基于双谱的谐波信号相位重构_百度文库
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基于双谱的谐波信号相位重构|基​于​双​谱​的​谐​波​信​号​相​位​重​构
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第?44?卷第?1?期
中南大学学报 自然科学版 ?
Vol.44? No.1?
2013?年?1?月?
Journal?of?Central?South?University? Science?and?Technology ?
Jan.?2013?
雷达辐射源信号双谱估计的物理意义及其辐射源个体识别
陈涛? ，姚文杨? ，翟孝霏? ，刘雅轩?
1.?哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨，150001；?
2.? 中华人民共和国 工业和信息化部 电子科学技术情报研究所，北京，100040 ?
摘要：针对目前研究中雷达辐射源信号双谱物理意义不明确的问题，给出偏态这一物理概念，并给出雷达辐射源
信号偏态的具体表现形式。针对雷达辐射源个体识别，提出应用围线积分双谱估计波形熵和围线积分双谱估计能
量熵组成的二维特征向量用于后续的分类识别。 在分类识别中， 应用分析性能良好的模糊 C-均值 FCM 聚类方法，
对提取出的二维特征向量加以聚类分析，从而完成在一定信噪比下对雷达辐射源个体的识别。最后，通过仿真实
验和实测实验验证本文所述方法的正确性和可行性。
关键词：雷达辐射源个体识别；偏态；双谱估计；围线积分；FCM 聚类
中图分类号：TN971.1?
文献标志码：A?
文章编号：13 01?0179?09?
Bispectrum?physical?meaning?and?emitter?individual?
recognition?of?radar?emitter?signal?
CHEN?Tao?,Y
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92基于阶比双谱分析的发动机故障特征提取_贾继德
第22卷(2004)第5期文章编号:100020；燃机学报；TransactionsofCSICE；Vol.22(2004)No.5；222072；基于阶比双谱分析的发动机故障特征提取；贾继德1,2,刘志刚1,张平1,王建平1,孔凡让；(1.中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽；2.蚌埠汽车管理学院,安徽蚌埠233011)；摘要:双谱估计是非线性、非高
内第22卷(2004)第5期　　　　　　　　　　　　文章编号:04)燃机学报TransactionsofCSICE　　　　　　　　　　　Vol.22(2004)No.5222072基于阶比双谱分析的发动机故障特征提取贾继德1,2,刘志刚1,张　平1,王建平1,孔凡让1(1.中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥230026;2.蚌埠汽车管理学院,安徽蚌埠233011)Ξ摘要:双谱估计是非线性、非高斯信号分析的有力工具,它能抑制加性有色噪声的影响,辨识非因果、非最小相位系统或重构非最小相位信号,抽取由于高斯性偏离引起的各种信息,检测和表征信号中的非线性以及辨识非线性系统[9]。但是它是以分析稳态信号作为前提条件。严格上讲,用它去分析内燃机上所得到的非稳态信号是不合适的。阶比双谱估计是一种新方法,将等时间间隔采样(Δt)所得的非稳态信号按等θ)重采样,得到阶域中的稳定信号,再用双谱进行分析。通过仿真信号的分析对比显示了该转角间隔(Δ方法的优越性。运用此方法对内燃机主轴承不同间隙下的噪声信号进行分析,结果表明提取故障的特征,实现状态监测。关键词:阶比跟踪;双谱;重采样;发动机;状态监测中图分类号:TK401　　　　文献标识码:AFeatureandofEngineFaultsBi2spectrumEstimationJIAJi1,,LIUZhi2gang1,ZHANGPing1,WANGJian2pin1,KONGFan2rang1,(1.DepartmentofPrecisionMachineryandPrecisionInstrumentation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei.DepartmentofAutomobileManagement,BengbuAutomobileManagementInstitute,Bengbu233011,China)Abstract:Bi2spectrumestimationisusefultoolforanalyzingnon2linearandnon2Gaussessignal.Itcanreducecol2ornoiseinfluence,identifynon2causalnon2minimumphasesystems,extractinformationofGaussiandeparture,detectnon2linearfromthesignalandidentifynon2linearsystem.However,itisadaptabletotheanalysisofstabi2lizedsignal.Enginefaultsignalsstronglydependontherotationspeedofthemainshaft.Thus,theconventionalspectrumorbi2spectrumanalysiscannotsupplythemeaningfulresults.Anewmethodbasedontheorderbi2spec2trumanalysisisproposedinthispaper,theunstablesignalsampledattheconstanttimeinterval(fixedΔt)θ),andobtainsthestabilizedsignalattheorderareaandshouldbere2sampledattheconstantangularinterval(Δthentoanalyzethesignalbythebi2spectrummethod.Theorderbi2spectrumanalysisshowitssuperioritycom2paredtotheconventionalbi2spectrumapproach.Applyingtheorderbi2spectrumintheanalysisofenginenoisesignalsshowsthatitcanextractthefaultcharacteristicsandrealizethestatemonitoring.Keywords:CBi2Re2EStatemonitoringΞ收稿日期:;修订日期:。),男,博士,副教授,主要研究方向为往复机械信号分析、作者简介:贾继德(1962―特征提取及故障诊断。2004年9月　　　　　　　　　　　贾继德等:基于阶比双谱分析的发动机故障提取?463?引言高阶统计量是近年来国内外信号处理领域内的一个前沿课题。作为其组成部分之一的双谱(Bi2spectrum)是目前热点研究的问题之一[4,5],已在工程应用取得了许多成果[1～3,6,11～13]。因为工程信号大部分呈非线性、非高斯的,如果应用功率谱(PowerSpectrum)进行分析,常常不能得到有意义的结果。而双谱是分析非高斯、非线性信号的有力工具,它从更高阶概率结构表征随机信号,弥补了二阶统计量(功率谱)不包含相位信息的缺陷,能定量描述非线性相位耦合[2]。当信号中含有加性高斯有色噪声时,双谱能有效地抑制噪声的影响,提高信噪比,因而用双谱分析振动、噪声信号更容易获得特征信息[10]。然而,由于双谱估计是采用一定的时间窗,并假设时间窗内的信号是平稳的,所以它和功率谱一样只适合于分析恒定转速的信号[3]。如果直接用双谱对非稳态信号进行分析时,会引起频率成分的混叠,频率分量变得模糊。尤其是对急加速、减速过程信号的分析必然会导致较大的误差。众所周知,内燃机上由于磨损所引起的零部件之间运动冲击信号与转速的变化密切相关,当转速(转频)变化时,振动频率也随之变化,并且信号是非稳态、时变的[15],测试中的非稳态工作过程是始终存在的,难以控制到恒转速状态。如果能以阶比(Order,振动频率与转频的比值)代替谱中的频率轴,将消除由于测试中转速波动所引起的谱分析误差。所以阶比分析(OrderAnalysis)信号变为阶域上的稳定信号,以满足功率谱、双谱分析理论要求,(OrderSpec2trum),双谱称为阶比双谱(OrderBi2spectrum)。较少。文献[3]。为了在转速变化时实现阶比谱、双谱分析,而要按等转角间隔采样。即当,,在每一机器回转轴旋转时,每隔相等角度,它有如下3种优点[14]。(1)。,可避免信号DFT转换时的泄漏,,最重要的是可准确提取信号中的相位信息。(2)。为了保证每次信号采集的起始点基准相同,系统往往采用键相信号的上升沿触发采集信号,从而使所有历史振动数据的相位具有纵向可比性。(3)可在采样序列中将变化的工频成分分离出来。应用阶比谱分析,即可获取与设备的工频及其谐波分量密切相关的故障信息。要实现同步整周期采样过去主要靠硬件实现,即硬件阶比跟踪方法(HardwareOrderTracking)。硬件阶比跟踪方法是采用模拟设备以实现阶比跟踪,已被应用于振动、噪声信号检测领域多年,是非常[7,8]成熟的技术,通常包括1个采样率合成器和1个抗混叠跟踪滤波器,1个转速计监测转轴的转速。它有两种应用方法。(1)直接在转轴上固定光电脉冲编码器(或光电码盘),往往由编码器产生阶比分析的触发脉冲和等转角采样脉冲,采样阶比(Os)往往是定值。如采为避免混叠,阶比采样必须滤掉Os/2阶以上的阶比。用一般的定截止频率低通滤波方式,低转速时,在采样阶比一半(Os/2阶)附近可能出现混叠,高速时又可能滤掉了感兴趣的信号成分[13]。(2)使用转速计的外部触发采样,由每转一次的转速脉冲经锁相环倍频方式跟踪转速的变化。转速计被用于计算两个连续的转速脉冲并由此估计出轴的转速。由该转速再算出对信号的新采样速率并在下1个转速脉冲间隔期间保持固定。由于定时的限制,新的采样速率不能被立即应用,通常有1个转速间隔的延迟,因此采样速率的调整滞后2转,在转速变化较大时会出现较大的误差[8],而且由于相关设备的成本和复杂性限制了其使用的范围。随着DSP处理速度的提高及现代数字信号处理方法的应用,计算阶比跟踪(ComputedOrderTrack2ing)方法变成数据采样比较流行的一个方法,系统原理见图1。从键相信号得到转速脉冲的抵达时间,由角度估算模块估计对应轴的转角,通过时间和角度的数据拟合建立其两者之间的关系。由选定重采样数据点(每转采多少点)得到相应的重采样的时间,通过对异步采样数据的插值,得到同步采样数据[7]。内?464?　　　　　　　　　　　　燃机学报　　　　　　　　　　　　　第22卷第5期　　这样由异步采样数据(Δt)通过数据重采样方法,借助于数据拟合与插值理论,用软件θ)采样数据。相比传统形式合成了等角度(Δ的方法更加灵活,并可产生相同或更好的精度[8]。另外除在机器上安装键相传感器外,它无需特定的硬件,这一点对许多机械状态监测都是重要的。结合计算阶比跟踪及双谱分析的优点,根据内燃机振动信号的特点,本文采用了一种新的适合于内燃机信号分析的方法:阶比双谱分析。即采用计算阶比跟踪的方法对往复机械所测得的振动信号进行重采样,将时域上非稳定信号通过恒定角增量采样转变为阶域的稳定信号,然后利用双谱分析方法对得到的信号进行分析。通过对该方法的理论分析及仿真信号的验证,证明该方法的可取之处。测,取得了较好的效果。1　阶比双谱的理论基础1.1　计算阶比跟踪方法假设机器是作匀变速转动,:θ(t)=b0+b12(1)(t1,t2,t3)来得到。因为转速脉冲的角度间隔(ΔΦ)是固定的,θ(t1)=0θ(t2)=ΔΦθ(t3)=2ΔΦb0b1b=(2)-11　t1　t11　t2　t221　t3　t322b2θ(t1)=0θ(t2)=ΔΦθ(t3)=2Δ(3)通过对方程(3)求解可得对应转角变化的时间:t=[b2(θ-b0)+b12-b1](4)θ,代入上式可得重采样的时间序列。如果每转取固定的数据点,即实现等角度变化:θ=kΔ重采样后的信号可以应用插值方法得到。计算阶比的精度取决于以下几个因素:如键相脉冲的估计时间精度和分辨率,数字滤波器的采样频率的选择,转速的变化是否满足假设条件,数字信号的拟合及插值的精度等。BossleyKM[8]等人对此进行了详细的分析研究。并得出对键相脉冲信号及振动、噪声信号采用较高的采样率能改善精度的结论。用高阶的插值方法也能改善精度,但采样时必须满足香农采样理论[7]。1.2　阶比定义及采样定理[14]θ)序列x(θ),S为采样经过重采样后,振动信号由等时间间隔(Δt)序列x(t)变为等角度间隔(Δ长度,L是序列的长度,n为回转轴的转速,如果回转频率为fr,则转频的阶比数为1。阶O=转数(5)2004年9月　　　　　　　　　　　贾继德等:基于阶比双谱分析的发动机故障提取?465?f=n?O/60(6)(7)(8)Δθ=1/Z(Z为每转脉冲数或采样点数)ΔθS=L?混叠与泄漏,即Os≥2Omax尽管分析域实现了变化,但是阶比采样仍然必须满足香农采样理论,才能使谱分析时不出现频率的(9)(10)式中:Os为采样阶比;Omax为最大分析阶比,最大分析阶比数　　　　　Omax=Z/2阶比分辨率最高分析频率保证整周期采样。1.3　阶比双谱的定义ΔO==fmaxΔθSL?=Omax?fr=L(11)(12)由于一般的DFT都采用2的整次幂取点,因而每转的采样数Z也应取2的整次幂为佳,那么就可以如果{x(n)}是一个周期性信号,其周期为N,即x(n)=x(n+N),Fourier序列、功率谱和双谱。(a)Fourier变换N-1　X(O)=k=0∑)ex(θ-joN　　O=0,1,-(13))为离散的转角序列式中:x(θ(b)　P(O)O)3(O)(14)(c)阶比双谱N(d)双谱沿阶比O1=O2对角切片　B(O1,O2)=X(O1)X(O2)X3(O1+O2)(15)　B(O1,O2)|O1=O2=N23X(O)X(2O)(16)阶比双谱具有双谱所有的性质。双谱估计有直接法和间接法2种,而间接估计方法更能突出信号中的频率成分,适于故障信号的特征提取[16]。2　仿真试验从内燃机上所得的信号往往包含有复合频率成分,所以采用复合线性调频信号进行仿真。信号中的2个频率f随主轴转速n变化,以模拟内燃机加速阶段测得信号,且频率与时间、转速有如下关系:πf(t)?t]+cos[20πf(t)?t]　S信号=0.5cos[2　瞬时频率　　f(t)=5t+2(17)(18)(19)　转速　　　　n(t)=60f(t)说明:1)原始采样频率为500Hz,采样触发转速n为120r/min时开始采样,共采样1024点,如图2a、图2b所示;FFT算法中所用信号不加窗(相当于加宽度为1024点的矩形窗),由于对时域信号非整周期截断,对应谱图中存在能量泄漏,谱为单边功率谱;2)等角度采样中每转采样20点,即轴(或信号相位)每变化π/10rad采1个值。从图2a可清晰地看出在1024个采样点显示的波形中频率是逐渐增加的,说明采样信号是一非稳定信号。而用DFT计算时,总是假设窗内的信号是稳定的,得到的谱线反映的是在窗内信号所有的频内?466?　　　　　　　　　　　　燃机学报　　　　　　　　　　　　　第22卷第5期率成分,所以窗中信号频率变化造成了“频率模糊”,如图2b所示;试验证明,用常规频域分析法不适合分析变速机械的振动信号,然而基于等角度采样的阶比分析可以得到很好的结果,在阶域中信号变成了正弦信号,如图2c所示;其阶比谱清楚地反映了信号随转速变化的情况,如图2d所示,1个与1阶(倍)、10阶(倍)转速有关的信号被清晰地显示了出来;双谱估计能进一步揭示信号频率之间的相位信息和消除加性高斯噪声,当信号是非稳态的,同样会造成双谱估计中的能量发散、“频率模糊”,如图2e所示;而阶比双谱可以清晰地得到信号中的1阶(倍)、10阶(倍)转速有关的成分,如图2f所示。3　实例分析振动信号比声音信号有较高的信噪比,所以人们大多采用振动测试的方法分析信号。然而声学测试技术具有非接触测量、简便易行等特点,,,。对于主轴承故障的振动信号分析研究,可参看文献[15]。EQ6100多缸汽油机的加机油口是用于加机油于内燃机内部的直接通道,内部机器的运行状况也能通过此通道以声音的方式传出来,所以有经验的老师傅利用塑料软管伸入加机油口,通过声音的变化来诊断是否有故障。在EQ6100发动机上预先模拟不同的主轴承间隙,见表1。表1　模拟故障的间隙设定Tab.1　Presettingmainbearingclearances主轴承配合间隙/mm第4道瓦0.03～0.050.130.220.31第5道瓦0.03～0.050.200.400.58第6道瓦0.03～0.050.130.220.31代表符号Δ1Δ2Δ3Δ4声音信号的测取是在加机油口处用传声器监听,放大后送入B??K声级计,对声级计输出的信号进行分析处理。测试是以A计权的方式进行的。采用A计权进行测量主要是因为它较接近人耳对不同频率的响应,如人耳对低频不敏感,A声级计在低频处的衰减就很大。为了记录第一缸的上止点信号,同时用它来测量发动机曲轴的转速,在凸轮轴前端的正时齿轮盖上安装了磁电式传感器。每种间隙下测取10240点数据,并对数据进行归一化预处理,并用重采样的方法将等时间序列变为等转角序列,然后应用功率谱估计和双谱估计。在整个测试过程中转速保持在1500r/min附近,采样频率为3000Hz。除主轴承间隙按正常工况、轻微磨损、中等程度磨损、严重磨损状况4种情况设置外,其它测试条件保持一致。包含各类专业文献、生活休闲娱乐、高等教育、外语学习资料、中学教育、应用写作文书、行业资料、各类资格考试、专业论文、92基于阶比双谱分析的发动机故障特征提取_贾继德等内容。　}