一种信号处理方法、装置和计算设备与流程
本发明涉及设备状态监测领域，尤其涉及一种信号处理方法、装置和计算设备。
背景技术：
无论是简单机械还是复杂装备，变转速的工作状态几乎无处不在，可以说，变转速工况几乎涉及到工业、民用、国防等领域中的各种关键设备。同时，振动分析早已成为一种广泛采用的机械设备状态监测手段。对于实现恒工况设备的状态监测与故障诊断的故障诊断方法已十分丰富，是一个相对成熟的研究领域。然而需要指出的是，目前的振动监测与诊断技术主要针对定转速机械设备，并不能有效实现变转速下设备的监测与诊断。和平稳工况相比,变转速下的机械设备振动信号。
为了解决转速变化的问题,目前通常使用阶次分析技术。在机械设备的旋转轴的一端布置键相传感器。每当轴表面的凹槽旋转经过探头时，位移传感器输出一个键相信号的脉冲，指示转轴转过了一圈。显然，传统方法下实现阶次分析的前提条件是需要加装键相传感器，成本较高，并且也存在无法安装键相传感器的应用场景，例如：安装空间不够。
因此需要一种更先进的实现阶次分析的方案。
技术实现要素：
鉴于此，本发明提供了一种新的信号处理的方案，以力图解决或至少缓解上面存在的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种信号处理方法，包括步骤：获取机械设备的振动信号；基于机械设备的转速区间，对振动信号进行变换，得到虚拟转速信号；基于虚拟转速信号，对振动信号进行等角度重采样，得到采样信号；以及对采样信号进行傅立叶变换得到转速信号的参考阶次谱，以便进行阶次分析。
可选地，在根据本发明的方法中，基于机械设备的转速区间，对振动信号进行变换，得到虚拟转速信号的步骤包括：基于机械设备的转速区间得到频谱带通区间；根据该频谱带通区间，对振动信号的频谱进行带通处理；对带通处理后的频谱进行傅立叶逆变换，得到复数解析信号；提取该复数解析信号的实部，得到虚拟转速信号。
可选地，在根据本发明的方法中，机械设备包括风力发电机机组，其转速区间为900rpm～1800rpm。。
可选地，在根据本发明的方法中，根据该频谱带通区间，对振动信号的频谱进行带通处理的步骤包括：将振动信号的频谱在频谱带通区间外的频率置为0。
可选地，在根据本发明的方法中，对带通处理后的频谱进行傅立叶逆变换，得到复数解析信号的步骤包括：按照以下公式进行傅立叶逆变换：
可选地，在根据本发明的方法中，基于虚拟转速信号，对振动信号进行等角度重采样的步骤包括：根据虚拟转速信号，获取等角度重采样的采样时刻；根据采样时刻，对振动信号进行等角度重采样。
可选地，在根据本发明的方法中，根据虚拟转速信号，获取等角度重采样的时间序列的步骤包括：选取虚拟转速信号的起始过零点；从起始过零点开始，每间隔一个过零点选取一个过零点；将所选取的过零点对应的时刻作为等角度重采样的采样时刻。
可选地，在根据本发明的方法中，等角度重采样的插值方式为线性插值。
根据本发明的另一个方面，提供了一种信号处理装置，包括：信号采集模块，适于获取机械设备的振动信号；信号变换模块，适于基于机械设备的转速区间，对振动信号进行变换，得到虚拟转速信号；以及信号重采样模块，适于基于虚拟转速信号，对振动信号进行等角度重采样，得到采样信号；还适于对采样信号进行傅立叶变换得到转速信号的参考阶次谱。
可选地，在根据本发明的装置中，信号变换模块还适于：基于机械设备的转速区间得到频谱带通区间；根据该频谱带通区间，对振动信号的频谱进行带通处理；对带通处理后的频谱进行傅立叶逆变换，得到复数解析信号；提取该复数解析信号的实部，得到虚拟转速信号。
可选地，在根据本发明的装置中，机械设备包括风力发电机机组，其转速区间为900rpm～1800rpm。
可选地，在根据本发明的装置中，信号变换模块还适于：将振动信号的频谱在频谱带通区间外的频率置为0。
可选地，在根据本发明的装置中，信号变换模块还适于：按照以下公式进行傅立叶逆变换：
可选地，在根据本发明的装置中，信号重采样模块还适于：根据虚拟转速信号，获取等角度重采样的采样时刻；根据采样时刻，对振动信号进行等角度重采样。
可选地，在根据本发明的装置中，信号重采样模块还适于：选取虚拟转速信号的起始过零点；从起始过零点开始，每间隔一个过零点选取一个过零点；将所选取的过零点对应的时刻作为等角度重采样的采样时刻。
可选地，在根据本发明的装置中，等角度重采样的插值方式为线性插值。
根据本发明的另一个方面，提供了一种计算设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个程序包括用于执行根据本发明的方法中的任一方法的指令。
根据本发明的另一个方面，提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行根据本发明的方法中的任一方法。
根据本发明的信号处理方案，无需加装没有键相传感器，通过解析机械设备的振动信号，获取虚拟转速信号，并根据该虚拟转速信号对振动信号进行等角度重采样，进而进行阶次分析，实现了对变转速设备的故障诊断和分析，操作简单方便，成本较低。
附图说明
为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。
图1示出了根据本发明一个示例性实施例的计算设备100的结构示意图；
图2示出了根据本发明一个示例性实施例的信号处理方法200的流程图；
图3示出了根据本发明一个示例性实施例的振动信号的频谱示意图；
图4示出了根据本发明一个示例性实施例的振动信号进行带通处理后的频谱示意图；
图5示出了根据本发明一个示例性实施例的虚拟转速信号的示意图；
图6示出了根据本发明另一个示例性实施例的虚拟转速信号的示意图；
图7示出了根据本发明一个示例性实施例的等角度采样的示意图；
图8示出了根据本发明一个示例性实施例的采样信号与振动信号的对比示意图；
图9示出了根据本发明一个示例性实施例的转速信号的参考阶次谱和真实阶次谱的对比示意图；以及
图10示出了根据本发明一个示例性实施例的信号处理装置300的结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明一个示例性实施例的计算设备100的结构框图。该计算设备100可以实现为服务器，例如文件服务器、数据库服务器、应用程序服务器和网络服务器等，也可以实现为包括桌面计算机和笔记本计算机配置的个人计算机。此外，计算设备100还可以实现为小尺寸便携(或者移动)电子设备的一部分，这些电子设备可以是诸如蜂窝电话、个人数字助理(pda)、个人媒体播放器设备、无线网络浏览设备、个人头戴设备、应用专用设备、或者可以包括上面任何功能的混合设备。
在基本的配置102中，计算设备100典型地包括系统存储器106和一个或者多个处理器104。存储器总线108可以用于在处理器104和系统存储器106之间的通信。
取决于期望的配置，处理器104可以是任何类型的处理，包括但不限于：微处理器((μp)、微控制器(μc)、数字信息处理器(dsp)或者它们的任何组合。处理器104可以包括诸如一级高速缓存110和二级高速缓存112之类的一个或者多个级别的高速缓存、处理器核心114和寄存器116。示例的处理器核心114可以包括运算逻辑单元(alu)、浮点数单元(fpu)、数字信号处理核心(dsp核心)或者它们的任何组合。示例的存储器控制器118可以与处理器104一起使用，或者在一些实现中，存储器控制器218可以是处理器104的一个内部部分。
取决于期望的配置，系统存储器106可以是任意类型的存储器，包括但不限于：易失性存储器(诸如ram)、非易失性存储器(诸如rom、闪存等)或者它们的任何组合。系统存储器106可以包括操作系统120、一个或者多个程序122以及程序数据124。在一些实施方式中，程序122可以被配置为在操作系统上由一个或者多个处理器104利用程序数据124执行指令。
计算设备100还可以包括有助于从各种接口设备(例如，输出设备142、外设接口144和通信设备146)到基本配置102经由总线/接口控制器130的通信的接口总线140。示例的输出设备142包括图形处理单元148和音频处理单元150。它们可以被配置为有助于经由一个或者多个a/v端口152与诸如显示器或者扬声器之类的各种外部设备进行通信。示例外设接口144可以包括串行接口控制器154和并行接口控制器156，它们可以被配置为有助于经由一个或者多个i/o端口158和诸如输入设备(例如，键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备)或者其他外设(例如打印机、扫描仪等)之类的外部设备进行通信。示例的通信设备146可以包括网络控制器160，其可以被布置为便于经由一个或者多个通信端口164与一个或者多个其他计算设备162通过网络通信链路的通信。
网络通信链路可以是通信介质的一个示例。通信介质通常可以体现为在诸如载波或者其他传输机制之类的调制数据信号中的计算机可读指令、数据结构、程序模块，并且可以包括任何信息递送介质。“调制数据信号”可以这样的信号，它的数据集中的一个或者多个或者它的改变可以在信号中编码信息的方式进行。作为非限制性的示例，通信介质可以包括诸如有线网络或者专线网络之类的有线介质，以及诸如声音、射频(rf)、微波、红外(ir)或者其它无线介质在内的各种无线介质。这里使用的术语计算机可读介质可以包括存储介质和通信介质二者。
其中，计算设备100的一个或多个程序122包括用于执行根据本发明的信号处理方法中任一方法的指令。
图2示出了根据本发明一个示例性实施例的信号处理方法200的流程图。如图2所示，信号处理方法200始于步骤s210。
在步骤s210中，获取机械设备的振动信号。而后在步骤s220中，基于该机械设备的转速区间，对振动信号进行变换，得到虚拟转速信号。可以理解地，机械设备均有其转速区间，也就是转速波动的范围，例如风力发电机机组的转速区间为900rpm～1800rpm。
根据本发明的一个实施方式，可以基于机械设备的转速区间得到频谱带通区间。通常地，假设转速区间为[rmin,rmax]，则频谱带通区间可以为
获取频谱带通区间之后，可以根据该频谱带通区间，对振动信号的频谱进行带通处理。具体地，可以先对振动信号进行傅立叶变换，得到其频谱，如图3所示。再将该振动信号的频谱在频谱带通区间外的频率置为0，如图4所示。这里，图4仅显示了频谱的幅值,但是实际上傅立叶变换得到的频谱为复数谱，因此经过带通处理后的频谱仍然保留有相位信息,可以用于后续得到虚拟转速信号。
接着对带通处理后的频谱进行傅立叶逆变换，得到复数解析信号z(t)＝x(t)+iy(t)。傅立叶逆变换的公式如下：
式中x为时间，单位为秒，ξ为频率，单位为赫兹。
保留该复数解析信号的实部x(t)，去掉其虚部，可得到虚拟转速信号x(t)，如图5所示。
该虚拟转速信号类似正弦信号，横坐标是时间，纵坐标是幅值。可以看到正弦信号的幅值随时间在发生变化，同时其周期也随时间发生变化。周期的变化反应了设备转速的波动，因此该虚拟转速信号可以替代真实的转速信号来进行阶次分析。
而后，在步骤s230中，基于虚拟转速信号，对振动信号进行等角度重采样，得到采样信号。具体地，根据转速参考信号，获取等角度重采样的采样时刻。其中，可以首先选取转速参考信号的起始过零点，再从该起始过零点开始，每间隔一个过零点选取一个过零点。最后将所选取的过零点对应的时刻作为等角度重采样的采样时刻
图6示出了根据本发明一个示例性实施例的虚拟转速信号的放大示意图，其中所选取的两个相邻过零点分别为(x＝122.1ms,y＝0)和(x＝171.7ms,y＝0)，时间间隔
由此可见，本发明可以根据虚拟转速信号的过零点来判定设备的瞬时转速。
获取采样时刻之后，可以根据获取的采样时刻，对振动信号进行等角度重采样。根据本发明的一个实施方式，等角度重采样的差值方式为线性插值。
等角度重采样是将相位信息按计算需要的间隔进行等间隔划分，以相位与时间的对应关系获得等间隔划分后每个相位对应的时刻，也就是所选取的采样时刻。以此时刻对原始的振动信号进行重新采样，就可得到等角度重采样后的采样信号，如图7所示，其中原始采样点以三角形示出,重采样后的采样点以正方形示出。重采样后的采样信号与原始的振动信号的对比可参见图8。
最后在步骤s240中，对采样信号进行傅立叶变换得到转速信号的参考阶次谱。图9示出了根据本发明一个示例性实施例的转速信号的参考阶次谱和真实阶次谱的对比示意图。如图9所示，可以看到基于虚拟转速信号得到的参考阶次谱和基于真实的转速信号得到的真实阶次谱结果非常接近，谱线的幅值大小，谱线位置一致。
综上，本发明的信号处理方案所获取的虚拟转速信号可以用于设备转速估计以及阶次分析，在节省成本的同时，转速识别精度更高，尤其对于高频成份的识别精度高，特别适用于需要对包含有高频成份的振动信号做阶次分析的应用场景。
进一步地，还可以通过比较虚拟转速信号和实际的转速信号，来校验转速传感器是否存在异常。
根据本发明的还有一个实施方式，在得到转速信号的参考阶次谱之前，还可以基于机械设备的其他转速区间，对先前得到的采样信号重复变换得到虚拟转速信号、基于虚拟转速信号进行等角度采样得到采样信号的步骤，并对最后得到的采样信号进行傅立叶变换得到转速信号的参考阶次谱。例如，在基于第一频谱带通区间
图10示出了根据本发明一个示例性实施例的信号处理装置300的结构框图。如图10所示，信号处理装置300可以包括信号采集模块310、信号变换模块320、以及信号重采样模块330。
信号采集模块310适于获取机械设备的振动信号。与其相连接的信号变换模块320则适于基于机械设备的转速区间，对振动信号进行变换，得到虚拟转速信号。具体地，信号变换模块320可以基于机械设备的转速区间得到频谱带通区间，例如机械设备可以包括风力发电机机组，其转速区间为900rpm～1800rpm。根据该频谱带通区间，对振动信号的频谱进行带通处理，也就是将振动信号的频谱在频谱带通区间外的频率置为0。
而后对带通处理后的频谱进行傅立叶逆变换，得到复数解析信号，最后提取该复数解析信号的实部，得到虚拟转速信号。其中，按照以下公式进行傅立叶逆变换：
式中x为时间，单位为秒，ξ为频率，单位为赫兹。
得到虚拟转速信号之后，与信号变换模块320相连接的信号重采样模块330可以基于该虚拟转速信号，对振动信号进行等角度重采样，得到采样信号，最后对该采样信号进行傅立叶变换，得到转速信号的参考阶次谱。具体地，可以根据虚拟转速信号，获取等角度重采样的采样时刻：选取虚拟转速信号的起始过零点，再从起始过零点开始，每间隔一个过零点选取一个过零点，将所选取的过零点对应的时刻作为等角度重采样的采样时刻。而后根据采样时刻，对振动信号进行等角度重采样。其中，等角度重采样的插值方式可以为线性插值。
根据本发明的一个实施方式，信号变换模块320还可以基于机械设备的其他转速区间，对所述信号重采样模块先前得到的采样信号重复变换得到虚拟转速信号的步骤，接着信号重采样模块330还可以重复基于虚拟转速信号进行等角度采样得到采样信号的步骤，并根据最后得到的采样信号，变换得到转速信号的参考阶次谱。
应当理解，这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如软盘、cd-rom、硬盘驱动器或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被该机器执行时，该机器变成实践本发明的设备。
在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备一般包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)，至少一个输入装置，和至少一个输出装置。其中，存储器被配置用于存储程序代码；处理器被配置用于根据该存储器中存储的该程序代码中的指令，执行本发明的各种方法。
以示例而非限制的方式，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在计算机可读介质的范围之内。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明还可以包括：a5、如a2-4中任一个所述的方法，其中，对带通处理后的频谱进行傅立叶逆变换，得到复数解析信号的步骤包括：按照以下公式进行傅立叶逆变换：
b14、如b11-13中任一个所述的装置，其中，所述信号变换模块还适于：按照以下公式进行傅立叶逆变换：
此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
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