相减策略的含噪多频实信号频率估计算法EI北大核心CSCD

为抑制频谱泄漏对多频实信号频率估计的影响,提出一种新的频率估计算法。利用FFT法和相减策略对采样信号进行处理,逐步得到各分量的频谱最大值索引,以及各分量频谱偏移量和复幅值粗略值;构造包含所有非待估计频率分量的参考信号,利用相减策略从采样信号中减去参考信号,得到待估计的单频复信号,并对其频谱进行两点插值计算,得到该分量较精确的频谱偏移量和复幅值;然后,通过相减策略和频谱分析,逐步得到所有分量较精确的频谱偏移量和复幅值;通过迭代计算得到各分量精确的频率估计值。同时,可得到各分量精确的幅值和初相位。在无噪声、不同频率间隔等条件下进行了频率仿真试验。结果表明:所提算法有效抑制了频谱泄漏的影响,提高了多频实信号的频率估计精度,频率估计值的均方误差比其他优秀算法更靠近克拉美罗下限。     

频谱泄漏校正的多频实信号频率估计算法

为抑制多频实信号中负频率频谱泄漏和正频率频谱间相互泄漏对频率估计的影响,提出一种频谱泄漏校正的频率估计算法。利用FFT法对采样信号进行预处理,得到每个分量的频谱索引;对信号频谱进行插值分析,构造所有负频率和非待估计正频率的频谱插值;采用相减策略将信号频谱插值和构造的频谱插值相减,得到抑制了频谱泄漏的待估计正频率频谱插值;对生成的频谱插值进行分析,得到各分量频谱偏移量估计值;经迭代计算得到各分量精确的频率、幅值和初相位估计值。在不同频率间隔、不同信噪比等条件下的仿真实验结果表明:所提算法具有良好的频率估计性能,有效抑制了频谱泄漏的影响,提高了多频实信号的频率估计精度,使得频率估计值的均方误差更接近于克拉美罗下限。此外,在LFMCW雷达实验平台上进行了测距实验,检验了所提算法的实际应用效果。     

实复转换式衰减信号参数估计算法

为抑制衰减实信号中负频率成分对参数估计的影响,提出一种实复转换式参数估计算法。预估计采样信号频谱能量最大值点的索引值;构造只含有负频率成分的参考信号,并将采样信号和参考信号相减实现实复转换,以抑制负频率频谱泄漏的影响;利用频谱两点插值算法得到频率偏差、衰减因子和复幅值的粗估计值,并重新生成参考信号和复信号;通过迭代计算得到精确的频率、衰减因子、初幅值和初相位估计值。以频率估计为例的仿真实验结果表明:所提算法可有效地抑制负频率频谱泄漏的影响,提高中高信噪比条件下的频率估计精度,特别是信号频率较低时的频率估计精度,提升了频率估计的综合性能。此外,在科氏流量计中进行了实测实验,检验了所提算法的有效性。     

基于频谱搬移的迭代式谐波实信号频率估计算法

为抑制谐波实信号中频谱泄漏的影响,提出一种基于频谱搬移的迭代式谐波实信号频率估计算法。在估计某一谐波分量的频率时,所有负频率与其他分量的正频率均为产生频谱泄漏的干扰分量。根据干扰分量的频率逐次进行频谱搬移并抑制干扰分量,得到仅含有单一分量的信号,利用抛物线插值算法估计其频率;得到所有谐波分量的频率后,重新进行干扰分量抑制获得单一分量信号,以得到更加精确的频率估计值。仿真实验表明,所提算法抑制了干扰分量,提高了谐波实信号的频率估计精度,频率估计的均方误差更接近于克拉美罗下限(CRLB)。     

一种激光多普勒信号的频率估计算法

分析了激光多普勒回波信号的特征,提出了一种激光多普勒信号的频率估计算法.用FFT(Fast Fourier Transform)技术求得信号的自相关函数,并由功率谱得到信号频率的粗估计,然后用粗估计值对自相关函数移频,并根据移频信号自相关函数在一点的相位,估计频偏,对粗估计进行频率校正得到频率估计值.在进行信号频率粗估计和求相位时,利用计算过程中得到的结果和FFT因子的对称性,减少运算量.仿真结果表明,本算法有较小的均方根误差和平均绝对误差,应用于激光多普勒测速实验,结果与仿真一致.     

基于改进的希尔伯特振动分解的机械故障诊断方法研究

针对多分量机械故障振动信号的特征提取问题,介绍一种基于希尔伯特振动分解(HVD)的时频分析方法。该方法首先利用Hilbert变换得到原始振动信号的解析信号,然后通过对解析信号的瞬时频率低通滤波获得信号中幅值最大分量的瞬时频率,同时经同步检测获得相应的瞬时幅值和初相位,最后经过迭代运算自适应地检测出原信号各分量的时频信息。针对HVD方法的边界效应问题,提出一种基于相关系数准则的波形匹配边界延拓法对其进行改进。通过两组仿真信号分析验证了HVD方法对多分量非平稳信号的分解能力,同时表明改进的HVD方法能很好地抑制边界效应。给出转子系统油膜涡动故障诊断实例,验证了该方法的工程实用性。     

全相位频谱校正技术在水声通信中的应用研究

多普勒效应是影响水下移动通信性能的主要因素,准确估计多普勒频移对提高通信系统可靠性具有重要意义。在进行离散频谱分析时,时域非整周期截断会造成频域能量的泄漏,导致频谱估计精度降低。全相位频谱分析具有良好的抑制频谱泄漏特性及相位不变性。仿真验证了全相位频谱校正技术相对于传统频谱校正技术在估计性能上的优势,并在此基础上探讨了全相位频谱校正技术在水声通信中的应用。采用全相位频谱校正技术进行多普勒频移估计,进而进行多普勒补偿以降低通信系统误码率。仿真结果表明,全相位频谱校正技术能够实现高精度多普勒频移估计,从而提高水下移动通信系统的可靠性。     

基于迭代插值的实复转换频率估计算法

为消除实信号中负频率成分对频率估计的影响,提出一种基于迭代插值的实复转换频率估计算法。通过预估计采样信号频率,构造参考信号,并通过90°相移得到采样信号的正交分量;将采样信号与其正交分量合成为复信号实现实复转换,抑制负频率成分的影响;利用迭代插值算法估计复信号的频率,重新构造参考信号并生成正交分量与复信号,并对复信号进行频率估计,得到精确的频率值。仿真实验表明:所提算法消除了负频率成分的影响,改善了抗噪性,提高了估计精度,使得频率估计的均方误差更接近于克拉美罗下限。此外,在LFMCW雷达上进行了实测实验,验证了所提算法的有效性。     

极低频信号的一种离散频谱校正新方法

对于振动工程中常见的极低频、极短时、极高频(接近奈奎斯特频率)等极端频率信号,常用的离散频谱分析与校正方法存在较大误差.对极端频率信号的典型情形进行了分析,针对极端频率信号中的极低频信号,提出了一种计及负频率成分干涉影响的离散频谱校正新方法.该方法基于Blackman窗,利用局部谱峰附近的三条谱线,建立包含正负频率贡献的离散频谱校正模型,通过对模型的求解获得频率、幅值和相位校正公式.采用频段内扫描的方式对频谱校正公式进行了仿真验证,结果表明所提方法有效降低了负频率成分的干涉影响,对极低频信号的频率、幅值和相位校正有较高的精度.     

基于长程泄漏补偿的迭代插值FFT方法及应用

针对传统频域插值傅里叶变换参数估计精度低的问题,在分析频谱泄漏产生原理基础上,提出适用于多频信号的高精度频域迭代插值方法。该方法先利用传统插值法估算信号各频率参数,然后利用信号的估计参数值计算泄漏补偿因子,并用补偿因子重新计算信号各频率参数,最后通过多次迭代实现所需的计算精度。通过对方法的估计结果进行噪声干扰敏感性分析、参数变化对估计精度影响及对方法敏感性分析结果表明,在噪声干扰与长程泄漏明显情况下,所提方法仍具最好估计精度及稳定性,且收敛速度快,可作为改进信号参数估值精度的可选方法。对IC芯片封装中引线键合过程数据处理与分析结果表明,所提方法能较好抑制长程泄漏影响,提高参数估计精度。     

基于线调频小波路径追踪和逐步解调滤波的滚动轴承故障诊断

在变转速工况下诊断滚动轴承故障时,广义解调算法中相位函数的确定依赖转速计等辅助设备。针对这一问题,提出了基于线调频小波路径追踪(Chirplet Path Pursuit, CPP)和逐步解调滤波的滚动轴承故障诊断方法。瞬时故障特征频率(Instantaneous Fault Characteristic Frequency, IFCF)在包络信号中具有幅值优势,利用这一特点,使用CPP算法从降采样的包络信号中提取IFCF趋势线,构造IFCF的相位函数;针对转频在信号中难以提取这一问题,采用重复估计转频的方式,计算潜在转频的相位函数;根据IFCF和转频的相位函数,构造逐步解调滤波算法,既可以恢复时变频率的周期性,又能降低噪声干扰,避免幅值较小的转频被噪声淹没;根据IFCF和转频在解调频谱的比值,判断故障位置。仿真和试验信号的处理结果证明了算法的有效性。     

振动信号的幅值和相位计算方法分析

给出了基于Kaiser窗FFT频谱法、正弦逼近法和全相位时移相位差法计算振动信号幅值和相位的计算方法,并使用三种方法分别对单一的正弦信号以及混有噪声和其它频率的正弦信号进行了测试。通过测试数据对三种方法的信号处理效果进行了分析比较,阐述了不同计算方法的优缺点。比较结果显示具有抑制频谱泄漏和"相位不变性"的全相位谱分析结合高精度相位差法而得的全相位时移相位差法精度更高,应用范围更广。     

基于离散频谱分析的自由衰减振动信号的幅值恢复

加矩形窗截断后的自由衰减振动信号可以看成无限长谐波信号与单边指数函数及矩形窗的乘积,从理论上证明了其连续谱峰值点的频率和相位就是信号的实际频率和相位。分析了连续谱的离散频谱幅值误差影响因素,提出一种新的求解幅值恢复系数的方法,该方法根据已估计得到的阻尼、频率和相位重构幅值为给定值的新信号,然后求解加有限长度指数窗幅值恢复系数。当理论频率位于某条离散谱线上,幅值基本无误差。理论分析和仿真表明,采样频率、阻尼和频率误差的变化对幅值分析精度的影响很大,并且是相互作用的,但当理论频率与采样频率之比fn/fs在区间(0.25,0.4)内,且阻尼在区间(0.005,0.02)时,不论频率误差多大,分析精度均很高,幅值误差小于5%。相邻频率成分产生严重模态耦合时,不能使用该方法。     

加三角窗的频谱校正

频谱校正是抑制快速傅立叶变换的栅栏效应和频谱泄漏的有效方法,但是加三角窗的频谱校正尚无文献报导。针对三角窗,给出了两种频率校正方法。第一种方法利用主瓣内的最高和次高谱线,但是需要数值法求解非线性方程。第二种方法利用最高谱线左右两侧两条谱线,它存在显式解。利用单频实正弦的仿真信号对两种算法的频率、幅值和相位等恢复精度进行了考核。结果表明:1)两种方法都显著优于传统的简单谱线近似法;2)负频率的泄漏是影响精度的重要因素。     

频谱校正理论的发展

在分析国内外各种频谱校正方法优缺点的基础上 ,系统地评述三点卷积校正法、比值 (内插法 )校正法及相位校正法等若干理论发展及应用问题。目前频谱校正理论已经能准确地自动识别出离散频谱中的单频成分和间隔较远的多频率成分 ,并自动校正其频率、幅值和相位 ;对多频成分谱线干涉中的单频成分能自动判定 ,且能用参数识别法对两个密集频谱进行校正 ;对于密集频率成分信号 ,可用频谱细化的方法 ,将发生谱线干涉的各谱峰分离开 ,再进行识别和校正。在不采长样时 ,密集频率成分和连续谱的识别和校正技术将是主要研究方向。频谱校正理论在振动信号分析和故障诊断中具有广阔的工程应用前景     

离散频谱的能量重心校正法

针对离散频谱三点卷积幅值校正方法只能校正幅值,不能校正频率和相位的问题,从理论上推导了常用离散窗谱函数的能量重心就是坐标原点,由此得到了能量重心法校正频率和相位的公式。误差分析和仿真计算表明：与其它校正方法相比,此方法能对多段平均功率谱直接进行校正,算法简单,计算速度快,负频率成分和间隔较近的多频率成分产生的干涉现象所带来的误差对精度的影响小,校正方法适用于各种对称窗函数,解决了三点卷积幅值校正法不能校正信号频率和相位的缺点。在工程应用中,对噪声小的信号,推荐加Hanning窗n=1（三点卷积法）的方法进行校正,频率间隔大于等于4个频率分辨率的信号校正后的幅值误差小于1％,频率误差小于0.01个频率分辨率,相位误差小于5度,这种方法不适用于频率过于密集的分析场合或连续谱。     

基于全相位HHT的瞬时频率测量

全相位谱分析能够很好地抑制频谱泄漏、优化系统性能,其关键技术在于对数据进行全相位预处理。将这一技术运用于HHT求解瞬时频率中,提出了一种全相位HHT的瞬时频率测量算法,分析了全相位预处理和HHT求解瞬时频率的算法,将信号首先进行全相位预处理,然后用HHT算法求解信号的瞬时频率。这种算法是一种优化算法性能的算法,不会过多增加系统的计算量。通过对一非平稳信号分析,验证了基于全相位HHT的瞬时频率方差更小,具有更高的精确性。     

一种初始相位函数估计的DDTFA方法及其应用

针对数据驱动时频分析方法(Data-Driven Time-Frequency Analysis,DDTFA)的初始相位函数估计直接影响算法的收敛性及分解精度的问题,将多尺度线调频基稀疏分解方法(Multi-Scale Chirplet Sparse Decomposition,MSCSD)引入DDTFA的初始相位函数估计中,提出了MSCSD-DDTFA方法,并应用于变转速齿轮故障诊断中。MSCSD方法采用分段线性拟合的思想,可从低信噪比信号中精确地估计出信号的瞬时频率,进而求取相位函数;DDTFA方法则可根据MSCSD估计的相位函数不失真地分离出时变非平稳信号分量;最后,可根据MSCSD估计出的瞬时频率对信号分量进行阶次包络分析,获取阶次包络谱以诊断变转速齿轮故障。算法仿真和应用实例表明:该方法可准确分离出信号中的时变非平稳信号分量,并提取变转速齿轮故障特征。     

基于广义解调时频分析的多分量信号分解方法

广义解调时频分析方法是一种新的信号处理方法，该方法将广义解凋和最大重叠离散小波包变换相结合对复杂信号进行分解，得到若干个瞬时频率和瞬时幅值都具有物理意义的单分量信号，从而获得原始信号完整的时频分布。本文在介绍广义解调时频分析方法的基础上，将该方法用于多分量信号的分析，对该方法进行了改进，给出了由改进的广义解调时频分析方法分解多分量信号的具体步骤，从而由改进后的广义解调时频分析方法不仅可以得到原始信号中各个分量的时域波形，而且还可以得到相同的时频分布。采用改进后的广义解调时频分析方法对仿真信号进行了分析，同时和其它时频分析方法进行了比较，结果表明了该方法的有效性。最后，对广义解调时频分析方法中的相位函数选择问题进行了讨论。     

非平稳风速的HHS时频状态表征

为完整描述非平稳风速的时变特征,在传统时频分析手段的基础上,引入Holo-Hilbert谱(HHS),开展台风非平稳脉动风速的时频状态表征研究。以苏通桥址区记录的"海葵"台风风速样本为例,通过经验模式分解(EMD)将风速样本分解为多个正交单分量固有模式函数,并采用Huang氏标准化方法获得了各分量的解析信号表达。基于相位角恒增准则,计算了各分量在每一时刻的瞬时频率,并避免了解析信号出现负频率的问题。在此基础上,进一步对各分量的幅值进行Hilbert-Huang变换,将传统Hilbert时频谱拓展至四维状态,从而获得了实测非平稳风速的高阶时频谱。分析结果表明:高阶时频谱可完整描述非平稳风速的幅值调制特征,通过高阶边际谱可准确确定幅值调制的具体频率或频带范围;幅值频率与载体频率的尺度谱可表征非平稳风速在各载体频率处的幅值调制状态。