[发明专利]微弱振动信号的谐波小波频域提取与振源识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及检测方法与信号处理技术，属于一种微弱振动信号检测方法，包括对信号的小波频域提取与相干函数振源识别。

背景技术

信号弱于噪声，无法用传统的检测方法提取的信号，称为微弱信号。微弱信号检测，就是指从噪声中提取有用信号从而达到对弱于噪声的信号测量的目的。微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。应用范围遍及电、机械振动、故障诊断、力学、材料等领域。微弱信号检测所针对的检测对象，是用常规和传统的方法不能检测的微弱量。目前对微弱振动信号检测原理和方法的研究人们已取得了若干成果。目前技术比较成熟的锁相放大器和Boxcar积分器能够对稳定的微弱周期信号进行有效的检测。微弱振动信号往往是有噪声伴随产生的。带噪声微弱周期信号检测的理论方法已经取得若干成绩，但当噪声足够强时就难以检测到周期信号(李舜酩.二进离散小波能量谱及其对微弱信号的检测。中国机械工程，2004，15(2)：394-397)；小波分析可以成功地进行非平稳信号、带有强噪声的信号等的分析与检测(何正嘉，訾艳阳，孟庆丰，等.机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2001)。但是，常用的基于二进的小波具有明显的局限性，且在频域具有明显的移相特性(李舜酩.高速旋转机械运行状态检测与故障诊断方法的研究[D].西安：西安交通大学建筑工程与力学学院，1998)。相干技术是频域上的一种振动信号源识别技术，如果在时频域上只考虑频率与信号的关系，将时间看成一个常数，也可以用到时频域上。国内外对相干技术的利用主要局限于三种函数，即常相干函数、偏相干函数以及重相干函数，而且一般只采用其中的一种或两种进行信号源识别。这三种函数在国内文献中虽然都有应用，但鲜有提及偏相干函数对信号源优先级排序的依赖性。而虚相干函数，虽然国内有文献利用类似于它的方法进行信号源识别，却未提及其定义。实际工程中，采集到的多个振动信号往往不满足独立性，且独立信号源的个数也常常是未知的。

发明内容

本发明的目的就是在综合各微弱振动信号检测方法的优点，提供一种可以把强噪声全部消除掉，既可以容易地把微弱周期信号提取出来，也容易分离出微弱奇异信号的信号检测方法-谐波小波频域提取法；并利用新的基于滤波器的相干函数法对检测信号进行信号源识别。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明微弱振动信号的谐波小波频域提取与振源识别方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：对微弱振动信号利用谐波小波变换进行信号分解得到噪声信号和振源信号、消除所述噪声信号、提取微弱振源信号的频域频段得到有用振源信号；

第二步：对第一步所述的有用振源信号进行谐波小波重构得到时域内有用振源信号；

第三步：将第二步所述的时域内有用振源信号利用基于滤波器的相干函数法识别振源。

所述的微弱振动信号的谐波小波频域提取与振源识别方法，其特征在于所述谐波小波变换如下：

由

的逆傅里叶变换确定的实函数Ψ_e和Ψ_o可组合成一个复函数：

Ψ(x)＝Ψ_e(x)+iΨ_o(x)                              (2)

其中，角标e和o分别表示该实函数是变量x的偶函数和奇函数，i为复数，ω为频率；复函数如下：

Ψ(x)＝(e^i4πx-e^i2πx)/i2πx                            (3)

为谐波小波；用(2^jx-k)代替式(2)中的x，则式(4)可写为：

Ψ(2^jx-k)＝Ψ_e(2^jx-k)+iΨ_o(2^jx-k)                       (4)

这是一个复数小波，其中j、k均为整数，x是变量；令m＝2^j，n＝2^j+1，则相应的小波变为：

Ψ_m，n(x)＝(e^in4πx-e^im2πx)/[i2π(n-m)x]          (5)