孫昕 薛飛

通過模擬信號的試驗驗證具有較好的效果。

關鍵詞:功率譜線譜特征提取

中圖分類號:O4 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0001-01

1 綜述

功率譜分析在噪聲信號處理領域具有重要意義,特別是功率譜中的線譜成分的檢測和提取對艦船車輛等機械的故障快速診斷和信號識別技術具有重要意義。對線譜進行高質量的譜估計,可以得到聲源的許多信息。因此,線譜檢測和提取方法研究多年來一直是國內外研究的重點。

2 線譜基本特征

對于線譜的概念一般是這樣定義的:由一些離散頻率成分形成的譜稱之為線譜。從頻譜圖上看,在離散頻率的位置上,幅度以線狀存在的頻譜,稱為線狀譜,簡稱線譜。

2.1 線譜的幅度特征

線譜的幅度值是判斷其是存在的重要依據(jù)。線譜的幅度和其頻率一樣是隨時間變化的,這就要考慮幅度的時變特征。引起線譜幅度的變化的原因是復雜的,總的說來主要有以下幾個方面:

(1)噪聲源的機械振動的不穩(wěn)定性;

(2)受到水中的聲波的傳播規(guī)律;

(3)受噪聲指向性的影響。

在影響線譜的幅值特性的各因素中,由于噪聲源的機械振動的不穩(wěn)定性和線譜多途傳播引起的干涉是影響線譜幅值的主要因素,而噪聲指向性的影響為次要的。

2.2 線譜的頻率特征

線譜的頻率實際上是對應著運動目標的機械振動的頻率,以及這些頻率值的倍頻。一個線譜頻率的出現(xiàn)必然對應著時間域內的一個周期或準周期信號的出現(xiàn)。在理論上,某一基頻的振動應該對應頻域上的某條譜線,但是實際情況不是這樣,線譜的頻率值常常受到一些因素的影響,進而使頻率的穩(wěn)定度受到影響。影響頻率穩(wěn)定度的主要因素有:

(1)機械振動不夠穩(wěn)定時,頻率會隨轉速的變化產(chǎn)生偏移。

(2)由于多卜勒(Dopple)效應,頻率會發(fā)生漂移。

(3)受頻譜分析的頻率分辨率的影響。

2.3 線譜的穩(wěn)定時間

確定目標的線譜,必須要考慮到幅度和頻率的時變情況,所以必須對線譜存在的時間做出相應的規(guī)定。在前面兩項判定條件均滿足的情況下,如果某根譜線存在的時間很短,顯然把它當成目標的譜線是不妥的。但是如果認為穩(wěn)定線譜必須在全部時間T內出現(xiàn),也是不合理的。

定義線譜存在時間的概率P為:

(1)其中為線譜幅度值滿足要求的線譜時間總和,為總樣本時間,線譜的個數(shù)將隨門限的降低而增加,概率P的門限應該根據(jù)實際的情況適當選取,低于門限值的線譜就不與研究。

3 線譜的提取方法

3.1 線譜判定的準則

對功率譜中的線譜進行提取仍然是圍繞著線譜的三個基本特征展開的:①線譜的頻率;②線譜的幅度;③線譜的穩(wěn)定時間。在此,不妨把線譜的三個基本特征稱之為線譜提取的“三要素”。

利用線譜頻率的判定的準則為:根據(jù)影響頻率穩(wěn)定度的主要因素,我們可以認為線譜頻率的測量誤差為:

(2)應該是線譜頻率允許的最大偏差,所以在內發(fā)生的頻率偏移的頻率分量可以認為是相同的譜線。

利用線譜的幅度進行判定的準則為:在頻譜圖上,頻率分辨率帶寬內,穩(wěn)定時間大于t秒,在連續(xù)背景上,有高出相鄰值A(dB)以上的離散分量,就可以認為是線譜。關于A的選取根據(jù)所要分析的對象不同,一般選擇范圍在3—12dB。

利用線譜存在時間判定的準則為:在前面兩項判定條件均滿足的情況下,如果某根譜線存在的時間很短,顯然把它當成目標的譜線是不妥的。但是如果認為穩(wěn)定線譜必須在全部的樣本時間T內出現(xiàn),也是不合理的。定義線譜存在時間的概率P,線譜的個數(shù)將隨概率P的門限降低而增加,概率P的門限應該根據(jù)實際的情況適當選取,低于門限值的線譜就不與研究,該門限值P可選取大于75%。

綜上所述,判斷一條譜線是否為線譜,應當綜合考察是否滿足線譜的三個要素,僅滿足一個或兩個條件的線譜不能肯定其為線譜。所以在確定目標的特征譜線時,不能簡單地根據(jù)某時刻的一張頻譜圖草率而定,而是嚴格按照“三原則”進行識別。

3.2 線譜提取的流程

輻射噪聲的平穩(wěn)功率譜是由連續(xù)譜和線譜組成,為了實現(xiàn)線譜的提取,需將兩種譜分離,除去功率譜中的連續(xù)譜成分,并在此基礎上依據(jù)線譜“三原則”進行線譜提取。由此,我們可以確定線譜提取的流程如下:

(1)對輻射噪聲信號分段進行FFT變換,得到功率譜圖;

(2)采用擬合法對各段功率譜譜圖中的連續(xù)譜趨勢進行提取;

(3)功率譜圖中去除連續(xù)譜趨勢,獲得“拉平”后的線譜圖;

(4)對頻譜的峰值點進行檢測,對譜線的幅值門限A進行檢測并剔除偽峰;

(5)對線譜頻寬進行檢測,在內的譜線視為相同的譜線;

(6)線譜穩(wěn)定時間檢測,按照一定規(guī)則,在全部頻譜時間樣本中的線譜存在的樣本時間大于P,即視為穩(wěn)定的線譜;

(7)獲得穩(wěn)定線譜。

3.3 實驗驗證

在這里假設噪聲信號在極短的分析區(qū)間內是平穩(wěn)的。這種假設不僅在理論上還是在實踐中都具有合理性。根據(jù)對線譜提取方法和檢測準則的研究,利用模擬數(shù)據(jù)的功率譜分析對其線譜特征進行提取, 可以實現(xiàn)對線譜的快速提取。

4 結語

線譜特有的集中而穩(wěn)定的能量可以提高檢測性能,采用線譜提取的“三要素”實現(xiàn)對線譜的穩(wěn)定檢測在故障診斷和信號檢測、識別等領域中具有積極的意義。

參考文獻

[1] 楊德森,吳一.水下目標輻射噪聲線譜的分析.哈爾濱工程大學學報,1996, Vol.17 No.1.

[2] R.J.尤立克.水聲原理.哈爾濱船舶工程學院出版社,1990(2).

[3] 朱華,黃輝寧,等.隨機信號分析.北京理工大學出版社,2002.