/N] (1)
其中，“·”表示乘法运算，L′d、L″d分别是第d个连续区间中最小和最大的采样频率序号，令K＝R1∪R2∪...∪RD，K为非移动目标产生的干扰的频率范围；
c.分析当前测速环境下背景噪声的稳定性，求出K的区间长度记为G，若G≤15，则证明当前背景噪声稳定性好，可以进行转速测量，反之应选择其它时间段再次执行步骤b至步骤c，直到背景噪声稳定；
d.计算测量信号的时频矩阵，汽车发动机启动后再记录转速信号y(t)，信号时长为T秒，且60≤T≤150，t＝1,2,...,T·Fs，对y(t)带通滤波获取10Hz到150Hz部分信号，并对滤波后的地震信号时频分析，获得时频矩阵(pab)A×B，A是行数，B是列数，a代表时间信息，b代表频率信息，a＝1,2,...,A,b＝1,2,...,B，且0.5T≤A≤T，140≤B≤280；
e.对远距离车辆行驶干扰进行压制，令
设Euv为元素puv的检测子矩阵，u＝2,3,...,A-1，v＝2,3,...,40，令
x为正整数，判定元素puv是否存在汽车行驶干扰的条件为
其中，C＝A-2，Θ(P,γ)是计算矩阵P中分别不小于数值γ的元素个数的函数，Λ()为计算均值的函数，将满足条件(3)的puv逐行替代为Λ(Euv)，替代后的矩阵为(p′ab)A×B；
f.对人员行走干扰进行压制，判定行向量是否存在人员行走干扰的条件为
对任意u，若u满足条件(4)，则将p′ub分别替换为
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g.获取测量信号的转速信息，计算a·T/A时刻下转速对应的频率Ja
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λ为汽车冲程数，e为发动机的缸数，利用(T/A,2T/A,...,T)和η(a)两序列再经插值处理可得出转速测量结果。
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