本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种信号相关性应用中共振辨识和消除方法及装置。
背景技术：
相关时延估计是信号处理领域研究的热点，其关键技术已被应用于噪声源及目标定位、机械故障诊断等工程实际中。其原理是：首先测量由源信号经不同传播路径后形成的两路目标信号，再对所采集信号进行滤波后基本互相关运算，进而根据最大相关峰确定所采集信号之间的时间差(时延)。当强干扰工况下，如低信噪比、强反射、多源定位等，基本互相关的时延估计值的精度较低。
文献[1](knappch,carterg.c.thegeneralizedcorrelationmethodforestimationoftimedelay[j].ieeetransactionsonacousticspeechonsignalprocessing,1976:320-327.)采用广义互相关算法通过对两路目标信号做傅里叶变换求取互谱密度函数，对其频域加权后做傅里叶逆变换得到互相关函数。常用的广义互相关算法为roth、wiener、phat、scot和ml等。对比基本互相关算法，广义互相关可更有效锐化主峰(最大相关峰)。然而实际时延估计效果并不理想，其原因是，在采集两路目标信号的测量过程中，当传感器直接与待测系统接触时，形成新的耦合系统。一旦出现共振，目标信号中还将混有共振分量；二则，因为共振分量的存在，进而影响了滤波器参数设定，将导致实际测量中相关时延估计准确性下降。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服目前相关时延估计方法存在的上述缺陷，提出了一种信号相关性应用中共振辨识和消除方法及装置，所述方法可实现共振的辨识，利用信号相关性应用中消除共振分量的方法，得到解耦后的目标信号。
为了实现上述目的，本发明提出了一种信号相关性应用中共振辨识和消除方法，所述方法包括：
在待测系统上布置两个传感器，拾取两个目标信号并计算其互功率谱密度函数，采用广义互相关roth方法加权计算两目标函数的频响函数；分析频响函数的幅值和相位，若其幅值中存在共振峰，且对应频率的相位存在π的整数倍的偏移，则判断存在共振，读取共振峰对应的两个固有频率；针对两个固有频率计算计算拾振器的两个频响函数；将频域加权的互谱密度函数乘以拾振器的频响函数的比值来消除共振，再对其进行傅里叶逆变换计算广义互相关函数；根据互相关函数的主峰值，输出与主峰值对应的时延估计。
作为上述方法的一种改进，所述方法包括以下步骤：
步骤1)在待测系统上布置两个传感器，拾取目标信号分别为xk(t),k＝1,2，计算其互功率谱密度函数：
其中，*表示共轭；x1(ω)、x2(ω)分别表示x1(t)、x2(t)的傅里叶变换；||表示幅值，φ(ω)表示相位；
步骤2)采用广义互相关roth方法对互谱密度进行频域加权，得到两目标函数的频响函数，可表示为：
其中，s11(ω)表示目标信号x1(t)的自功率谱密度；
步骤3)分析频响函数的幅值和相位，若其幅值中存在共振峰，且对应频率的相位存在π的整数倍的偏移，则判断存在共振，读取共振峰对应的频率记为固有频率ω1和ω2；
步骤4)针对每个固有频率，设置固有频率以及阻尼比，计算拾振器的频响函数为：
其中，ζ为阻尼比；
步骤5)将频域加权的互谱密度函数乘以拾振器的频响函数的比值来消除共振，再对其进行傅里叶逆变换计算广义互相关函数；
目标信号在去除共振后的相关函数表示为：
步骤6)根据互相关函数的主峰值，输出与主峰值对应的时延估计。
作为上述方法的一种改进，所述方法包括以下步骤：
步骤1)在待测系统上布置两个传感器，拾取目标信号分别为xk(t),k＝1,2，计算其互功率谱密度函数：
其中，*表示共轭；x1(ω)、x2(ω)分别表示x1(t)、x2(t)的傅里叶变换；||表示幅值，φ(ω)表示相位；
步骤2)采用广义互相关roth方法对互谱密度进行频域加权，得到两目标函数的频响函数，可表示为：
其中s22(ω)表示目标信号x2(t)的自功率谱密度；
步骤3)分析频响函数的幅值和相位，若其幅值中存在共振峰，且对应频率的相位存在π的整数倍的偏移，则判断存在共振，读取共振峰对应的频率记为固有频率ω1和ω2；
步骤4)针对每个固有频率，设置固有频率以及阻尼比，计算拾振器的频响函数为：
其中，ζ为阻尼比；
步骤5)将频域加权的互谱密度函数乘以拾振器的频响函数的比值来消除共振，再对其进行傅里叶逆变换计算广义互相关函数；
目标信号在去除共振后的相关函数表示为：
步骤6)根据互相关函数的主峰值，输出与主峰值对应的时延估计。
一种信号相关性应用中共振辨识和消除系统，所述系统包括：
输入模块，用于输入由传感器拾取的目标信号，将模拟信号转化成数字信号并放大，得到信号xk(t),k＝1,2；
共振消除模块，用于判断输入模块的目标信号是否存在共振分量，若存在共振分量则进行共振消除运算；
滤波模块，与共振消除模块连接，用于对消除共振分量后的目标信号进行滤波，进一步滤除目标信号中存在的背景噪声和反射声波等干扰信号；和
运算模块，与滤波模块和共振消除模块中的辨识单元连接，用于对去除共振后目标信号的频域加权互谱密度进行傅里叶逆变换，得到广义互相关，依据最大相关峰输出对应的时延估计。
作为上述系统的一种改进，所述共振消除模块包括：第一辨识单元和第一解耦单元；
所述第一辨识单元，与输入模块连接，用于读取放大的目标信号，并采用广义互相关roth方法计算两目标函数的频响函数表达式为：
其中，s11(ω)表示信号x1(t)的自功率谱密度；s12(ω)为互功率谱密度函数：
其中，*表示共轭；x1(ω)、x2(ω)分别表示x1(t)、x2(t)的傅里叶变换；||表示幅值，φ(ω)表示相位；
若频响函数的幅值中存在突变的共振峰，且相位对应固有频率上存在π整数倍的偏移，则判断存在共振分量，输出共振峰值对应的固有频率，记为ω1和ω2；若不存在共振分量，则直接进入滤波模块；
所述第一解耦单元，与第一辨识单元连接，用于设置固有频率和阻尼计算拾振器的频响函数，并消除目标信号中的共振分量；
依据下式计算谐振器的频响函数：
其中，ζ为阻尼比；
依据下式进行共振消除运算：
作为上述系统的一种改进，所述共振消除模块包括：第二辨识单元和第二解耦单元；
所述第二辨识单元，与输入模块连接，用于读取放大的目标信号，并采用广义互相关roth方法计算两目标函数的频响函数表达式为：
其中，s22(ω)为目标信号x2(t)的自功率谱密度；s21(ω)为互功率谱密度函数：
其中，*表示共轭；x1(ω)、x2(ω)分别表示x1(t)、x2(t)的傅里叶变换；||表示幅值，φ(ω)表示相位；
若频响函数的幅值中存在突变的共振峰，且相位对应固有频率上存在π整数倍的偏移，则判断存在共振分量，输出共振峰值对应的固有频率，记为ω1和ω2；若不存在共振分量，则直接进入滤波模块；
所述第二解耦单元，与第二辨识单元连接，用于设置固有频率和阻尼计算拾振器的频响函数，并消除目标信号中的共振分量；
依据下式计算谐振器的频响函数：
其中，ζ为阻尼比；
依据下式进行共振消除运算：
本发明的优势在于：
1、现有相关时延估计方法未考虑共振，本发明方法可以实现共振的辨识，利用信号相关性应用中消除共振分量的方法，得到解耦后的目标信号；
2、本发明的方法能够提高相关时延估计在工程应用中的准确性、鲁棒性、实用性。
附图说明
图1为本发明的方法的流程图；
图2为本发明的耦合系统示意图；
图3为本发明的装置的结构图；
图4为共振影响消除前、后的频响函数的幅值的示意图；
图5为共振影响消除前、后的频响函数的相位的示意图；
图6为共振影响消除后roth相关结果示意图；
图7为共振影响消除前roth相关结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种信号相关性应用中共振辨识和消除方法，包括以下步骤：
步骤1：在待测系统上布置传感器，拾取目标信号为xk(t),(k＝1,2)，计算其互功率谱密度函数：
或者
其中*表示共轭；x1(ω)、x2(ω)分别表示x1(t)、x2(t)的傅里叶变换；||表示幅值，φ(ω)表示相位。
步骤2：采用广义互相关roth方法对互谱密度进行频域加权，得到两目标函数的频响函数，可表示为：
或者
所述roth方法使用加权函数分别为1/s11(ω)、1/s22(ω)；s11(ω)、s22(ω)分别表示目标信号x1(t)、x2(t)的自功率谱密度。
步骤3：分析频响函数的幅值和相位，若其幅值中存在共振峰，且对应频率的相位存在π的整数倍的偏移，则判断存在共振，读取共振峰对应的频率记为固有频率ω1和ω2；
步骤4：针对每个固有频率，在式(3)中设置固有频率以及阻尼比，计算拾振器的频响函数为：
其中，ζ为阻尼比；
步骤5：将频域加权的互谱密度函数(即频响函数)乘以拾振器的频响函数的比值来消除共振，再对其进行傅里叶逆变换计算广义互相关函数。目标信号在去除共振后的相关函数可表示为：
或者
步骤6：根据互相关函数的主峰值，输出与主峰值对应的时延估计。
当传感器与待测系统接触时，形成一个新的耦合系统，如图1所示，由待测系统和拾振器串联组成。图中l(t)为源信号，经过不同传播路径dk之后被传感器拾取为目标信号xk(t),(k＝1,2)，目标信号之间的互功率谱密度函数为：
其中*表示复共轭；sll(ω)是源信号的自功率谱密度；dk(ω)、hk(ω,dk)分别为拾振器和待测系统的频响函数，k＝1,2。
每个拾振器由刚度k、阻尼c、质量m构成，其相应的频响函数为：
其中
若目标信号中存在系统耦合引起的共振分量，目标信号的频响函数的幅值在固有频率上将存在明显的共振峰，同时相位谱中则发生π整数倍的偏移。由式(1a)、(1b)可见，共振也将严重影响互功率谱密度函数的幅值和相位信息。采用相关方法求取时延时，首先需要对目标信号经行滤波处理，然后对两路信号做傅里叶变换求得互功率谱密度，再对其进行频域加权后做傅里叶逆变换即可得到广义互相关函数。在上述相关算法实施过程中，当出现共振，既影响滤波器参数的设定，又改变了互功率谱密度，最终导致相关时延估计结果不准确。
如图2所示，本发明提出一种消除共振分量的装置，所述装置包括：
输入模块，用于输入由传感器拾取的目标信号，其中应包括模/数转换器以及放大器，将模拟信号转化成数字信号并放大；
共振消除模块，与输入模块连接，用于判断目标信号是否存在共振分量，以及，若存在共振分量则进行共振去除运算；
所述共振消除模块包括：
辨识单元，与输入模块连接，用于读取放大目标信号，并采用广义互相关roth方法计算两目标函数的频响函数表达式为：
或者
若频响函数的幅值中存在突变的共振峰，且相位对应固有频率上存在π整数倍的偏移，则判断存在共振分量，输出共振峰值对应的固有频率，记为ω1和ω2；若不存在共振分量，则直接进入滤波模块；
所述解耦单元，与辨识单元连接，用于设置固有频率和阻尼计算拾振器的频响函数，并消除目标信号中的共振分量；
依据下式计算谐振器的频响函数：
依据下式进行共振消除运算：
或者
滤波模块，与共振消除模块连接，用于对消除共振分量后的目标信号进行滤波，进一步滤除目标信号中存在的背景噪声和反射声波等干扰信号；
运算模块，与滤波模块和共振消除模块中的辨识单元连接，用于对去除共振后目标信号的频域加权互谱密度进行傅里叶逆变换，得到广义互相关，依据最大相关峰输出对应的时延估计。
为了说明本方案的有效性，下面以具体实施例对本方案进行验证：
步骤1：在待测系统两处各放置一个传感器，拾取10s的时域目标信号，输入至输入模块，采样频率为500hz，对其进行1024点的快速傅里叶变换，计算目标信号x2(t)与x1(t)的互功率谱密度函数：
其中*表示复共轭；
步骤2：将输入的目标信号发送至辨识单元，采用roth方法对互谱密度进行频域加权得到频响函数：
步骤3：分析频响函数的幅值和相位，本实施例中的幅值谱存在突变的共振峰，对应频率的相位存在±π的偏移，如图4所示，判断目标信号中存在共振分量，峰值对应的频率是56hz和83hz，分别记为固有频率ω1和ω2；
步骤4：辨识单元判断出目标信号中存在共振分量，输出固有频率为ω1＝56hz以及ω2＝83hz。本实施例中，在解耦单元中设置固有频率以及阻尼比ζ＝0.022，依据下式分别计算谐振器的频响函数：
步骤5：将两个谐振器频响函数的比值与roth方法中的频响函数h21(ω)相乘进行共振消除运算：
如图4和图5所示，系统解耦后频响函数的幅值在固有频率上的共振分量被消除，同时相位中的偏移也被消除。
步骤6：将解耦后目标信号的频响函数读取至滤波模块进行滤波，本实施例中设置带通滤波器的带宽为5-90hz，滤波后进行傅里叶逆变换得出互相关函数。图6给出共振影响消除后的roth相关结果，依据最大相关峰输出对应的时间延迟估计，本实施例最后输出的时延估计为-90ms，相对真实时延值-92ms，时延误差约为2％，对比共振影响消除前的相关结果，有效去除共振干扰，峰值明显锐化，如图7所示。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。