基于联合时频分析的X射线管旋转阳极振动特征分析研究

祖贺飞，王卫东，吴昊，张政波

中国人民解放军总医院，北京 100853

基于联合时频分析的X射线管旋转阳极振动特征分析研究

祖贺飞，王卫东，吴昊，张政波

中国人民解放军总医院，北京 100853

本文研究了一种利用联合时频分析（Joint Time Frequency Analysis）分析X射线管振动信号特征的方法。该方法利用短时傅里叶变换（Short Time Fourier Transform）的基本原理，并采用LabView中的信号处理工具编写了振动信号短时傅里叶变换分析程序，通过实验证明了该方法适用于监测X射线管在工作过程中振动信号频率随时间变化的情况，为X射线管工作状态监测提供了有效手段。

联合时频分析；短时傅里叶变换；振动特征； X射线管；旋转阳极

大型X线影像设备是医院诊疗工作的重要技术支撑，也是影响医院效益的关键设备，而X射线管是决定大型X线影像设备运营效益的核心、高值、易耗器件。开展X射线管工作状态检测与评估，指导X射线管的使用、维护、保修和购置等具有较高的经济价值和紧迫性。根据临床工程师多年的工作经验发现，部分X射线管、特别是CT或DSA等高热容量X射线管的故障中均不同程度存在X射线管旋转阳极故障的现象，且这些故障往往伴随旋转阳极振动异常，及存在明显噪声的规律，鉴于此基于振动检测的X射线管旋转阳极工作状态监测方法被提出[1]。在获得X射线管振动信号后，如何有效提取故障信号的振动特征，并将之与设备状态准确对应是进行状态监测的关键。故障特征提取的实质就是对信号数据进行一系列的分析处理，提取对故障识别有用的信息，主要有适合线性系统和平稳信号的时域分析（波形分析、相关分析、统计分析、轴心分析等）和基于傅里叶变换的频域分析（幅值谱、功率谱、包络谱、倒频谱等），以及适合于非线性系统和非平稳信号的联合时频分析（Joint Time Frequency Analysis，JTFA）、小波分析、Hilbert-Huang变换技术等[2]。联合时频分析可以同时在时域和频域中对信号进行分析，利用短时傅里叶变换（Short Time Fourier Transform，STFT）的基本原理，本文将采用联合时频分析中最为常用的短时傅里叶变换对典型X射线管振动信号进行分析，计算出信号不同时刻的功率谱，观察信号功率谱随时间的变化情况，探索有效的X射线管故障振动信号特征提取的方法和途径。

1 材料和方法

1.1 短时傅里叶变换（STFT）分析理论

短时傅里叶变换由Gabor在1946年提出，用以测量声音信号的频率定位。对于信号h(t) 的短时傅里叶变换定义为：

1.2 实验数据

图1 X射线管旋转阳极曝光周期典型振动信号（时域）

图2 X射线管旋转阳极启动相振动信号频域分析

图1所示为典型的在X射线管管壁检测到旋转阳极在一个曝光周期内的振动信号[4]。当进行X射线管振动信号监测时，将获得连续、多个该信号，对该信号的启动项和制动项分别进行FFT分析，如图2和图3所示，从图中可以看到，启动项振动信号的最高频率为2187.5Hz、制动项振动信号的频率降为468.7Hz，可见X射线管旋转阳极振动信号在一个曝光周期内存在显著的频率变化，该信号为本文时频联合分析方法的对象。

图3 X射线管旋转阳极制动相振动信号频域分析

1.3 基于LabView的联合时频分析程序

本文对X射线管振动信号的分析采用美国NI公司的LabView虚拟仪器软件，该软件所属的信号处理工具包（Signal Processing Toolkit）中包含具备短时傅里叶（STFT）变换功能的VI（Virtual Instrument）。本文主要采用STFT Spectrograms VI，该VI可通过选择端子参数设置不同从而设定不同的STFT窗函数，常用的窗函数包括Hanning、Hamming、Blackman-Harris、Exact Blackman、Flat Top、Term B-Harris 、Gaussian等。振动信号的处理程序如图4所示，采用该程序可快速完成X射线管振动信号的联合时频分析。

图4 X射线管振动信号时频联合分析程序图

2 实验结果及其分析

图5-(a) X射线管一个曝光周期振动信号联合时频分析（STFT）结果

图1所示X射线管振动信号经短时傅里叶（STFT）后得到如图5所示的时频联合谱。图5-(a)为采用“Guassian”窗函数对X射线管一个曝光周期的信号采用STFT变换后的图谱，图5-(b)为对具有3个曝光周期的振动信号进行STFT变换的结果。图5-(a)和图5-(b)中横坐标为时间，纵坐标为频率，该图清晰的反映了信号的频率随时间变化的情况，在不同时间段，信号的频率成分是存在明显的变化规律的。

图5-(b) X射线管三个曝光周期振动信号联合时频分析（STFT）结果

图6 X射线管振动信号FFT功率谱

3 讨论

基于傅里叶变换的信号频域分析方法，在现代故障诊断过程中起到了重要作用，但傅里叶分析方法也有明显的局限性，没有将时域和频域结合在一起，只适合于分析连续的、平稳的信号。本文关注的大热容量X射线管均采用旋转阳极结构，其完成曝光的过程存在明显的转速变化[4]，是典型的频率随时间变化的信号。图6是图5-(b)所示X射线管振动信号的FFT功率谱，即X射线管在3个连续的曝光周期后进行的FFT分析，从该图可以看出X射线管振动信号的频率成分，但是无法得到信号频率随时间变化的情况，而这对某些情况下异常振动的监测却意义非凡。例如，如果X射线管振动信号相同的频率变化分别发生在24h和发生在10min内，其FFT变换的结果区分不出这两种情况，但是采用STFT变换却可以清晰的看出频率随时间的变化，从而为监测者提供了更多的信号分析解读方法，有利于对故障异常信号的甄别。

4 结论

基于傅里叶变换的信号频域分析方法，在现代故障诊断过程中起到了重要作用。但傅里叶分析方法也有明显的局限性，没有将时域和频域结合在一起，只适合于分析连续的、平稳的信号，如果信号为非平稳信号、频率分量随时间变化，则基于傅里叶变换的各种谱分析方法不能说明其中某种频率分量出现在何时及其变化情况[5-7]。X射线管振动信号需要长时间、连续监测，传统的频域信号分析方法，如快速傅里叶变换虽然可以分析信号的频率成分，但是当监测者需要了解振动信号频率随时间变化的情况时，FFT变换将无能为力。本文关注的大热容量X射线管均采用旋转阳极结构，其完成曝光的过程存在明显的转速变化，如果仅采用基于傅里叶变换的频域分析，不能将频率变化与X射线管在旋转阳极起停和稳定转速等各个工作状态下的变化结合分析，得到的仅仅是频率在整个时域的特征。所以，对于频谱是时间的函数的X射线管曝光期间的振动信号，单纯得到其时域或频域信息是不够的，还必须了解信号的频谱如何随时间变化，本文采用的联合时频分析方法是一种有效地分析此类信号的方法。

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Research on Vibration Feature Detecting of X-ray Tube with Rotating Anode Based on the Joint Time Frequency Analysis

ZU He-fei, WANG Wei-dong, WU Hao, ZHANG Zheng-bo
Chinese PLA (People's Liberation Army) General Hospital, Beijing 100853,China

This paper researches an analysis method of X-ray tube vibration signal feature based on analysis in time-frequency domain. This method provides program of vibration signal STFT by making use of the fundamental of the STFT and signal processing tools of LabView. Experiments prove this method is the same with monitoring vibration signal frequency of the X-ray tube varying with time in working condition, and provides an effective approach to monitor the working status of X-ray tube.

joint time frequency analysis; STFT; vibration feature; X-ray tube; rotating anode

TH774；R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.014

1674-1633(2011)05-0054-03

2011-04-06

2011-05-04

解放军总医院科技创新苗圃基金（09KMM46）。

本文作者：祖贺飞，在职硕士研究生。

王卫东，博士，研究员，博士生导师。现任中国人民解放军总医院医学保障部医学工程保障中心主任。

作者邮箱：zuhefei@163.com