基于LabVIEW的震動信號時頻域分析系統設計

摘 要：以地下爆炸產生的震動信號為研究對象，基于LabVIEW軟件，主要設計軟件模塊完成信號時域、頻域、時頻域分析。整個軟件采用自頂向下集成的模塊化編程思路，大大提高了軟件的執行效率和可擴展性。測試表明，該軟件系統可以很好的應用于震動信號分析方面。

關鍵詞：震動信號；時頻域分析；系統設計

在實際震動測試試驗中，獲取的震動信號屬于非平穩信號。直接些信號進行觀察分析往往不能滿足們的需求，很多信號的特征也不能直觀的被顯示出來。因此，對信號進行時頻域分析則成了研究的重點課題。時域分析可以直觀的給出信號在時域的特征，頻域分析可以給出信號在頻域的特征，時頻域聯合分析可以從圖中分析信號時域與頻域之間的聯系。這些往往對信號的特征提取分析有著重要的作用。在地下采集到的震動信號，往往由于傳播介質的復雜性，使其含有大量的噪聲信號或者和其他不明成分，對后續震源位置定位有著重要的影響。因此，文章以LabVIEW為軟件開發平臺，設計時頻域分析模塊，對震動信號進行相關的分析，為后續的震源定位提供良好的分析條件。

1 軟件整體結構設計

設計的軟件要良好遵從的界面交互性、軟件可移植性、開放性等原則。文章基于LabVIEW開放平臺，其具有計算機強大的圖形環境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，跟其他編程語言相比，其具有如下優勢：（1）虛擬儀器具有良好的擴展性能，能實時根據需要完成軟件的擴展。（2）由于虛擬儀器測控測試技術，其能與硬件很好連接，工程上經常用硬件開發平臺，利用虛擬儀器作為上位機完成相應的項目。（3）虛擬儀器是強大的圖形化語言，可以直觀方面的供開發人員開發程序。設計軟件從功能劃分為時域分析、頻域分析、時頻域分析。時域分析又包括濾波功能，頻域分析包括FFT功能，時頻域分析包括小波去噪功能。

2 軟件詳細功能設計

2.1 時域分析

時域分析是主要是根據分析信號的特點，有些特點我們不能直觀的看出來，因此時域分析要根據信號時間信息來獲得相應的特征 [1]。本系統設計的時域分析包括濾波功能。

濾波功能模塊設計：軟件設計的濾波有Butterworth濾波器、Chebshev濾波器、橢圓濾波器、貝賽爾濾波器。

（1）巴特沃斯濾波器的特點是其時頻域曲線較為平臺，沒有較大的起伏，在阻帶內從最高點慢慢下降至零。（2）切比雪夫濾波和理想濾波的頻率幅值響應曲線相互誤差系數為最小，但是在其頻率的通頻帶內存在幅度上下波動。（3）橢圓濾波器相比其他類型的濾波器，在系數階數相同的條件下有著很小通頻帶和阻帶輕微波動。（4）貝賽爾（Bessel）濾波器是具有最大平坦值的群延遲（線性相位響應）的線性過濾器。貝賽爾濾波器通常應用在音頻聲響系統中。貝賽爾濾波容易造成真個區域內的群延遲。

上述濾波器的實現，可以通過調用LabVIEW中的函數。用戶則通過設置高低截止頻率，濾波器的類型完成對信號的濾波操作。

2.2 頻域分析

FFT功能模塊設計：FFT是一種DFT的高效算法，稱為快速傅立葉變換（fast Fourier transform），它根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。在編寫該功能模塊時，可以調用LabVIEW中的FFT功能函數。用戶則可以通過設置FFT的頻率來分析信號。

2.3 時頻域分析

小波閾值去噪：由于爆炸產生的震動信號是非平穩信號，通常工程上所用的信號去噪方法包括傅里葉變換、維納濾波、卡爾曼濾波、自適應濾波等，其都要求信號是線性的，并不適于震動信號這樣的非平穩信號[2]。小波去噪的思想：震動信號經過若干層小波變換后，在幅值較大、數量較少數幾個小波系數上集中其大部分的能量；而噪聲經過小波變換后，在其高頻信息則主要集中了噪聲的特征，其能量值主要分布于幅值很小、小波系數較多的幾個小波系數上。根據上述特點，得出噪聲的小波系數值必然小于信號的小波系數值。因此，根據以上分析，軟件使用利用小波閾值變換能夠有效地實現信號與噪聲的分離[3]。

在軟件設計中，該小波去噪模塊主要通過LabVIEW和MathScript結合完成對信號的消噪設計。

3 軟件界面效果圖

根據上述功能的實現，編寫了軟件界面圖如圖1所示。用戶通過設定采樣頻率、小波分解層數、小波的類型、低通截止頻率、高通截止頻率以及濾波的類型，得出相應的波形信號圖。

4 結束語

本系統主要針對震動信號分析處理為目的，設計功能模塊完成對信號分析處理。為后續震動信號的定位提供了良好的前提。

參考文獻

[1]馬瑞恒，等.時頻分布在爆破震動信號處理中的應用[J].工程爆破，2004（10）：8-12.

[2]何軍，于亞倫，梁文基.爆破震動信號的小波分析[J].巖土工程學報，1998，20（1）：47-50.

[3]唐進元，等.一種新的小波閾值函數及其在振動信號去噪分析中的應用[J].振動與沖擊，2009（28）：118-121.

作者簡介：宋璐（1990-），女，山西太原人，碩士研究生，主要從事通信與信息系統方向的研究。