一种线谱提取方法研究

2012-04-29孙昕薛飞

科技创新导报 2012年14期

关键词：线谱谱线门限

孙昕薛飞

通过模拟信号的试验验证具有较好的效果。

关键词:功率谱线谱特征提取

中图分类号:O4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0001-01

1 综述

功率谱分析在噪声信号处理领域具有重要意义,特别是功率谱中的线谱成分的检测和提取对舰船车辆等机械的故障快速诊断和信号识别技术具有重要意义。对线谱进行高质量的谱估计,可以得到声源的许多信息。因此,线谱检测和提取方法研究多年来一直是国内外研究的重点。

2 线谱基本特征

对于线谱的概念一般是这样定义的:由一些离散频率成分形成的谱称之为线谱。从频谱图上看,在离散频率的位置上,幅度以线状存在的频谱,称为线状谱,简称线谱。

2.1 线谱的幅度特征

线谱的幅度值是判断其是存在的重要依据。线谱的幅度和其频率一样是随时间变化的,这就要考虑幅度的时变特征。引起线谱幅度的变化的原因是复杂的,总的说来主要有以下几个方面:

(1)噪声源的机械振动的不稳定性;

(2)受到水中的声波的传播规律;

(3)受噪声指向性的影响。

在影响线谱的幅值特性的各因素中,由于噪声源的机械振动的不稳定性和线谱多途传播引起的干涉是影响线谱幅值的主要因素,而噪声指向性的影响为次要的。

2.2 线谱的频率特征

线谱的频率实际上是对应着运动目标的机械振动的频率,以及这些频率值的倍频。一个线谱频率的出现必然对应着时间域内的一个周期或准周期信号的出现。在理论上,某一基频的振动应该对应频域上的某条谱线,但是实际情况不是这样,线谱的频率值常常受到一些因素的影响,进而使频率的稳定度受到影响。影响频率稳定度的主要因素有:

(1)机械振动不够稳定时,频率会随转速的变化产生偏移。

(2)由于多卜勒(Dopple)效应,频率会发生漂移。

(3)受频谱分析的频率分辨率的影响。

2.3 线谱的稳定时间

确定目标的线谱,必须要考虑到幅度和频率的时变情况,所以必须对线谱存在的时间做出相应的规定。在前面两项判定条件均满足的情况下,如果某根谱线存在的时间很短,显然把它当成目标的谱线是不妥的。但是如果认为稳定线谱必须在全部时间T内出现,也是不合理的。

定义线谱存在时间的概率P为:

(1)其中为线谱幅度值满足要求的线谱时间总和,为总样本时间,线谱的个数将随门限的降低而增加,概率P的门限应该根据实际的情况适当选取,低于门限值的线谱就不与研究。

3 线谱的提取方法

3.1 线谱判定的准则

对功率谱中的线谱进行提取仍然是围绕着线谱的三个基本特征展开的:①线谱的频率;②线谱的幅度;③线谱的稳定时间。在此,不妨把线谱的三个基本特征称之为线谱提取的“三要素”。

利用线谱频率的判定的准则为:根据影响频率稳定度的主要因素,我们可以认为线谱频率的测量误差为:

(2)应该是线谱频率允许的最大偏差,所以在内发生的频率偏移的频率分量可以认为是相同的谱线。

利用线谱的幅度进行判定的准则为:在频谱图上,频率分辨率带宽内,稳定时间大于t秒,在连续背景上,有高出相邻值A(dB)以上的离散分量,就可以认为是线谱。关于A的选取根据所要分析的对象不同,一般选择范围在3—12dB。

利用线谱存在时间判定的准则为:在前面两项判定条件均满足的情况下,如果某根谱线存在的时间很短,显然把它当成目标的谱线是不妥的。但是如果认为稳定线谱必须在全部的样本时间T内出现,也是不合理的。定义线谱存在时间的概率P,线谱的个数将随概率P的门限降低而增加,概率P的门限应该根据实际的情况适当选取,低于门限值的线谱就不与研究,该门限值P可选取大于75%。

综上所述,判断一条谱线是否为线谱,应当综合考察是否满足线谱的三个要素,仅满足一个或两个条件的线谱不能肯定其为线谱。所以在确定目标的特征谱线时,不能简单地根据某时刻的一张频谱图草率而定,而是严格按照“三原则”进行识别。

3.2 线谱提取的流程

辐射噪声的平稳功率谱是由连续谱和线谱组成,为了实现线谱的提取,需将两种谱分离,除去功率谱中的连续谱成分,并在此基础上依据线谱“三原则”进行线谱提取。由此,我们可以确定线谱提取的流程如下:

(1)对辐射噪声信号分段进行FFT变换,得到功率谱图;

(2)采用拟合法对各段功率谱谱图中的连续谱趋势进行提取;

(3)功率谱图中去除连续谱趋势,获得“拉平”后的线谱图;

(4)对频谱的峰值点进行检测,对谱线的幅值门限A进行检测并剔除伪峰;

(5)对线谱频宽进行检测,在内的谱线视为相同的谱线;

(6)线谱稳定时间检测,按照一定规则,在全部频谱时间样本中的线谱存在的样本时间大于P,即视为稳定的线谱;

(7)获得稳定线谱。

3.3 实验验证

在这里假设噪声信号在极短的分析区间内是平稳的。这种假设不仅在理论上还是在实践中都具有合理性。根据对线谱提取方法和检测准则的研究,利用模拟数据的功率谱分析对其线谱特征进行提取, 可以实现对线谱的快速提取。