一種線譜提取方法研究

孫昕 薛飛

通過模擬信號(hào)的試驗(yàn)驗(yàn)證具有較好的效果。

關(guān)鍵詞:功率譜線譜特征提取

中圖分類號(hào):O4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(b)-0001-01

1 綜述

功率譜分析在噪聲信號(hào)處理領(lǐng)域具有重要意義,特別是功率譜中的線譜成分的檢測和提取對艦船車輛等機(jī)械的故障快速診斷和信號(hào)識(shí)別技術(shù)具有重要意義。對線譜進(jìn)行高質(zhì)量的譜估計(jì),可以得到聲源的許多信息。因此,線譜檢測和提取方法研究多年來一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

2 線譜基本特征

對于線譜的概念一般是這樣定義的:由一些離散頻率成分形成的譜稱之為線譜。從頻譜圖上看,在離散頻率的位置上,幅度以線狀存在的頻譜,稱為線狀譜,簡稱線譜。

2.1 線譜的幅度特征

線譜的幅度值是判斷其是存在的重要依據(jù)。線譜的幅度和其頻率一樣是隨時(shí)間變化的,這就要考慮幅度的時(shí)變特征。引起線譜幅度的變化的原因是復(fù)雜的,總的說來主要有以下幾個(gè)方面:

(1)噪聲源的機(jī)械振動(dòng)的不穩(wěn)定性;

(2)受到水中的聲波的傳播規(guī)律;

(3)受噪聲指向性的影響。

在影響線譜的幅值特性的各因素中,由于噪聲源的機(jī)械振動(dòng)的不穩(wěn)定性和線譜多途傳播引起的干涉是影響線譜幅值的主要因素,而噪聲指向性的影響為次要的。

2.2 線譜的頻率特征

線譜的頻率實(shí)際上是對應(yīng)著運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的機(jī)械振動(dòng)的頻率,以及這些頻率值的倍頻。一個(gè)線譜頻率的出現(xiàn)必然對應(yīng)著時(shí)間域內(nèi)的一個(gè)周期或準(zhǔn)周期信號(hào)的出現(xiàn)。在理論上,某一基頻的振動(dòng)應(yīng)該對應(yīng)頻域上的某條譜線,但是實(shí)際情況不是這樣,線譜的頻率值常常受到一些因素的影響,進(jìn)而使頻率的穩(wěn)定度受到影響。影響頻率穩(wěn)定度的主要因素有:

(1)機(jī)械振動(dòng)不夠穩(wěn)定時(shí),頻率會(huì)隨轉(zhuǎn)速的變化產(chǎn)生偏移。

(2)由于多卜勒(Dopple)效應(yīng),頻率會(huì)發(fā)生漂移。

(3)受頻譜分析的頻率分辨率的影響。

2.3 線譜的穩(wěn)定時(shí)間

確定目標(biāo)的線譜,必須要考慮到幅度和頻率的時(shí)變情況,所以必須對線譜存在的時(shí)間做出相應(yīng)的規(guī)定。在前面兩項(xiàng)判定條件均滿足的情況下,如果某根譜線存在的時(shí)間很短,顯然把它當(dāng)成目標(biāo)的譜線是不妥的。但是如果認(rèn)為穩(wěn)定線譜必須在全部時(shí)間T內(nèi)出現(xiàn),也是不合理的。

定義線譜存在時(shí)間的概率P為:

(1)其中為線譜幅度值滿足要求的線譜時(shí)間總和,為總樣本時(shí)間,線譜的個(gè)數(shù)將隨門限的降低而增加,概率P的門限應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況適當(dāng)選取,低于門限值的線譜就不與研究。

3 線譜的提取方法

3.1 線譜判定的準(zhǔn)則

對功率譜中的線譜進(jìn)行提取仍然是圍繞著線譜的三個(gè)基本特征展開的:①線譜的頻率;②線譜的幅度;③線譜的穩(wěn)定時(shí)間。在此,不妨把線譜的三個(gè)基本特征稱之為線譜提取的“三要素”。

利用線譜頻率的判定的準(zhǔn)則為:根據(jù)影響頻率穩(wěn)定度的主要因素,我們可以認(rèn)為線譜頻率的測量誤差為:

(2)應(yīng)該是線譜頻率允許的最大偏差,所以在內(nèi)發(fā)生的頻率偏移的頻率分量可以認(rèn)為是相同的譜線。

利用線譜的幅度進(jìn)行判定的準(zhǔn)則為:在頻譜圖上,頻率分辨率帶寬內(nèi),穩(wěn)定時(shí)間大于t秒,在連續(xù)背景上,有高出相鄰值A(chǔ)(dB)以上的離散分量,就可以認(rèn)為是線譜。關(guān)于A的選取根據(jù)所要分析的對象不同,一般選擇范圍在3—12dB。

利用線譜存在時(shí)間判定的準(zhǔn)則為:在前面兩項(xiàng)判定條件均滿足的情況下,如果某根譜線存在的時(shí)間很短,顯然把它當(dāng)成目標(biāo)的譜線是不妥的。但是如果認(rèn)為穩(wěn)定線譜必須在全部的樣本時(shí)間T內(nèi)出現(xiàn),也是不合理的。定義線譜存在時(shí)間的概率P,線譜的個(gè)數(shù)將隨概率P的門限降低而增加,概率P的門限應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況適當(dāng)選取,低于門限值的線譜就不與研究,該門限值P可選取大于75%。

綜上所述,判斷一條譜線是否為線譜,應(yīng)當(dāng)綜合考察是否滿足線譜的三個(gè)要素,僅滿足一個(gè)或兩個(gè)條件的線譜不能肯定其為線譜。所以在確定目標(biāo)的特征譜線時(shí),不能簡單地根據(jù)某時(shí)刻的一張頻譜圖草率而定,而是嚴(yán)格按照“三原則”進(jìn)行識(shí)別。

3.2 線譜提取的流程

輻射噪聲的平穩(wěn)功率譜是由連續(xù)譜和線譜組成,為了實(shí)現(xiàn)線譜的提取,需將兩種譜分離,除去功率譜中的連續(xù)譜成分,并在此基礎(chǔ)上依據(jù)線譜“三原則”進(jìn)行線譜提取。由此,我們可以確定線譜提取的流程如下:

(1)對輻射噪聲信號(hào)分段進(jìn)行FFT變換,得到功率譜圖;

(2)采用擬合法對各段功率譜譜圖中的連續(xù)譜趨勢進(jìn)行提取;

(3)功率譜圖中去除連續(xù)譜趨勢,獲得“拉平”后的線譜圖;

(4)對頻譜的峰值點(diǎn)進(jìn)行檢測,對譜線的幅值門限A進(jìn)行檢測并剔除偽峰;

(5)對線譜頻寬進(jìn)行檢測,在內(nèi)的譜線視為相同的譜線;

(6)線譜穩(wěn)定時(shí)間檢測,按照一定規(guī)則,在全部頻譜時(shí)間樣本中的線譜存在的樣本時(shí)間大于P,即視為穩(wěn)定的線譜;

(7)獲得穩(wěn)定線譜。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在這里假設(shè)噪聲信號(hào)在極短的分析區(qū)間內(nèi)是平穩(wěn)的。這種假設(shè)不僅在理論上還是在實(shí)踐中都具有合理性。根據(jù)對線譜提取方法和檢測準(zhǔn)則的研究,利用模擬數(shù)據(jù)的功率譜分析對其線譜特征進(jìn)行提取, 可以實(shí)現(xiàn)對線譜的快速提取。

4 結(jié)語

線譜特有的集中而穩(wěn)定的能量可以提高檢測性能,采用線譜提取的“三要素”實(shí)現(xiàn)對線譜的穩(wěn)定檢測在故障診斷和信號(hào)檢測、識(shí)別等領(lǐng)域中具有積極的意義。

參考文獻(xiàn)

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