專利名稱：提取特定周期信號成分的信號消噪方法
技術領域：
本發明屬于機械動態信號分析和故障診斷領域，進一步可擴展到信號消 噪、信號處理和特征提取等相關應用領域，特別涉及一種提取周期信號成分 的信號消噪方法。背親技術在自然界和工程應用領域，所涉及的信號往往受到各種確定的和隨機的 干擾源作用，使得信號中的有用成分被污染或淹沒，嚴重影響了信號的分析 精度，因此信號消噪在信號分析、檢測和識別領域具有重要的應用價值。在機械故障分析和診斷中，旋轉和往復機械運行過程的各種動態信號是 隨著機器的運轉而周期性重復的，其頻率是機器旋轉頻率的整倍數，這種周 期性信號特征反映了機器的運行狀態。然而，在強噪聲干擾的情況下，有用 信息被削弱，不僅信號的時間歷程顯示不出規律性，而且由于常用的譜分析 不能略去任何輸入分量，在頻譜圖中這些周期成分很可能被淹沒在噪聲背 景中。目前，具有獨特優點的時域同步平均技術則是解決這一問題的主要手 段。時域同步平均(參見羅德陽.時域同步平均原理與應用.振動、測試與診斷，1999， 19 (3))是從混有噪聲干擾的復雜周期信號中提取感興趣的周 期性成分的過程，也稱相干檢波(coherent detction)。方法的要點是對測得的 振動信號以一定的周期為間隔截取若干段，然后將所截取的信號段中對應的 離散點相加后取算術平均。這樣可以消除原信號中的干擾噪聲而保留指定的 周期成分。時域同步平均在信號處理和分析中具有如下的獨特優點① 、時域同步平均可以有效消除和抑制信號中的干擾噪聲，*將感興趣 的(有用的)周期成分完整地保留下來。其實質是將信號中感興趣的周期成 分的基頻及其倍頻分量增強，且基頻和各倍頻之間的相位關系保持不變。這 一優點能夠將信號中感興趣的周期成分完整地展現出來，從而揭示信號的周 期性變化規律，籍此可以發現和分析信號中包含的重耍信息。② 、時域同步平均對信號中周期性成分的保留和增強具有選擇性，也就 是說，它不僅可以消除隨機干擾，還對不感興趣的(無用的)其他周期成分 有抑制和消除作用。這一優點一方面可以將分析的重點集中于感興趣的周期 成分，而排除其他周期成分的干擾。另一方面，也可以將不同的周期成分分 別提取和展示出來。正是由于時域同步平均具有上述兩個獨特的優點，使其在信號分析領 域，尤其是機械信號分析和故障診斷領域，具有十分重要的應用價值，成為 信號預處理不可或缺的重要手段，而且至今還沒有有效的替代方法和技術出 現。然而，盡管時域同步平均有難以替代的獨^^優點，但也有其自身的局限 性，常常由于環境和條件的制約而無法付諸實施。主要存在以下問題① 、與通常的信號采集不同，對域同步平均不僅要拾取被分析信號，同 時還要拾取旋轉軸的時標脈沖(鍵相信號)，來鎖定各信號段的起始點。這 需要安裝專門的傳感器和相應的硬件裝置，無疑會增加額外的費用，有時還 會由于現場環境的制約而無法實現。這就給時域同步平均帶來了具體實施上 的難度，使其適用范圍受到限制。② 、因為A/D變換器的采樣頻率一經設定是不變的，而且機器轉速的 微小波動使得時標脈沖頻率及周期也隨時在變化，常規采樣不可能保證各數 據段點數相等，這會對時域同步平均效果產生嚴重的影響(參見6luntDM. Synchronous averaging of helicopter tail gearbox vibration : phase referenconsiderations [ R ]. Defense Science and Technology Organization of Australia DOD， DSTOTR20397, 1998。)。解決這一問題的方法是采用頻率跟蹤技術， 或等轉角觸發采樣，使實際的釆樣頻率實吋跟蹤回轉頻率。這無疑又增加了 時域同步平均的花費和實施難度。③、時域同步平均是通過對截取的多段信號經平均運算實現的，因此， 從原理上講，截取的段數越多，干擾噪聲的衰減越大，平均的效果越好。但 是，從另一方面來看，截取的段數越多，需要存儲的信號容量越大，計算時 間越長。發明內容為了克服現有時域同步平均方法的上述缺陷或不足，本發明的目的在 于，提供一種簡單、實用、適應范圍廣的提取特定周期信號成分的信號消噪 方法。為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案 一種提取特定周期信號成分的信號消噪方法，其特征在于，具體包括下 列步驟步驟一，信號采集選取固定的采樣時間間隔r,按常規采樣將來自傳感器的模擬信號轉換 為離散數字信號，即，假定來自傳感器的模擬信號為W)，通過A/D轉換器 將:c(/)轉換為離散數字信號JC，，使得<formula>formula see original document page 7</formula>其中，N為樣本長度，取iV-1024;為保證提取的周期成分中包含足夠的倍頻數，采樣時間間隔T按以下規則取值式中/,為要提取的周期成分的基頻；at為倍頻的數目，通常為了保證提取的周期成分更為真實，a:取値越大越好。根據經驗，a:的取但不小于5，即可滿足工程耍求；歩驟二，確定周期成分的基頻對離散信號&，用快速富立葉變換獲得離散頻譜A，進而求得幅值譜IAI， w = o丄2，...，w-i。若幅值譜中周期成分基頻附近的最大譜線為i;^j， 其對應的頻率可作為基頻的近似值i;;采用頻域內插技術對義進行校正，以獲得/，的精確值，并按下列方法進行設ix^ 1為與|;^* i兩側的左右兩根譜線中最大的一根譜線，則可通過下式求得基頻的頻率精確值，即式中，4T為離散頻譜的頻率間隔，由下式表示《為頻率校正系數，由下式計算I X次大I +1 Xa大I上式中，如果IA^J位于IX^I的左側，取負號；否則，如果IA^力I位 于II駄I的右側，取正號；步驟三，確定周期成分的倍頻確定了周期成分的基頻以后，通過下式確定周期成分的倍頻力=私, fc = 2 3，'"，K式中，a:為倍頻的數目；步驟四，構造梳狀濾波器為了保證提取的周期成分的波形特征，要求濾波器具備零相移特性，采 用非遞歸數字濾波器技術構造梳狀濾波器，為了消除吉布斯效應的影響，對濾波器的沖擊響應進行加漢寧窗處理； 獲得的沖擊響應函數由下式給出6-=sin(2;r(/ +厶一 sin(2;r(/ -力)附D(l + cos(鵬/A/))式中，Z為帶通濾波器的中心頻率；A為濾波器通帶的半帶寬，^為濾 波器階數，且M取值大于40即可滿足要求；用上述基本的帶通濾波器以及步驟三獲得的信號周期成分的基頻和倍 頻/i-W， ife-l，2，…，AT，構造所需的梳狀濾波器的單位沖擊響應為 =f s—(力/M)) "i 、 咖T J式中，AT為信號中要提取的周期成分的倍頻數目； 步驟五，周期成分的提取構造了梳狀濾波器的沖擊響應之后，按以下非遞歸過程完成對信號;r，的 處理，即凡=|>鵬^- , " = 0，1，2，.."〃一1冊=—Jl/其中，h即為濾波后的離散信號，也就是經過消除噪聲干擾后從信號x， 中提取出來的特定周期成分。均技術相比，不僅可以實現時域同步平均的功能，具備時域同步平均的優點 (參見背景技術中的優點①和優點②)而且擴展了時域同步平均的功能和適應范圍，具有以下獨特的技術特點(D.時域同步平均需要時標信號(鍵相信號)，以便鎖定各信號段的起 始點。而本發明不需時標信號，因此省去了安裝專門的傳感器和相應的硬件 裝置的花費，具有實施成本低的特點；同時，也不受安裝時標傳感器的現場環境和條件的制約，拓寬了適用范圍。② .時域同步平均需要截取多段信號，然后對各段信號進行平均運算， 因此，霈要的信號量和存儲空間大，計算吋間長。而本發明只需一段信號， 存儲容量小，計算速度快。③ .此外，本發明可以根據需要靈活構造梳狀濾波器，可以選取基頻和 倍頻中的任意組合來構造梳狀濾波器。例如，選取奇數頻率(即，選取基頻和3、 5、 7...倍頻為中心頻率)或偶數頻率(即，選取2、 4、 6...倍頻為中 心頻率)等等。甚至可以構造不等距梳狀濾波器，例如，選取基頻、2、 4、 5等等。這一優點，在機械信號分析和故障診斷中常常是特別有用的。本發明的方法采用非遞歸濾波器技術構造梳狀濾波器；用頻域內插技術 精確獲得濾波器的中心頻率；能有效消除信號中的各種噪聲的干擾，提取出 信號中感興趣的周期成分。具備時域同步平均技術的優點，且不需要時標信 號，需要的信號量小，計算速度快，適用范圍廣，實施成本低。可應用于機 械動態信號分析和故障診斷領域，以及信號消噪、信號處理和特征提取等相 關應用領域。
圖1為實施例中齒輪振動信號的原始波形圖 圖2為圖1信號的頻譜；圖3為通過本發明獲得的梳狀濾波器的頻率響應函數； 圖4為用本發明提取的特定周期成分的波形圖。為了更清楚地理解本發明，以下結合附圖和發明人依本發明的技術方案 給出的實施例對本發明作進一步地詳細描述。
具體實施方式
一、本發明的技術方案構思基礎及要點時域同步平均之所以能夠保留感興趣的完整周期信號成分而將干擾噪聲和其它周期成分去除，原因在于同步平均等價于一種梳狀數字濾波器。該 濾波器由一系列等距分布的帶通濾波器及旁瓣組成，帶通濾波器的中心頻 率是特定周期成分的頻率的整數倍，并能保證通過的信號各頻率之間無相 移。此外，平均次數越大，通帶寬度越窄，消除干擾噪聲的效果越好。時域 同步平均的這種梳狀濾波器特性，正是本發明技術方案的技術構思基礎。本發明的核心在于利用數字濾波器技術構造梳狀濾波器，對信號進行濾 波處理，從而達到提取感興趣的周期成分、濾除隨機噪聲和其它不感興趣的 周期成分的目的。要點在于① 、梳狀濾波器的構造為保證特定周期成分的基頻及其倍頻之間無相 移，首先采用有限沖擊響應濾波器技術設計出基本的零相移帶通濾波器。該 濾波器的帶寬應盡可能地窄，以確保對提取的周期成分有最好的效果。然后 根據信號中要提取的周期成分的基頻及其倍頻，構造出梳狀濾波器。圖3 給出了構造的梳狀濾波器頻率特性的一個實例。② 、梳狀濾波器各中心頻率的確定首先需要事先根據要提取的周期成 分的基頻及其^^頻來確定梳狀濾波器各中心頻率的值，此外，要點①中要求 帶通濾波器的帶寬盡可能地窄，因此精確確定信號中周期成分的基頻及其倍 頻十分重要。本發明通過用快速富立葉變換(FFT)求解信號的頻譜來獲得 信號周期成分的基頻及其倍頻值。但是，由于頻率分辨率的制約，由FFT 獲得的頻率值，常常存在很大誤差，因此本發明采用頻域內插方法提高基頻 和倍頻的估值精度。二.具體實現步驟 <1>信號采集選取固定的采樣時間間隔r,按常規采樣將來自傳感器的模擬信號轉換 為離散數字信號。即，假定來自傳感器的模擬信號為;c(/)，通過A/D轉換器 將;c(0轉換為離散數字信號^jc -j^),w = 0，1，2，…，W-l 其中，W為樣本長度，通常取為1024。為保證提取的周期成分中包含足夠的倍頻數，采樣時間間隔r按以下規則取值式中/i為要提取的周期成分的基頻(l/每秒)；AT為倍頻的數目，通常為了 保證提取的周期成分更為真實，A:取值越大越好。根據經驗，A:的取值不小 于5，即可滿足工程要求。 <2>確定周期成分的基頻對離散信號A，用快速富立葉變換(FFT)獲得離散頻譜A，進而求得 幅值譜IAI， n-O，U，...，W-l。若幅值譜中周期成分基頻附近的最大譜線為 |1，*|，其對應的頻率可作為基頻的近似值7i 。通常，對于離散頻譜，由于 頻率分辨率的制約，^與真實值/i并不相等，存在很大偏差。為此，本發明采用頻域內插技術對義進行校正，以獲得/;的精確值。設IA^ l為與IIw l兩側的左右兩根譜線中最大的一根譜線，則可通過 下式求得基頻的頻率精確值，即式中，4f為離散頻譜的頻率間隔，由下式表示《為頻率校正系數，由下式計算《=±_L^J_|1次大|+|1 大|上式中，如果IX^I位于IA^力I的左側，取負號；否則，如果l^^l位 于IA^力I的右側，取正號。<3>確定周期成分的倍頻確定了周期成分的基頻以后，可以通過下式確定其倍頻,*=^/;， it-2，3'…，/:式中，A:為倍頻的數目。 <4>構造梳狀濾波器為了保證提取的周期成分的波形特征，要求濾波器必須具備零相移特 性，因此采用非遞歸數字濾波器技術構造梳狀濾波器。首先設計一個基本的 具有理想通帶特性的帶通濾波器。為了消除吉布斯效應的影響，對濾波器的 沖擊響應進行加漢寧(Hanning)窗處理。^^得的沖擊響應函數由下式給出式中，/為帶通濾波器的中心頻率；A為濾波器通帶的半帶寬，M為濾 波器階數，通常濾波器階數A/取得越大，精度越髙，但計算量越大。根據 經驗，M取為大于40，即可滿足工程應用要求。用上述基本的帶通濾波器以及步驟<3>獲得的信號周期成分的基頻和 倍頻/,-W， Jfe-l，2，…，Jf，可以方便地構造所需的梳狀濾波器的單位沖擊響 應，即6 =堂f"W-si頓- ))(1 +—/M)) "i 、 鵬『 J式中，A:為信號中要提取的周期成分的倍頻數目。值得指出的是，上述由基本的帶通濾波器構造梳狀濾波器的過程是非常 簡單、靈活的，這意味著，可以根據應用需要，構造不同用途的梳狀濾波器。 例如，申請人可以只取信號周期成分中的奇數倍頻來構造梳狀濾波器，獲得 僅有奇數倍頻的信號波形變化規律，這一點在機械故障診斷中是非常有價值 的，這也是本發明的特點之一。<5>周期成分的提取構造了梳狀濾波器的沖擊響應之后，借助于以下非遞歸過程完成對信號 x,，的處理，即其中，凡即為濾波后的離散信號，也就是經過消除噪聲干擾后從信號;r,, 中提取出來的特定周期成分。 實施例此處描述的實施例是用某低速齒輪齒面磨損損傷模擬試驗的振動加速 度數據進行的。該齒輪的轉速為"。=120轉/分，齒輪的齒數z-25，齒輪各齒 的齒面由于長期運行而處于均勻磨損狀態。由齒輪的轉速和齒數可以計算出 齒輪的嚙合頻率為/: =z"。/60 = 25x120/60 = 50 (Hz)根據步驟<1>對信號采樣獲得離散信號jc，，采樣時間間隔r = o.ooi秒，樣本長度^ = 1024。圖1是采集的原始信號時域波形圖。按步驟〈〉采用FFT計算信號;r"的頻譜^J,參見圖2。在齒輪的嚙合 頻率厶=50他附近找出最大譜線，并通過頻域內插技術求得基頻/。(此例 算得的精確值為51.2Hz)。按步驟<3>計算/。的倍頻值。由于采樣頻率為l/0.001=1000Hz，有效分 析頻率范圍為(K500Hz，因此可取倍頻數目X-9。.用計算獲得的基頻和倍頻值，按步驟<4>構造梳狀濾波器。圖3是構造 的梳狀濾波器的頻率響應函數。從該實施例可以看出，原始信號(圖l)受到強大噪聲的污染，信號雜 亂無章，從中無法得出有價值的信息。而經過本發明的方法處S以后(圖4)， 信號中周期成分明顯地展顯現出來，干擾噪聲受到抑制和消除。可見本發明 的方法有很強的消噪能力，對周期成分的提取有很好的效果。
權利要求
1.一種提取特定周期信號成分的信號消噪方法，其特征在于包括下列步驟步驟一，信號采集選取固定的采樣時間間隔T，按常規采樣將來自傳感器的模擬信號轉換為離散數字信號，即，假定來自傳感器的模擬信號為x(t)，通過A/D轉換器將x(t)轉換為離散數字信號xn，使得xn＝x(nT)，n＝0，1，2，...，N-1其中，N為樣本長度，取N＝1024；為保證提取的周期成分中包含足夠的倍頻數，采樣時間間隔T按以下規則取值<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>T</mi><mo>≤</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mrow> <mn>2.5</mn> <mi>Kf</mi></mrow><mn>1</mn> </msub></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2007101884207C00011.gif" wi="80" he="42" img-content="drawing" img-format="tif"/-->式中f1為要提取的周期成分的基頻；K為倍頻的數目，且K的取值不小于5；步驟二，確定周期成分的基頻對離散信號xn，用快速富立葉變換獲得離散頻譜Xn，進而求得幅值譜|Xn|，n＝0，1，2，...，N-1。若幅值譜中周期成分基頻附近的最大譜線為|X最大|，其對應的頻率可作為基頻的近似值；采用頻域內插技術對進行校正，以獲得f1的精確值，并按下列方法進行設|X次大|為與|X最大|兩側的左右兩根譜線中最大的一根譜線，則可通過下式求得基頻的頻率精確值，即
全文摘要
本發明公開了一種提取信號中特定周期成分的信號消噪方法，該方法采用非遞歸濾波器技術構造梳狀濾波器；用頻域內插技術精確獲得濾波器的中心頻率；能有效消除信號中的各種噪聲的干擾，提取出信號中感興趣的周期成分。具備時域同步平均技術的優點，且不需要時標信號，需要的信號量小，計算速度快，適用范圍廣，實施成本低。可應用于機械動態信號分析和故障診斷領域，以及信號消噪、信號處理和特征提取等相關應用領域。
文檔編號G06F17/14GK101256094SQ200710188420
公開日2008年9月3日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年11月30日
發明者孟慶豐, 虹 范, 釗 趙 申請人:西安交通大學