一種基于滑動(dòng)窗的隨機(jī)共振微弱沖擊特征增強(qiáng)提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于滑動(dòng)窗的隨機(jī)共振微弱沖擊特征增 強(qiáng)提取方法，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)中不同幅值沖擊特征的有效提取。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能越 來(lái)越完善，自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，從而也使得機(jī)械設(shè)備故障率上升，在其運(yùn)行過(guò)程中難以 避免地會(huì)產(chǎn)生各種各樣的損傷，以致降低或失去預(yù)定功能，甚至造成嚴(yán)重的以致災(zāi)難性的 事故。因此機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與故障診斷，尤其對(duì)早期微弱故障的監(jiān)測(cè)與診斷具有 重要的社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。
[0003] 機(jī)械設(shè)備通常運(yùn)行在低速重載等惡劣環(huán)境下，由于復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、復(fù)合的振動(dòng) 傳遞路徑以及強(qiáng)背景噪聲等諸多因素的影響，使得信號(hào)中的有用特征信息微弱，增加了信 息特征提取的難度。鑒于機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與振動(dòng)信號(hào)間的內(nèi)在聯(lián)系，信號(hào)中周期性沖擊 分量的出現(xiàn)往往是機(jī)械部件損傷失效的一個(gè)重要征兆，但強(qiáng)背景噪聲中微弱沖擊特征的有 效提取一直是機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)中的難題。傳統(tǒng)信號(hào)處理方法主要是通過(guò)濾波或消噪 的方式提取信息特征，但在消除噪聲的同時(shí)，有用的信息特征也被削弱甚至破壞。實(shí)際上， 噪聲不僅僅是一種信號(hào)污染源，更是一種信號(hào)能量，如果合理地的加以利用，將會(huì)達(dá)到意想 不到的效果。隨機(jī)共振就是一種利用噪聲的信號(hào)處理方法，它借助非線性系統(tǒng)、微弱信號(hào)和 噪聲三者間的協(xié)同效應(yīng)，將噪聲能量逐漸轉(zhuǎn)移給信號(hào)，從而達(dá)到消噪和增強(qiáng)微弱特征的效 果。因此，隨機(jī)共振為微弱信號(hào)檢測(cè)，尤其是與噪聲同頻或臨頻的微弱特征提取提供了有效 的解決途徑。
[0004] 由隨機(jī)共振原理可知，隨機(jī)共振檢測(cè)微弱信號(hào)的過(guò)程就是通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使 得隨機(jī)共振測(cè)度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最大化的過(guò)程。因此，選擇有效的測(cè)度指標(biāo)，合理地評(píng)價(jià)非線性系 統(tǒng)、微弱信號(hào)和噪聲三者間的協(xié)同程度，即判斷隨機(jī)共振是否發(fā)生，是利用隨機(jī)共振實(shí)現(xiàn)微 弱特征提取的一個(gè)關(guān)鍵。沖擊信號(hào)作為機(jī)械設(shè)備部件損傷的一個(gè)重要表征，具有沖擊分量 數(shù)量多、幅值存在差異等特點(diǎn)。因此，沖擊信號(hào)的隨機(jī)共振檢測(cè)，是典型的多分量信號(hào)特征 提取問(wèn)題，不僅振動(dòng)信號(hào)中沖擊分量的數(shù)量對(duì)隨機(jī)共振效果有影響，而且各個(gè)沖擊分量幅 值的差異也會(huì)影響隨機(jī)共振效果。加之隨機(jī)共振系統(tǒng)的非線性放大，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出起始點(diǎn) 存在畸變，而且由于噪聲的影響，共振結(jié)果中可能產(chǎn)生偽沖擊特征。這些因素使得沖擊信號(hào) 的隨機(jī)共振檢測(cè)難度增大。另一方面，傳統(tǒng)的信噪比等經(jīng)典指標(biāo)主要用于度量信號(hào)中的周 期分量，而不適用沖擊分量的定量評(píng)價(jià)；峭度指標(biāo)雖然可以定量表征信號(hào)中的沖擊成分，但 只適用于初期損傷，即沖擊數(shù)量較少的情況，不適合多沖擊分量的定量表征；互相關(guān)系數(shù)在 一定程度上可以減輕起端點(diǎn)畸變和偽沖擊現(xiàn)象的發(fā)生，但容易受到噪聲的影響。因此，針對(duì) 沖擊信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)存在的諸多問(wèn)題，研究沖擊信號(hào)的隨機(jī)共振檢測(cè)方法，構(gòu)造相應(yīng)的 隨機(jī)共振測(cè)度指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多沖擊分量、不同沖擊幅值的微弱沖擊特征的有效提取具有重要 的工程意義和實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前沖擊信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)存在的問(wèn)題和不足，提供一種 基于滑動(dòng)窗的隨機(jī)共振微弱沖擊特征增強(qiáng)提取方法。該方法針對(duì)強(qiáng)背景噪聲下的沖擊特征 提取問(wèn)題，利用滑動(dòng)窗實(shí)現(xiàn)多沖擊分量信號(hào)的數(shù)據(jù)分割，借助相關(guān)裕度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振 系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化選取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微弱沖擊特征的有效提取。
[0006] 為了解決上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種基于滑動(dòng)窗的隨機(jī)共振微弱沖擊特征增強(qiáng)提取方法，該方法內(nèi)容包括以下 步驟：
[0008] (1)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)頻率在時(shí)域構(gòu)造滑動(dòng)窗，并利用構(gòu)造的滑動(dòng)窗對(duì)信號(hào)進(jìn) 行時(shí)域截取，將截取得到的子信號(hào)作為變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入；
[0009] (2)選用相關(guān)裕度指標(biāo)作為隨機(jī)共振檢測(cè)沖擊信號(hào)的測(cè)度指標(biāo)，并依據(jù)共振響應(yīng) 測(cè)度指標(biāo)的最大化選取最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)a和b，將其帶入到共振系統(tǒng)，從而得到子信號(hào)的最 佳檢測(cè)結(jié)果；
[0010] (3)對(duì)各個(gè)子信號(hào)的最佳檢測(cè)結(jié)果按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，并對(duì)處理后的 結(jié)果按照先后順序首尾拼接，得到最終的檢測(cè)結(jié)果。
[0011] 在步驟⑴中：
[0012] 所述的構(gòu)造滑動(dòng)窗主要是依據(jù)被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)頻率，設(shè)被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)頻率為 佇，信號(hào)采樣頻率為fs，原始信號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N，所述滑動(dòng)窗的構(gòu)造方法如下：
[0013] (1)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)置滑動(dòng)窗窗長(zhǎng)和滑移距離的初始值w。和δ。，要求 w。= δ。估算公式如下
[0015] 其中，要求w〇Xfs和δ QXfs均為整數(shù)；
[0016] ⑵計(jì)算滑動(dòng)窗的滑移次數(shù)SN，并根據(jù)滑移次數(shù)對(duì)原始信號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N或滑動(dòng) 窗初始參數(shù)％和S。進(jìn)行調(diào)整，從而得到新的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度#和滑動(dòng)窗最終的設(shè)計(jì)參數(shù)w和δ ;
[0017] 利用公式
可得到滑移次數(shù)的初始估算值Num ;如果Num為整數(shù)， 則SN = Num，此時(shí)滑動(dòng)窗的初始參數(shù)w。和δ。即為滑動(dòng)窗的最終設(shè)計(jì)參數(shù)w和δ，滑動(dòng)窗 的構(gòu)造過(guò)程結(jié)束；如果Num不是整數(shù)，首先采用四舍五入法對(duì)Num進(jìn)行處理，將處理后的結(jié) 果賦給SN，然后調(diào)整滑動(dòng)窗的初始參數(shù)w。，使其滿足關(guān)系：.
其中wXfs 為整數(shù)且#€ i￥，從而得到滑動(dòng)窗窗長(zhǎng)的最終設(shè)計(jì)參數(shù)w和新的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度#，最后從原始 信號(hào)中截取長(zhǎng)度為#的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，滑動(dòng)窗的構(gòu)造過(guò)程結(jié)束。
[0018] 所述利用構(gòu)造的滑動(dòng)窗對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域截取，其步驟包括：將構(gòu)造的滑動(dòng)窗函數(shù) 與信號(hào)在時(shí)域相乘，將滑動(dòng)窗范圍內(nèi)的信號(hào)作為子信號(hào)；然后依次將滑動(dòng)窗移動(dòng)相應(yīng)的距 離S，將移動(dòng)后的滑動(dòng)窗函數(shù)再與信號(hào)相乘，得到相應(yīng)的子信號(hào)；依次往復(fù)，直至滑動(dòng)窗移 至信號(hào)末端，從而完成對(duì)信號(hào)的全部分割，最后將這些截取后的子信號(hào)依次作為變尺度隨 機(jī)共振系統(tǒng)的輸入進(jìn)行共振檢測(cè)。
[0019] 在步驟（2)中：
[0020] 所述隨機(jī)共振檢測(cè)沖擊信號(hào)的測(cè)度指標(biāo)，其構(gòu)造是利用變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸 入和輸出的相關(guān)系數(shù)對(duì)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)輸出的裕度指標(biāo)進(jìn)行修正，從而構(gòu)成新的測(cè)度 指標(biāo)，即相關(guān)裕度指標(biāo)，其相應(yīng)的計(jì)算公式如下：
[0022] 其中，
為裕度指標(biāo)，Xp= max{x} ; |C|為相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值，
為變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，y = {yu y2, y3, . . .，yN}為變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出，N為離散序列長(zhǎng)度，元和.羅分別為離散序 列X和y的均值；
[0023] 將由滑動(dòng)窗截取得到的子信號(hào)，依次輸入到變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)；針對(duì)變尺度隨 機(jī)共振系統(tǒng)輸入的每個(gè)子信號(hào)，均采用網(wǎng)格搜索法，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)a和b，依據(jù)變尺度隨機(jī) 共振系統(tǒng)輸出的相關(guān)裕度指標(biāo)的最大化選取最佳的系統(tǒng)參數(shù)，并將其代入到共振系統(tǒng)，得 到相應(yīng)子信號(hào)的隨機(jī)共振最佳檢測(cè)結(jié)果。
[0024] 在步驟（3)中：
[0025] 所述的歸一化處理就是將每個(gè)子信號(hào)的隨機(jī)共振最佳檢測(cè)結(jié)果yi歸一化為均值 為Y、標(biāo)準(zhǔn)差為Z std的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為：
[0027] 其中，yi為第i個(gè)子信號(hào)的隨機(jī)共振最佳檢測(cè)結(jié)果，芨和^^.分別為其均值和標(biāo)準(zhǔn) 差，焉為其對(duì)應(yīng)的歸一化處理后結(jié)果；
[0028] 最后，將歸一化處理后結(jié)果焉按照滑動(dòng)窗分割的先后順序，依次首尾拼接，從而得 到最終的檢測(cè)結(jié)果Pb …1_]。
[0029] 由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種基于滑動(dòng)窗的隨機(jī)共振微弱沖擊特征 增強(qiáng)提取方法，其與現(xiàn)有技術(shù)相比具有這樣的有益效果：
[0030] (1)將相關(guān)系數(shù)與裕度指標(biāo)相結(jié)合，構(gòu)造了相關(guān)裕度指標(biāo)，解決了現(xiàn)有指標(biāo)難以有 效評(píng)價(jià)沖擊信號(hào)隨機(jī)共振效果的問(wèn)題，為沖擊信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)效果的定量表征提供解決 途徑；
[0031] (2)根據(jù)被測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)頻率構(gòu)造合適的滑動(dòng)窗，并利用滑動(dòng)窗將含有多個(gè)沖擊分 量的信號(hào)分割成多個(gè)含有單沖擊分量的子信號(hào)，將其作為變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，消 除了不同幅值沖擊分量對(duì)共振檢測(cè)效果的影響，為實(shí)現(xiàn)多沖擊分量、不同沖擊幅值的微弱 沖擊特征的有效提取提供解決途徑。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1為基于滑動(dòng)窗的隨機(jī)共振微弱沖擊特征增強(qiáng)提取算法流程圖；
[0033] 圖2為原始信號(hào)時(shí)域波形；
[0034] 圖3為基于滑動(dòng)窗的隨機(jī)共振方法輸出時(shí)域波形；
[0035] 圖4為傳統(tǒng)隨機(jī)共振方法輸出時(shí)域波形。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的描述：
[0037] -種基于滑動(dòng)窗的隨機(jī)共振微弱沖擊特征增強(qiáng)提取方法，該方法內(nèi)容包括以下 步驟：
[0038] (1)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)頻率在時(shí)域構(gòu)造滑動(dòng)窗，并利用構(gòu)造的滑動(dòng)窗對(duì)信號(hào)進(jìn) 行時(shí)域截取，將截取得到的子信號(hào)作為變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入；
[0039] (2)選用相關(guān)裕度指標(biāo)作為隨機(jī)共振檢測(cè)沖擊信號(hào)的測(cè)度指標(biāo)，并依據(jù)共振響應(yīng) 測(cè)度指標(biāo)的最大化選取最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)a和b，將其帶入到共振系統(tǒng)，從而得到子信號(hào)的最 佳檢測(cè)結(jié)果；