[发明专利]提取特定周期信号成分的信号消噪方法

说明书

技术领域

本发明属于机械动态信号分析和故障诊断领域，进一步可扩展到信号消噪、信号处理和特征提取等相关应用领域，特别涉及一种提取周期信号成分的信号消噪方法。

背景技术

在自然界和工程应用领域，所涉及的信号往往受到各种确定的和随机的干扰源作用，使得信号中的有用成分被污染或淹没，严重影响了信号的分析精度，因此信号消噪在信号分析、检测和识别领域具有重要的应用价值。

在机械故障分析和诊断中，旋转和往复机械运行过程的各种动态信号是随着机器的运转而周期性重复的，其频率是机器旋转频率的整倍数，这种周期性信号特征反映了机器的运行状态。然而，在强噪声干扰的情况下，有用信息被削弱，不仅信号的时间历程显示不出规律性，而且由于常用的谱分析不能略去任何输入分量，在频谱图中这些周期成分很可能被淹没在噪声背景中。目前，具有独特优点的时域同步平均技术则是解决这一问题的主要手段。

时域同步平均(参见罗德阳.时域同步平均原理与应用.振动、测试与诊断，1999，19(3))是从混有噪声干扰的复杂周期信号中提取感兴趣的周期性成分的过程，也称相干检波(coherent detction)。方法的要点是对测得的振动信号以一定的周期为间隔截取若干段，然后将所截取的信号段中对应的离散点相加后取算术平均。这样可以消除原信号中的干扰噪声而保留指定的周期成分。

时域同步平均在信号处理和分析中具有如下的独特优点：

①、时域同步平均可以有效消除和抑制信号中的干扰噪声，而将感兴趣的(有用的)周期成分完整地保留下来。其实质是将信号中感兴趣的周期成分的基频及其倍频分量增强，且基频和各倍频之间的相位关系保持不变。这一优点能够将信号中感兴趣的周期成分完整地展现出来，从而揭示信号的周期性变化规律，籍此可以发现和分析信号中包含的重要信息。

②、时域同步平均对信号中周期性成分的保留和增强具有选择性，也就是说，它不仅可以消除随机干扰，还对不感兴趣的(无用的)其他周期成分有抑制和消除作用。这一优点一方面可以将分析的重点集中于感兴趣的周期成分，而排除其他周期成分的干扰。另一方面，也可以将不同的周期成分分别提取和展示出来。

正是由于时域同步平均具有上述两个独特的优点，使其在信号分析领域，尤其是机械信号分析和故障诊断领域，具有十分重要的应用价值，成为信号预处理不可或缺的重要手段，而且至今还没有有效的替代方法和技术出现。

然而，尽管时域同步平均有难以替代的独特优点，但也有其自身的局限性，常常由于环境和条件的制约而无法付诸实施。主要存在以下问题：

①、与通常的信号采集不同，时域同步平均不仅要拾取被分析信号，同时还要拾取旋转轴的时标脉冲(键相信号)，来锁定各信号段的起始点。这需要安装专门的传感器和相应的硬件装置，无疑会增加额外的费用，有时还会由于现场环境的制约而无法实现。这就给时域同步平均带来了具体实施上的难度，使其适用范围受到限制。

②、因为A/D变换器的采样频率一经设定是不变的，而且机器转速的微小波动使得时标脉冲频率及周期也随时在变化，常规采样不可能保证各数据段点数相等，这会对时域同步平均效果产生严重的影响(参见Blunt D M.Synchronous averaging of helicopter tail gearbox vibration：phase referenceconsiderations[R].Defense Science and Technology Organization of AustraliaDOD，DSTOTR20397，1998。)。解决这一问题的方法是采用频率跟踪技术，或等转角触发采样，使实际的采样频率实时跟踪回转频率。这无疑又增加了时域同步平均的花费和实施难度。

③、时域同步平均是通过对截取的多段信号经平均运算实现的，因此，从原理上讲，截取的段数越多，干扰噪声的衰减越大，平均的效果越好。但是，从另一方面来看，截取的段数越多，需要存储的信号容量越大，计算时间越长。

发明内容

为了克服现有时域同步平均方法的上述缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种简单、实用、适应范围广的提取特定周期信号成分的信号消噪方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种提取特定周期信号成分的信号消噪方法，其特征在于，具体包括下列步骤：

步骤一，信号采集：