關于信號處理中的數字處理方法分析

沈弘宇

龍泉一中2014級19班

關于信號處理中的數字處理方法分析

沈弘宇

龍泉一中2014級19班

為了能夠快速、準確地計算出沖擊信號的峰值以及脈寬等重要參數，筆者開發了一種通過先進數字信號處理方式與計算機編程技術結合而成的沖擊信號數字化處理軟件，它能夠在短時間內迅計算出沖擊信號對應的各項重要參數，并通過實際操作驗證了這一軟件的實用性。本文圍繞沖擊信號測試系統的構成、數字信號處理方法在信號處理過程中的實際應用、沖擊信號處理軟件的介紹三個方面展開討論，對信號處理中的數字處理方法進行了分析，并提出了一些作者自己的拙見，希望能夠對今后的信號處理工作提出一些理論建議。

信號處理 數字處理 波形

在實際工作當中，我們經常需要對沖擊信號測試系統所收集的沖擊信號進行處理，通過處理來來獲取沖擊信號的峰值、脈寬等一系列重要參數數據。現階段，數字信號處理方式已經實現了多樣化發展趨勢，市場上的信號數字處理方法種類非常多，甚至還可以采用Wavestar、Origin、MATLAB等軟件來處理沖擊信號測試系統中記載的波形數據，但是在眾多的方式之中，并沒有哪一種方法可以在短時間內準確地提供出具有一定精度的沖擊信號的測試數據。在本文中，筆者就針對如何通過數字信號處理方式來實現沖擊信號分析處理過程的簡化進行了分析。

1 沖擊信號測試系統的構成

在實際工作當中，出現頻率最高、使用最多的沖擊信號測試系統如下圖1所示，它主要是由電傳感器、電荷擴大器、示波器以及電源等部分構成的。在對信號進行實際測試的過程當中，首先應由壓電傳感器對沖擊信號進行測量，再以此為基礎將其轉化成為電荷信號，隨后再借助高輸入阻抗的電荷放大器把電荷量轉化成為電壓量，最后將低阻向示波器中輸出。

圖1 沖擊信號測試系統的結構示意圖

2 數字信號處理方法在信號處理過程中的實際應用

沖擊信號處理方法種類較多，在所有這些方法當中，首先使用簡單的移動平均法針對采集到的信號實施平滑處理，再通過二次曲線擬合的方法實現深入的曲線擬合，是目前效果最好的數字信號處理方式，它能實現較理想的噪聲控制效果以及數據平滑效果。

2.1 如何對峰值進行計算

在對沖擊波形進行采集時，波形通常會跟隨著傳感器的不同而發生相應的變化，一般情況下這些波形分為兩種，由正信號波形與負信號波形組成。在對沖擊信號進行處理的過程中，首先必須針對沖擊信號統一實施歸口化處理，歸口化處理是指將所有波形統一轉換為同一種形式，具體來說就是將負信號波形轉化成為正信號波形。轉化方式如下：針對采集到的波形中每個數據點對應的數值進行取補，通過數據取補這一操作可以快速實現所有負信號波形向正信號波形的轉換。波形在完成歸口化處理后，緊接著應對其加速度峰值進行計算，具體的加速峰值計算方法為：首先定位到最大數值所對應的數值點DMAX，隨后從最大數值對應的數值點向開始點方向找一段距離，直到位置2（圖2），隨后將位置2作為起始點，再往后取一小段距離，將波形在MIN值左右浮動作為界限直到位置3，計算位置2到位置3范圍內每個數據點的平均值，具體見圖2中虛線部位，最后用MAX值減去MIN值，兩者之間相減所得到的差值為加速度峰值，具體公式為df=dmax-dmin。

圖2 沖擊信號峰值的計算方式

2.2 如何對脈寬進行計算

在對脈寬進行計算時，首先應確定好脈寬的起點位置以及終點位置。假設加速度峰值為1，當峰值達到百分之八至百分之三十的范圍時需要對其進行移動平均處理，隨后使用最小二乘法來進行二次直線擬合計算，再計算出這一曲線中性點位置的切線方程。隨后延長這一切線，延長線與最小線的交界處就是脈寬的起始位置。按照上述這種方法還可以快速求出脈寬的終點位置。脈寬的起點位置1與終點位置2之間產生的間隔就是脈寬（如圖3所示）。我們在對脈寬進行計算時，并沒有直接使用波形與MIN值線兩者的交點以及波形與零線兩者的交點作為脈寬的起點位置與終點位置，主要是因為波形在上升初期過程以及下降初期過程中均會經歷一個平緩的過渡階段，如果直接使用它與MIN值線以及零點的交點來作為脈寬的起始位置與終點位置，很可能會導致計算出來的脈寬寬度過大現象，與實際情況產生嚴重的偏差，脫離實際，因此不會采取這種方式來確定脈寬起點位置與終點位置。經過多次試驗驗證，結果說明了通過以上方式計算得出的脈寬與實際波形脈寬的一致性較高。

圖3 沖擊信號脈沖寬度的計算方式

3 沖擊信號處理軟件的介紹

筆者嘗試使用了現階段便捷性最高的圖形用戶界面Graphic User Interface，GUI以及Visual Basic 5.0設計平臺、Visual C++開發平臺，自行研發出了全套沖擊信號處理軟件，這一軟件包括了從數據導入、數據處理，到數據分析，再到打印輸出的全部過程，具有功能多樣性的特點。其中使用的數據處理方式包括了原始曲線的五點三次平滑數據處理方式、基于快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）的數字濾波處理方式、信號峰值計算以及信號脈寬的計算處理方式等。沖擊信號處理通常會按照下述流程來進行：首先，通過沖擊信號測試系統對波形數據進行記錄并儲存；其次，將示波器中儲存的波形數據加載至信號處理軟件當中；隨后，針對數據波形展開平滑濾波分析；再次，對沖擊信號對應的峰值以及脈寬等數據進行計算；最后將所有數據通過打印的方式輸出。圖4為這一軟件對通過沖擊實驗獲取的數據進行處理后的一個具體案例。

圖4 沖擊信號處理軟件輸出的具體數據案例

4 結束語

在對沖擊信號進行處理的過程中，如果單一地應用移動平均以及二次曲線擬合相結合的數據平滑處理方式，確實能夠十分有效地緩解噪音所產生的影響；若能夠將數字信號這種現代化高效的處理方式與計算機編程技術有機地融合在一起使用，可以使沖擊信號分析處理工作更加簡潔、快速，在最短的時間內獲取有效的沖擊信號測試數據。

[1]周秀銀.誤差理論與實驗數據處理[M].北京:北京航空學院出版社,1986

[2]王正光.數據采集與處理[M].北京:國防工業出版社,1985

[3]沈文.關于沖擊信號的數字處理方法研究[J].航空計測技術,1999,19(2):19-22

[4]侯俊杰.深入淺出Windows MFC程序設計[M].武漢:華中理工大學出版社,1998