一种多谐波振动信号分解装置及方法
【专利摘要】一种多谐波振动信号分解装置及方法，本发明涉及多谐波振动信号分解装置及方法。本发明是为了解决基于经验模态法的信号分解方法对两端数据处理误差较大，且不能解调频率相近的谐波信号的问题。一种多谐波振动信号分解装置包括数据采集模块(1)、数据分解器(2)、显示器(6)、分解装置控制器(9)和传感器(10)；数据分解器(2)由A/D转换器(3)、数字计算器(4)、希尔伯特变换器(5)、同步解调器(7)和低通滤波器(8)构成。本发明可以有效分解频率相近的振动谐波信号，保证在整段信号数据处理均能有较高的精度。本发明应用于卫星遥测信号处理、卫星结构损伤检测、频谱分解等领域。
【专利说明】
-种多谐波振动信号分解装置及方法
技术领域
[0001 ]本发明设及多谐波振动信号分解装置及方法。
【背景技术】
[0002] 信号的分解广泛用于卫星遥测信号处理、卫星结构损伤检测、频谱分解等领域。提 出和采用合理的信号分解方法可W实现卫星的快速设计，从而缩短卫星设计和研发周期。 在信号分解过程中，信号的特征获取至关重要，由于某些时域信号物理特征表现不明显，为 了突出或者求取某些信号的物理特性，需要将信号通过一定的变换如傅里叶变换、希尔伯 特变换，从而转换到复域中去。
[0003] 希尔伯特变换描述一个W实数值载波做调制的信号之复数包络，出现在通讯理论 中发挥着重要作用。希尔伯特变换可W通过公式(1)计算得出。
[0004] 公式（1)为：
[0005]
[0006] 公式中x(t)表示输入信号，贫表示卷积计算，表示圆周率常数。
[0007] 信号经过希尔伯特变换后，在频域内各频率分量的幅度保持不变，但相位上出现 90°的相移。基于该特点，该变换法广泛用于数字信号处理，如信号变换或滤波等。
[000引目前已知的信号分解方式最为常用的是W希尔伯特为基础经验模态分解方法，但 运种方法难W处理数据初始阶段的数据和末尾阶段的数据，即所谓的端点效应突出；当分 量振动频率相差较大时，经验模态分解效果较好，但当分量振动频率相近时，经验模态法不 能有效处理，难W保证信号分解的精度。所W，信号谐波分量的提取、分解信号能力有限。
【发明内容】
[0009] 本发明为了解决基于经验模态法的信号分解方法对两端数据处理误差较大，且不 能解调频率相近的谐波信号的问题，而提出的一种多谐波振动信号分解装置及方法。
[0010] -种多谐波振动信号分解装置包括:数据采集模块、数据分解器、显示器、分解装 置控制器和传感器；
[OOW 所述数据分解器由A/D转换器、数字计算器、希尔伯特变换器、同步解调器和低通 滤波器构成；
[0012]传感器的信号输出端连接数据采集模块的信号输入端，数据分解器分别与数据采 集模块、显示器和分解装置控制器连接;其中数据采集模块的信号输出端与A/D转换器的信 号输入端连接，A/D转换器的信号输出端与希尔伯特变换器的信号输入端连接，希尔伯特变 换器的瞬时频率信号输出端与数字计算器的信号输入端连接，数字计算器的信号输出端与 低通滤波器的信号输入端连接，低通滤波器的信号输出端与同步解调器的瞬时频率信号输 入端连接，希尔伯特变换器的瞬时幅值信号输出端与同步解调器的瞬时幅值信号输入端连 接，同步解调器的信号输出端与显示器的信号输入端连接。
[0013] -种多谐波振动信号分解方法按W下步骤实现：
[0014] 步骤一:将输入信号X化)转换为解析信号Y(k);所述输入信号x(k)包括数据采集 模块(1)采集到的信号和网线输入信号；
[0015] 步骤二:计算解析信号Y化)的瞬时频率CO (t);
[0016] 步骤将步骤二获得的瞬时频率O (t)通过低通滤波器得到最大振动分量的瞬 时频率却A-);
[0017] 步骤四：解析信号Y化)通过希尔伯特变换器和同步解调器分解出最大振动分量的 瞬时幅值A(t);
[0018] 步骤五:根据步骤=得到的最大振动分量的瞬时频率刮t)和步骤四得到的最大振 动分量的瞬时幅值A(t)，计算信号的最大振动分量Xi化）；
[0019] 步骤六:将输入信号X化)减去信号的最大振动分量xi(k)，得到新的信号；判断新 的信号是否满足阔值，若是，则结束;若否，则重新执行步骤一，直至满足阔值。
[0020] 发明效果：
[0021] 本发明采用的技术方案，与现有的经验模态分解方法相比，提供了一种信号分解 处理的装置，通过多项式最小平方差预估计算器，可W准确处理信号的两段数据，同时由于 低通滤波器的存在，使得振动信号分解可W分离频率十分相近的信号数据。
[0022] 本发明基于希尔伯特变换原理，将采集的信号进行有效处理，不仅可W有效分解 频率相近的振动谐波信号，还能保证在整段信号数据处理均能有较高的精度，可W有效的 解决了基于传统方法的信号分解方法的固有缺点，如端点效应等。本发明原理明确，精度较 高，分解信号能力突出。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明装置示意图；
[0024] 图2为本发明装置内部原理图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0025] 一：如图1所示，一种多谐波振动信号分解装置包括:数据采集模块 1、数据分解器2、显示器6、分解装置控制器9和传感器10;
[0026] 所述数据分解器2由A/D转换器3、数字计算器4、希尔伯特变换器5、同步解调器7和 低通滤波器8构成；
[0027] 传感器10的信号输出端连接数据采集模块1的信号输入端，数据分解器2分别与数 据采集模块1、显示器6和分解装置控制器9连接;其中数据采集模块1的信号输出端与A/D转 换器3的信号输入端连接，A/D转换器3的信号输出端与希尔伯特变换器5的信号输入端连 接，希尔伯特变换器5的瞬时频率信号输出端与数字计算器4的信号输入端连接，数字计算 器4的信号输出端与低通滤波器8的信号输入端连接，低通滤波器8的信号输出端与同步解 调器7的瞬时频率信号输入端连接，希尔伯特变换器5的瞬时幅值信号输出端与同步解调器 7的瞬时幅值信号输入端连接，同步解调器7的信号输出端与显示器6的信号输入端连接。
[0028] 多谐波信号经过分解装置后，可W分解和提取信号的所有谐波分量。
[0029] 分解装置控制器9可W对数据分解器2处理的数据的精度、输出谐波次数等进行控 审IJ。与数据分解器2串联的显示器6可W显示多谐波的信号波形，或者单一谐波信号的波形、 频率等信息，或者通过网线直接输出到其它设备。
[0030]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述A/D转换器3的型 号为ADCC0809，其分辨率为8位，转换时间为128US，单一电源为5V。
[0031 ]【具体实施方式】=:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:所述数字计算器4 装有多项式最小平方差预估方法的DSP C674X数字计算器，速度850MHZ-1.25GHz，功耗为 2胖-3.抓，操作系统为1'11?1'05。
【具体实施方式】 [0032] 四：本实施方式与=不同的是:所述希尔伯特变换器5 为希尔伯特变换程序的数字计算器，型号为DSP C674X。希尔伯特变换器5能够将离散信号 完成公式1的计算。
[0033] 希尔伯特变换器5的一条支路串联了一个数字计算器4,数字计算器4内嵌了多项 式最小平方差预估方法的程序;在数字计算器4后还串联有一个低通滤波器8,低通数字滤 波器8可W接收数字计算器4的计算结果，并完成信号的过滤。
[0034] 希尔伯特变换器5的另一条支路直接串联到同步解调器7,同步解调器7同时接收 低通滤波器8和希尔伯特变换器5输入的离散数据，并进行处理。
【具体实施方式】 [0035] 五:本实施方式与一、二或四不同的是:所述同步解调 器(7)采用ADA2200集成式同步解调器。
【具体实施方式】 [0036] 六:一种多谐波振动信号分解方法按W下步骤实施：
[0037] 步骤一:将输入信号X化)转换为解析信号Y(k);所述输入信号x(k)包括数据采集 模块1采集到的信号和网线输入信号；
[0038] 步骤二:计算解析信号Y化)的瞬时频率CO (t);
[0039] 步骤将步骤二获得的瞬时频率O (t)通过低通滤波器8得到最大振动分量的瞬 时频率刮;
[0040] 定义将瞬时频率分为两部分，一部分随时间快速变化，另一部分随时间缓慢变换。 在数据处理器后面串联一个低通滤波器，数据通过具有低通滤波的功能计算器，获取最大 振动频率分量(周期是在所有振动分量中最大的）的瞬时频率，记为窗(句。
[0041] 步骤四：解析信号Y化)通过希尔伯特变换器5和同步解调器7分解出最大振动分量 的瞬时幅值A(t);
[0042] 步骤五:根据步骤=得到的最大振动分量的瞬时频率忍货)和步骤四得到的最大振 动分量的瞬时幅值A(t)，计算信号的最大振动分量Xi化）；
[0043] 步骤六:将输入信号X化)减去信号的最大振动分量xi(k)，得到新的信号；判断新 的信号是否满足阔值，若是，则结束;若否，则重新执行步骤一至步骤六（W得到的新的信号 作为步骤一的输入信号），直至满足阔值(人为设定的振动谐波次数）。
【具体实施方式】 [0044] 屯:本实施方式与六不同的是:所述步骤一中将输入 信号X化)转换为解析信号Y化)的具体过程为：
[0045] 将采集到的或者输入信号X化)通过A/D转换器3转换成离散的数字信号y(k)，k = 1，2,…，N;将数字信号y化)变换为J'(A)，通过希尔伯特变换器5将离散的数字信号y化)转换 为解析信号Wk),即解析信号实部由^k)构成，解析信号虚部由.叫4构成。
【具体实施方式】 [0046] 八:本实施方式与六或屯不同的是:所述步骤二中计 算解析信号Y化)的瞬时频率《( t)的具体过程为：
[0047] 通过具有多项式最小平方差计算程序的数字计算器4计算解析信号Y化)的瞬时频 率《(t)。
[0048] 对解析信号Y化)通过串联的数据处理装置，该装置能够计算信号的多项式最小平 方差预估值，W及计算信号的瞬时频率《 (t);数据处理单元内嵌有多项式最小平方差计算 程序。
【具体实施方式】 [0049] 九:本实施方式与八不同的是:所述步骤五中计算信 号的最大振动分量Xi化)的具体过程为：
[0050] 输入的多谐波振动信号的形式如公式(3):
[0化1]
(3)
[0化2] 其中：1表示第1个谐波分量;Ai(t)表示第1个谐波分量的幅值;巧的表示第1个谐波 分量的相角；《 i(t)表示第1个谐波分量的瞬时频率;t表示时间；
[0化3] 当1 = 2时，即：
[0化4]
(4)
[0055] 其中，Ai(t)和A2(t)分别表示最大振动分量幅值和剩余振动分量幅值；《i(t)和 ? 2(t)分别表示最大振动分量和剩余振动分量的瞬时频率；
[0056] 将x(t)表示成单一谐波信号时，即
[0057]
(5)
[0化引其中，As(t)单一谐波信号的幅值;巧，（今为单一谐波信号的相角；
[0化9]
[0060] (6)
[0061 ]在一个积分周期T内，即：
[0062]
(7)
[0063] 其中，T表示一个积分周期;经过低通滤波器后的信号频率变为最大谐波分量的瞬 时频率，即
[0064] 将《i(t)作为一个同步解调器的截止频率时，得到：
[00化]
(8)
[0066] 对多谐波信号x(t)进行一次希尔伯特变换后，得到：
[0067]
(9)
[0068] 得到最大振动分量的幅值为：
[0069] OO)
[0070]
[0071] (11)
[0072]
[0073] (2)〇
[0074] 实施例一.
[0075] 非线性系统产生的振动信号通常由一些列谐波分量构成，因此通过多谐波振动信 号分解装置，可W分解振动信号的前几阶振动分量，从而分析系统的非线性特性。本发明装 置内部原理如图2所示。
[0076] 步骤一：用网线将计算机模拟非线性系统产生的一组多谐波振动信号x(t)输入到 多谐波振动信号分解转置的数据采集模块;考虑到在非线性振动信号，第一阶和第二阶谐 波分量占主要成分，因此在本实施实例中只求解第一和第二谐波分量；
[0077] 步骤二:通过8位分辨率，型号为ADCC0809的A/D转换器将多谐波振动信号离散化， 即获得数字信号X化），其中k=l，2,…，N为采样数据总数，N越大采样点越多，越贴近真实的 多谐波振动信号x(t);
[0078] 步骤将产生的数字信号X化)通过希尔伯特变换装置，将数字信号转变成解析 信号Y(k)，该装置为型号为C674X的DSP数字计算器，该计算器能够完成公式（1)的卷积计 算；
[0079] 步骤四：将步骤3得到的解析信号通过型号为C674X的DSP数字计算器，与步骤3不 同的是该计算器安装有多项式最小平方差计算程序，能够计算出多谐波振动信号的瞬时频 率《化）；
[0080] 步骤五:瞬时频率O (t)通过低通滤波器过滤掉高阶的谐波振动分量的频率分量， 可W获得第一阶，即最大谐波分量的瞬时频率刮A);
[0081] 步骤六:将步骤3产生的解析信号，同步骤5产生的瞬时频率一同通过截止频率为 ?(〇的ADA2200集成式同步解调器，从而分解出第一阶，即最大振动分量的幅值Al化）；
[0082] 步骤屯:步骤5和步骤6产生的瞬时频率面的和瞬时幅值Al化），利用公式(2)从而 求解出第一阶，即最大振动分量Xl化）；
[0083] 步骤八:将X化)-xi化)作为新的输入多谐波信号X化），执行步骤2到步骤7,可W分 解出第二阶振动分量；
[0084] 步骤九:通过显示器或者网线输出第一阶和第二阶振动分量。
【主权项】
1. 一种多谐波振动信号分解装置，其特征在于，所述多谐波振动信号分解装置包括:数 据采集模块(1)、数据分解器(2)、显示器(6)、分解装置控制器(9)和传感器(10); 所述数据分解器(2)由A/D转换器(3)、数字计算器(4)、希尔伯特变换器(5)、同步解调 器(7)和低通滤波器(8)构成； 传感器（10)的信号输出端连接数据采集模块（1)的信号输入端，数据分解器(2)分别与 数据采集模块（1)、显示器(6)和分解装置控制器(9)连接;其中数据采集模块（1)的信号输 出端与A/D转换器(3)的信号输入端连接，A/D转换器(3)的信号输出端与希尔伯特变换器 (5)的信号输入端连接，希尔伯特变换器(5)的瞬时频率信号输出端与数字计算器(4)的信 号输入端连接，数字计算器(4)的信号输出端与低通滤波器(8)的信号输入端连接，低通滤 波器(8)的信号输出端与同步解调器(7)的瞬时频率信号输入端连接，希尔伯特变换器(5) 的瞬时幅值信号输出端与同步解调器(7)的瞬时幅值信号输入端连接，同步解调器(7)的信 号输出端与显示器(6)的信号输入端连接。2. 根据权利要求1所述的一种多谐波振动信号分解装置，其特征在于，所述A/D转换器 (3)的型号为ADCC0809,其分辨率为8位，转换时间为128us，单一电源为5V。3. 根据权利要求1或2所述的一种多谐波振动信号分解装置，其特征在于，所述数字计 算器(4)装有多项式最小平方差预估方法的DSP C674x数字计算器，速度850MHz-1.25GHz， 功耗为2W-3.5W，操作系统为TI RTOS。4. 根据权利要求3所述的一种多谐波振动信号分解装置，其特征在于，所述希尔伯特变 换器(5)为希尔伯特变换程序的数字计算器，型号为DSP C674x。5. 根据权利要求1、2或4所述的一种多谐波振动信号分解装置，其特征在于，所述同步 解调器(7)采用ADA2200集成式同步解调器。6. -种基于权利要求1所述装置的多谐波振动信号分解方法，其特征在于，所述多谐波 振动信号分解方法包括以下步骤： 步骤一:将输入信号x(k)转换为解析信号Y(k);所述输入信号x(k)包括数据采集模块 (1)采集到的信号和网线输入信号； 步骤二:计算解析信号Y(k)的瞬时频率ω (t); 步骤三:将步骤二获得的瞬时频率《(t)通过低通滤波器(8)得到最大振动分量的瞬时 频率; 步骤四：解析信号Y(k)通过希尔伯特变换器(5)和同步解调器(7)分解出最大振动分量 的瞬时幅值A(t); 步骤五:根据步骤三得到的最大振动分量的瞬时频率和步骤四得到的最大振动分 量的瞬时幅值A(t)，计算信号的最大振动分量X1(k); 步骤六:将输入信号x(k)减去信号的最大振动分量X1(k)，得到新的信号;判断新的信号 是否满足阈值，若是，则结束;若否，则重新执行步骤一，直至满足阈值。7. 根据权利要求6所述的一种多谐波振动信号分解方法，其特征在于，所述步骤一中将 输入信号x(k)转换为解析信号Y(k)的具体过程为： 将输入信号x(k)通过A/D转换器(3)转换成离散的数字信号7(1〇汰=1，2，一，化通过希 尔伯特变换器(5)将离散的数字信号y(k)转换为解析信号Y(k)。8. 根据权利要求6或7所述的一种多谐波振动信号分解方法，其特征在于，所述步骤二 中计算解析信号Y(k)的瞬时频率ω (t)的具体过程为： 通过具有多项式最小平方差计算程序的数字计算器(4)计算解析信号Y(k)的瞬时频率 ω (t) 〇9. 根据权利要求8所述的一种多谐波振动信号分解方法，其特征在于，所述步骤五中计 算信号的最大振动分量^(10的具体过程为： 输入的多谐波振动信号的形式如公式(3):O) 其中：1表示第1个谐波分量;Ai(t)表示第1个谐波分量的幅值;@ 表示第1个谐波分量 的相角；W1U)表示第1个谐波分量的瞬时频率;t表示时间； 当1 = 2时，即：(4) 其中，Ai(t)和A2(t)分别表不最大振动分量幅值和剩余振动分量幅值；ω Kt)和ω 2(t) 分别表示最大振动分量和剩余振动分量的瞬时频率； 将x(t)表示成单一谐波信号时，BP其中，T表示一个积分周期;经过低通滤波器后的信号频率变为最大谐波分量的瞬时频 率，即 ω i(t); 将ω Kt)作为一个同步解调器的截止频率时，得到：得到最大振动分量的幅值为： (10) (π)(2)〇
【文档编号】G06K9/00GK106022222SQ201610304801
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】孔宪仁, 熊怀, 曹喜滨, 孙兆伟, 林晓辉, 王峰
【申请人】哈尔滨工业大学