[发明专利]一种尺度参数控制可调的信号包络线提取方法

说明书

本发明提供一种尺度参数控制可调的信号包络线提取方法。该方法的主要优点在于具备仅通过调整单个尺度参数来达到连续控制包络线光滑性的能力，克服了现有传统包络线提取方法的缺点。该方法首先提取原信号的极值点作为特征点序列；然后循环剔除特征序列中满足条件的部分点，直到连续两次循环结束时形成的新特征点序列的长度不大于给定个数，或新形成的特征点序列的点数不大于三个；最后利用适当的插值方法，连接保留的特征点序列，得到包络线。可以通过调整单一尺度参数控制特征点的剔除条件，进而控制包络曲线的光滑性。仅通过单个尺度参数即可控制包络线光滑性的优良特性，能够满足实际信号处理中对包络线性能的各种需求。

技术领域

本发明涉及一种信号包络线提取方法，尤其涉及一种尺度参数控制可调的信号包络线提取方法。

背景技术

信号的包络线即是信号的外轮廓，包络线分析方法是工程信号处理中常用且有效的一种信号分析方法，尤其是在往复机械振动信号分析以及机械故障诊断分析中具有非常重要的作用。很多的工程实际信号(尤其是往复机械振动信号)波形非常复杂，多为包含多个局部冲击的非平稳信号，直接对信号分析处理的难度较大，但其包络线具有一定的规律或一定的趋势，对包络线进一步分析可以获取很多有用的信息。例如，内燃机缸盖振动信号属于典型的准周期非平稳信号，其中包含了多个局部冲击，直接对信号进行时域分析、频域分析甚至时频分析等的复杂度较大，且难以获取直观有效的规律特征，但振动信号整周期的包络线具有清晰直观的波形特征，且各周期的振动信号包络线具有显著的相似性，便于对异常振动冲击的出现和冲击特征的变化进行检测，此外通过对包络线进一步分析可以有效获取各个冲击出现的相位和冲击的能量。

描绘出合适的包络线是进行包络分析的关键所在，也是保证包络分析有效性的前提条件。其难点在于如何通过算法实现自动描绘出符合工程信号处理需要的包络线，且能够通过少量的参数控制包络线特性，如本方法中仅通过一个参数控制包络线的平滑程度等特性。

目前对信号包络线提取的方法主要包括两大类：一类是直接提取原始信号的特征点，再通过插值方法将特征点连接起来构成包络线，如EMD分解中采用的利用一阶极值点求取信号包络线的方法，即提取信号中的极大(小)值点后通过三次样条插值的方法求取信号的上(下)包络线，此外也包络二阶极值或多阶极值作为特征点，并通过其它各类插值方法进行连线的方法。二类是通过解调的方法将信号中的低频信号分离出来作为原始信号的包络线，如Hilbert变换和小波变换进行包络解调求取低频包络线的方法。上述两类方法中，第一类较为简单直接，计算量小，对各类信号的适应性也很强，但经常出现包络线光滑性不好(如存在“折点”)或紧密贴合性不好(如“过冲”失真)等显著缺陷问题，更重要的是在出现上述问题后，现有传统方法难以在不改变包络算法的情况下仅通过控制某一参数来达到连续调整包络线性能的目的。而第二类方法中，直接用Hilbert变换提取的机械冲击信号的包络往往不够光滑，存在的毛刺很多，含有大量的高频分量；而小波变换求包络的方法虽然可以通过调整尺度参数获得不同光滑程度的包络线，但具有确切表达式的基函数导致其自适应能力较差，使得对任意非平稳、非线性信号的处理能力有限；此外，第二类方法的计算较为复杂，计算量较大，在一些数据量大且要求实时多次计算或循环计算包络线的场合难以得到有效应用。

本发明充分分析了现有传统方法求取包络线的优缺点，提出一种尺度参数控制可调的信号包络线提取方法，该方法同时兼顾了上述两类方法的优点，其本质上属于上述第一类方法，但同时具备可通过调整尺度参数来达到连续控制包络线光滑性的能力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有传统的信号包络线提取方法存在的缺点和不足，提供一种简单有效的尺度参数控制可调的信号包络线提取方法。这种方法不仅计算简单、适应性强，并且具备仅调整单个尺度参数即可连续控制包络线光滑性的能力。