[發明專利]一種基于迭代解調時變濾波的自適應瞬時頻率估計方法

有效

• 申請號: 202210798187.9
• 申請日: 2022-07-08
• 公開（公告）號: CN114880627B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 陳是扦;王開云;王紅兵;翟婉明
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F17/18
• 分類號: G06F17/18;G01M13/045
• 代理公司: 成都為知盾專利代理事務所(特殊普通合伙) 51267
• 代理人: 李漢強

本發明公開了一種基于迭代解調時變濾波的自適應瞬時頻率估計方法，其步驟包括：步驟S1，利用一種基于信號導數歸一化的瞬時頻率計算方法初步估計信號的瞬時頻率；步驟S2，利用一種基于解調技術的迭代時變濾波方法降低噪聲對瞬時頻率估計的影響，實現瞬時頻率的準確估計；步驟S3，檢驗結果是否符合設定的閾值，不符合則令，繼續執行步驟S1。其根據信號導數的時域特征初步計算瞬時頻率，無需先驗信息，是完全數據驅動的，采用迭代時變濾波降低噪聲對瞬時頻率估計的影響，具有較強的抗噪性能。

技術領域

本發明屬于振動信號處理技術領域，具體涉及一種基于迭代解調時變濾波的自適應瞬時頻率估計方法。

背景技術

振動信號分析是旋轉機械設備狀態監測和故障診斷的重要組成部分。在瞬變工況下，尤其是旋轉機械加減速階段，更容易從振動信號中發現早期故障的微弱特征。然而，瞬變工況下旋轉機械的振動信號表現出與設備轉速相關的非平穩特性，且嚴重受環境噪聲污染。瞬時頻率常用來刻畫振動信號的非平穩特征。因此，在強時變工況和強噪聲背景下，準確估計振動信號的瞬時頻率對旋轉機械故障診斷至關重要。

現有瞬時頻率估計方法通常可分為兩大類，即基于時域特征的瞬時頻率估計和基于時頻分布的瞬時頻率估計。前者通過時域信號的相位差、極值點或零點的時刻差等時域特征估計瞬時頻率，算法簡單但易受噪聲干擾且只適用于單分量信號。后者主要結合時頻分布和脊線提取實現瞬時頻率估計，結果可靠穩定且適用于多分量信號。常用的非參數化時頻分析技術如短時傅里葉變換、小波變換、Wigner-Ville分布等存在時頻集中性差，交叉項干擾等問題。參數化時頻分析方法具有高時頻分辨率和強噪聲魯棒性等特點，但需要根據先驗信息確定信號模型匹配的核函數，難以適用于復雜振動信號分析，現需要一種可以克服上述缺點的計算瞬時頻率的方法。

發明內容

為克服上述存在之不足，本發明的發明人通過長期的探索嘗試以及多次的實驗和努力，不斷改革與創新，提出了一種基于迭代解調時變濾波的自適應瞬時頻率估計方法，其根據信號導數的時域特征初步計算瞬時頻率，無需先驗信息，是完全數據驅動的，采用迭代時變濾波降低噪聲對瞬時頻率估計的影響，具有較強的抗噪性能。對于多分量信號，本發明獲得其最高頻率分量的瞬時頻率。因此可進一步結合時變低通濾波方法實現多分量信號的瞬時頻率估計，也可作為變分模式分解（VMD）、非線性調頻分量分解（VNCMD、ACMD）等信號處理方法的初始化方法。

為實現上述目的本發明所采用的技術方案是：提供一種基于迭代解調時變濾波的自適應瞬時頻率估計方法。其步驟包括：

S1,利用基于信號導數歸一化的瞬時頻率計算方法初步估計信號的瞬時頻率：

S1.1, 輸入非線性調頻信號，將其建模為一個調幅-調頻信號，并進行初始化，即n=1，，為瞬時頻率迭代初值；

S1.2, 對非線性調頻信號求導以增強信號高頻成分，對增強后的非線性調頻信號進行歸一化，獲得純調頻信號；

S1.3, 對純調頻信號進行反余弦運算和求導獲得第n次循環的瞬時頻率；

S2, 判斷第n次循環的瞬時頻率和n-1循環得到的瞬時頻率的相對誤差是否小于閾值，若小于閾值則認為當前瞬時頻率為瞬時頻率估計結果，循環終止；否則，執行步驟S3；

S3，利用基于解調技術的迭代時變濾波方法降低噪聲對瞬時頻率估計的影響，實現瞬時頻率的準確估計：

S3.1, 計算步驟S1.2中的純調頻信號的解析信號：

S3.2, 引入解調算子和調制算子；

S3.3, 將解析信號與解調算子相乘，得到集中于載波頻率的解調信號；

S3.4, 以載波頻率為截止頻率對解調信號進行低通濾波，得到濾波后的信號；