專利名稱：基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對離散頻譜低頻成分校正方法，特別地，涉及一種基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法。
背景技術：
在頻譜校正領域，信號頻率的高低是相對而言的，當頻率小于頻譜的兩倍頻率分辨率時，視為低頻信號，反之視為高頻信號。例如，對于30Hz單頻信號，若頻率分辨率為 20Hz，則該信號在頻譜校正領域應該視為低頻信號；若頻率分辨率為1Hz，該信號在頻譜校正領域應該視為高頻信號。在工程實踐中，對于低頻信號，采集到的樣本內沒有足夠多的波動周期數(shù)，頻譜會受到負頻率的干涉，造成頻譜失真。在機械設備故障診斷領域，由渦流傳感器檢測到的大型旋轉機械的軸振動信號一般為周期信號和準周期信號，且具有較高的信噪比，通常采用快速傅立葉變換來進行頻譜分析。低速重載設備如煉鐵廠高爐爐頂布料齒輪箱、煉鋼廠的轉爐耳軸、大型化工反應釜等都有必要的低頻測量。在生產(chǎn)中有些設備間歇是運行的，運轉時間可能比所需的采樣時間短，采集到的周期數(shù)不夠。在醫(yī)療、生物和化工等工業(yè)領域，經(jīng)常需要用到高精度的相位差流量計，為了提高處理速度，或者為了實時檢測流量計的轉速和相位差信息，則希望數(shù)據(jù)采集時間盡可能的短，然而實際中常常流量計本身的轉速較小，導致采樣時間內采集的流量計旋轉周期數(shù)不足。由于采樣周期數(shù)不足，信號頻率可能小于兩倍頻率分辨率，頻譜會受到負頻率成分的干涉，使譜線的幅值和相位產(chǎn)生很大誤差。從理論上分析，對于單諧波高頻率信號，加矩形窗時幅值的最大誤差可達36. 4%, 即使加其它窗函數(shù)，也不能完全消除此誤差，如加漢寧窗時，幅值的最大誤差仍高達 15.3%，相位誤差高達90°。而對于低頻信號，由于頻譜受到了負頻率的干涉，誤差更大，校正更困難。傳統(tǒng)的頻譜校正方法基本上均未考慮頻譜中負頻率的影響，當振動信號的頻率很低時，負頻率對頻譜的干涉現(xiàn)象非常明顯，使得傳統(tǒng)校正算法精度明顯下降，甚至失效。國外學者沒有對頻譜校正開展過研究，國內對頻譜校正的研究很多，但是對低頻成分校正問題進行研究的學者非常少。根據(jù)文獻《振動工程學報》2008. 21(1)第38-42 頁，記錄文章《低頻成分的頻譜校正》作者陳奎孚、王建立、張森文提出了一種只適用于矩形窗的校正方法。它用的是頻譜峰值附近的三條譜線，由于在大部分情況下三條譜線中有一條或兩條幅值較小，所以該方法易受噪聲的影響。根據(jù)文獻《計量學報》2008. 29( 第 168-171頁，記錄文章《基于FFT的一種計及負頻率影響的相位差測量新方法》作者張海濤、 涂亞慶提出了基于相位差的低頻校正方法，但校正算法較復雜，需要求解方程組，計算量較大。
本發(fā)明提出了一種區(qū)別于以上兩種方法的離散頻譜低頻成分校正方法，通過對離散時間信號按照一定時間延遲進行適當?shù)姆侄危瑢π盘栔械皖l成分的頻率、相位和幅值信息進行精確的校正。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提出了一種離散頻譜低頻成分校正方法，通過對離散時間信號按照一定時間延遲進行適當?shù)姆侄?，實現(xiàn)了對離散時間信號中低頻成分的頻率、相位和幅值信息進行精確的地校正。其計算量小，計算精度高，簡單易行，適用于任何窗函數(shù)，提高了離散頻譜低頻成分校正的效率和準確性。具體技術方案如下一種基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法，包括以下步驟(1).將離散時間信號按照一定時間延遲分成等長度的三段，對每段時間信號分別求和，并獲得三個求和值；(2).利用離散時間信號頻譜的對稱性，使用傅立葉變換公式進行頻譜分析，以便事先得到離散頻譜低頻成分的有關頻譜校正的表達形式；(3).將(1)所述的三個求和值結合( 所述的離散頻譜低頻成分的有關頻譜校正的表達形式中涉及低頻成分的頻率和相位的形式，獲得離散頻譜中低頻成分的頻率和相位，根據(jù)所述的離散頻譜中低頻成分的頻率和相位結合( 所述的離散頻譜低頻成分的有關頻譜校正的表達形式中涉及低頻成分的幅度的表達形式，并獲得低頻成分的幅值；(4).根據(jù)C3)所述的頻率、幅值和相位結合( 所述的有關頻譜校正的表達形式， 對相位進行修正，獲得相位的校正值。獲得所述的步驟(1)所述的三個求和值，包括以下步驟(1. 1)將待分析的離散時間信號設為x(t)，采樣長度為2N，采樣時間為2T ；(1.2)截取該信號[T/2，3T/2)區(qū)間上的部分作為X1 (t)，[0，T)區(qū)間上的部分作為X2(t)，[T，2T)區(qū)間上的部分作為；(1. 3)則每段信號時長為T，長度為N，相鄰信號的時間延遲為T/2 ；(1.4)對每段時間信號分別求和，獲得三個求和值
權利要求
1.一種基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法，其特征在于包括以下步驟(1).將離散時間信號按照一定時間延遲分成等長度的三段，對每段時間信號分別求和，并獲得三個求和值；(2).利用離散時間信號頻譜的對稱性，使用傅立葉變換公式進行頻譜分析，以便事先得到離散頻譜低頻成分的有關頻譜校正的表達形式；(3).將(1)所述的三個求和值結合(2)所述的離散頻譜低頻成分的有關頻譜校正的表達形式中涉及低頻成分的頻率和相位的形式，獲得離散頻譜中低頻成分的頻率和相位，再根據(jù)所得到頻率和相位結合( 所述的離散頻譜低頻成分的有關頻譜校正的表達形式中涉及低頻成分的幅度的表達形式，并獲得低頻成分的幅值；(4).根據(jù)(3)所述的頻率、幅值和相位結合(2)所述的有關頻譜校正的表達形式，對相位進行修正，獲得相位的校正值。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法，其特征在于獲得步驟(1)所述的三個求和值，包括以下步驟(1. 1)將待分析的離散時間信號設為x(t)，采樣長度為2N，采樣時間為2T ； (1.2)截取該信號[T/2，3T/2)區(qū)間上的部分作為X1 (t)，[0，Τ)區(qū)間上的部分作為 x2(t), [T，2T)區(qū)間上的部分作為；(1. 3)則每段信號時長為T，長度為N，相鄰信號的時間延遲為T/2 ；(1. 4)對每段時間信號分別求和，獲得三個求和值
3.根據(jù)權利要求1所述的基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法，其特征在于獲得步驟(2)所述的離散頻譜低頻成分的有關頻譜校正的表達形式的方法如下(2. 1).設三段信號的傅立葉變換為Xi(f)，i= l，2，3，f表示頻率; (2. 2).利用離散時間信號頻譜的對稱性，使用傅立葉變換公式，可獲得離散頻譜低頻成分的頻譜校正的表達形式為
4.根據(jù)權利要求1和3所述的基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法， 其特征在于獲得步驟C3)所述的離散頻譜中低頻成分的幅值、頻率和相位的校正值的具體步驟如下根據(jù)和Xi, i = 1，2，3相等，可將Xi, i = 1，2，3結合頻譜校正的表達形式，得到頻率fo、相位Θ和幅值Α，其中頻率&和幅值A為所要求的校正值，相位θ經(jīng)過修正公式后得到所要求的相位校正值。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法，其特征在于所述的修正公式為θ' = θ+ISOfcZfs,其中，fs為采樣頻率，即為所要求的相位校正值。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法，其特征在于適用于對稱窗函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于時間延遲的離散頻譜低頻成分的校正方法，其特征在于包括以下步驟(1).將離散時間信號按照一定時間延遲分成等長度的三段，對每段時間信號分別求和，并獲得三個求和值；(2).利用離散時間信號頻譜的對稱性，并利用傅立葉變換公式獲得離散頻譜低頻成分的有關頻譜校正的表達形式；(3).將三個求和值結合離散頻譜低頻成分的有關頻譜校正的表達形式獲得離散頻譜中低頻成分的頻率和相位；根據(jù)所獲得的頻率和相位結合(2)頻譜校正的表達形式并獲得低頻成分的幅值；(4).對相位進行修正，獲得相位的校正值。其計算量小，計算精度高，簡單易行，適用于任何窗函數(shù)，提高了離散頻譜低頻成分校正的效率和準確性。
文檔編號G01R35/00GK102269803SQ20101019177
公開日2011年12月7日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權日2010年6月4日
發(fā)明者何威, 馮坤, 江志農(nóng), 秦強, 馬波 申請人:北京化工大學