低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)研究

低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)研究

■ 劉 超 劉召慶 雒 俊 趙 博 張丹惠

本文介紹了一種嶄新的低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)。該技術(shù)屬于涉及信號檢測、濾波器技術(shù)、直升機自控等技術(shù)的交叉研究領域。其核心是提取關鍵低頻窄帶振動信號特征向量，以數(shù)字化方式實現(xiàn)計算機處理，從而研制成振動主動控制計算機。進而最終實現(xiàn)直升機的真正自動飛行控制。本文提出了低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)的原理、方法、研究思路，介紹了其成果，并對國內(nèi)外相關技術(shù)情況進行了對比。

1．前言

1.1.研究背景

低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)來源于某振動主動控制計算機。它是實現(xiàn)振動主動控制計算機的關鍵技術(shù)，其主要目的是解決直升機飛行過程中飛機振動過大，只能依靠飛行員操控，無法進行真正自動駕駛的問題。其目的就是讓飛行員進行“傻瓜化”的智能操作。筆者基于這樣的目的和國內(nèi)相關研究所開展了多方合作，中航工業(yè)計算所為大量基礎性研究提供了硬件保證，調(diào)撥相關研究人員與作者共同對飛行員進行實地調(diào)研和走訪，初步研究了需要解決的關鍵問題，并確定了相關的研究方向。后協(xié)調(diào)機關、602所等相關單位，以631所為研究班底研究了低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)，以及振動主動控制計算機，并完成了相關研制協(xié)議書的簽訂。最終，啟動了上述兩大專項研究并取得了豐碩的成果，研究了振動主動控制計算機的技術(shù)基礎，實現(xiàn)了低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)。目前，研究成果不僅滿足有關的研制協(xié)議書的要求，其它相關指標均優(yōu)于最初的設計。

1.2.應用領域和主要用途

振動信號的采集、分析與處理是工程師常常遇到的問題。通過對振動信號的采集與分析，可以為產(chǎn)品的品質(zhì)鑒定、發(fā)動機故障的檢查和預警、飛機輪船或汽車的結(jié)構(gòu)健康分析提供重要的數(shù)據(jù)支撐。振動信號的實時精確采集可以有效并及時了解產(chǎn)品的工作狀態(tài)，對產(chǎn)品的健康和品質(zhì)做出即時的狀態(tài)判斷。尤其在航天航空領域，產(chǎn)品狀態(tài)的實時掌握，有助于對產(chǎn)品存在安全隱患的地方進行即時反饋，做出實時判斷，對影響飛行器安全的產(chǎn)品做出即時的更換和維修。

直升機振動信號具有低頻和窄帶特性。此類信號一般具有多噪聲的特點，因此對有效振動信號的精確提取具有重要意義。本文對低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)進行研究，該技術(shù)可用于航天航空等工程領域，具有很大的應用價值。

2.性能預期及目標

在直升機應用方面，目前國內(nèi)尚沒有類似的研究和產(chǎn)品，國外也無類似的研究和技術(shù)報道，因此只能根據(jù)實際情況來預期并確定研究目標。

振動主動控制系統(tǒng)是飛機的重要組成，振動信號的采集與處理尤為重要，精確性高、實時性高、容錯性高的振動信號采集是本系統(tǒng)的關鍵技術(shù)。由于直升機的振動頻率常處于低頻窄帶范圍，低頻窄帶振動信號的調(diào)理及濾波處理技術(shù)的實現(xiàn)是實現(xiàn)該功能的重要手段。

需要注意的是，直升機、飛機等重大裝備的研究，往往是以機械功能和需求為研發(fā)目標的。而振動主動控制系統(tǒng)的核心是人——飛行駕駛者，這從根本上改變了直升機和飛機的研發(fā)思路，不難理解，駕駛者更好的感受或機械裝備更“傻瓜化”的智能操作是發(fā)揮人最大化利用裝備的技術(shù)保障。如果人的操作較為不便或機上環(huán)境較差，這將極大的影響飛行員及操作員實際的應用效果。振動主動控制系統(tǒng)即是考慮了這種“人”的需求，針對振動信號特性，該技術(shù)可處理的性能指標為：

8路振動傳感器信號（基于飛行員座椅）同步采集，采集頻率為200Hz；

信號通過帶通濾波提取21.5±3Hz范圍內(nèi)的振動信號；

實現(xiàn)振動傳感器的信號采集，接口類型為IEPE接口，電流源4mA，輸入電壓范圍為+5～+15V，電壓采集誤差不大于滿量程的±1%。

自檢測：具有對采集電路狀態(tài)檢測、傳感器電路狀態(tài)檢測功能。

3.思路原理及關鍵技術(shù)

3.1關鍵技術(shù)

在振動信號的采集過程中，本文設計了一種多路振動信號振幅實時精確采集電路，具有檢測振動傳感器狀態(tài)和線路狀態(tài)的功能，能夠方便可靠的應用于振動信號的采集。該技術(shù)的主要特點如下：

振動信號的多路同步采集，F(xiàn)PGA邏輯對多路采集電路進行同步控制，將采集結(jié)果保存到內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由于FPGA邏輯控制輪詢采集速度較快，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放的是最新數(shù)據(jù)。

軟硬件協(xié)同濾波技術(shù)，在硬件低通濾波的基礎上，采用軟件帶通濾波有效去除外部其它干擾信號，實現(xiàn)對直升機中低頻窄帶振動信號的有效提取，彌補單純硬件電路處理的不足。

圖1 低頻窄帶振動信號采集調(diào)理電路

振動信號采集電路狀態(tài)檢測技術(shù)。采集電路處于工作狀態(tài)時，使用激勵電壓電路完成電路狀態(tài)的檢測；采集電路處于非工作狀態(tài)時，使用激勵源信號電路完成電路狀態(tài)的檢測。振動傳感器狀態(tài)檢測，通過電壓采集電路和A/D轉(zhuǎn)化電路對振動傳感器與恒流源電壓之間的電壓進行監(jiān)控，根據(jù)電壓值的不同判斷振動傳感器狀態(tài)。

3.2研究核心思路

所研究的技術(shù)中，必定要將軟硬件濾波方法相結(jié)合才可以有效的提取低頻窄帶振動信號。其中通過硬件濾波電路獲取窄帶信號成本高，并且不易實現(xiàn)，通過軟件濾波算法彌補硬件濾波的不足，使提取的振動信號具有較高的精度，該方法具有較高的抗干擾能力。

圖2 振動傳感器接口電路框圖

表1 低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)與工程化應用的國內(nèi)外同類技術(shù)比較

該方法中多路振動信號可以實時同步采集，且具有自測試功能。采集電路實時性強，采集精度高，傳感器故障或者采集電路故障均能夠及時的發(fā)現(xiàn)，及時的更新和檢修。

初步確定以上思路的可行性。按照以上的設計思路，應采用以下技術(shù)：

直升機振動信號具有低頻和窄帶特性，低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)包含振動信號采集調(diào)理電路和振動信號帶通濾波處理技術(shù)。其關鍵是振動傳感器電路結(jié)構(gòu)設計的高效和有效性。

3.3振動傳感器電路結(jié)構(gòu)設計

振動信號采集調(diào)理電路包括振動信號的接口采集電路、信號調(diào)理電路、遲滯比較電路、二階濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、正弦激勵源信號電路、激勵源電壓電路、恒流源電路以及可編程邏輯電路，如調(diào)理電路圖1所示。接口采集和信號調(diào)理相接，信號調(diào)理分別和遲滯比較電路及二階濾波電路相連，二階濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路相連，遲滯比較電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路結(jié)果經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化進入FPGA中，F(xiàn)PGA將處理結(jié)果送到PCI總線中，以上電路流程即完成了振動信號的頻率和振幅采集。同時FPGA控制正弦激勵源信號電路、控制激勵源電壓電路對采集電路施加激勵，測試采集電路的狀態(tài)；恒流源電路為振動傳感器提供工作電流、同時回采恒流源與傳感器之間的電壓，用來檢測傳感器的工作狀態(tài)。

從圖1中提取振動信號幅值采集調(diào)理電路，該電路的設計框圖如圖2所示：

在接口電路中用瞬態(tài)抑制管對振動傳感器輸入的一對差分信號進行過壓保護，并通過RC一階濾波去除干擾和直流分量，再將經(jīng)過初次濾波后的信號在信號調(diào)理電路中放大，信號調(diào)理后進行高階低通濾波，有效的避免了高頻信號的干擾，該技術(shù)采用了二階濾波，其衰減可達到-40dB/十倍頻程。每路模數(shù)轉(zhuǎn)化電路相互獨立，具有16位分辨率，采集精度較高，單通道采樣率可達到100k/s，依據(jù)采樣定理，完全滿足振動采樣要求。電平轉(zhuǎn)換完成A/ D采集電路信號和可編程邏輯器件直接電壓的轉(zhuǎn)化。可編程邏輯器件使用PCI總線的時鐘對A/D轉(zhuǎn)換電路進行邏輯控制，采集結(jié)果保存到內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。可編程邏輯器件控制A/D采集，不占用CPU的資源，大大提高了CPU的工作效率。

4.與國內(nèi)外同類技術(shù)比較

該研究的國內(nèi)狀況：有類似報道，振動聲窄帶信號采集與分析（魚雷技術(shù)期刊），比較結(jié)果見表1；國外狀況：有類似產(chǎn)品，有通用數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品及模塊，比較結(jié)果見表1。

該技術(shù)通過方便的系統(tǒng)構(gòu)型和成熟的技術(shù)實現(xiàn)了窄帶振動信號的實時精確采集，已應用于國內(nèi)某型飛機振動主動控制計算機中（如圖3所示），并順利通過了系統(tǒng)地面聯(lián)試，實施效果良好。

5.結(jié)束語

圖3 振動主動控制計算機

本文研究的低頻窄帶振動信號同步采集提取技術(shù)已應用于國內(nèi)某型飛機振動主動控制系統(tǒng)中，順利通過了系統(tǒng)地面聯(lián)試，實施效果良好。該技術(shù)通用性強、實現(xiàn)成本低、適用范圍廣，使用方便，不僅可用于飛機的振動主動控制系統(tǒng)，還可推廣到工業(yè)領域，具有較高的技術(shù)價值和經(jīng)濟效益。

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（作者單位：劉超、雒俊、張丹惠,陸軍航空兵軍代局駐西安地區(qū)軍代室；劉召慶、趙博，西安應用光學研究所。）