振动信号处理中的模型与算法

机械振动信号的特征提取与模式识别

机械振动信号在工业领域中具有重要的应用价值，可以用于故障预警、健康监测和故障诊断等方面。而要对这些振动信号进行有效的分析和处理，就需要进行特征提取和模式识别。本文将探讨机械振动信号的特征提取方法以及模式识别技术。

一、机械振动信号的特征提取

机械振动信号的特征提取是将信号转换为可量化的特征，并且使这些特征能够准确地描述信号的振动性质。常用的特征提取方法有时域分析、频域分析和时频域分析。

时域分析通过对振动信号在时间上的变化进行分析，获取信号的时间统计特性。常用的时域特征包括均值、方差、峰值、峭度等。这些特征能够反映信号的整体趋势以及统计分布情况。

频域分析将振动信号转换到频域进行分析，可以得到信号的频谱特性。常用的频域特征包括功率谱密度、频率峰值等。这些特征能够反映信号在不同频率上的能量分布情况。

时频域分析结合了时域和频域的分析方法，在时域和频域上对信号进行分析。常用的时频域特征包括小波包能量谱、瞬时频率等。这些特征能够反映信号在时间和频率上的变化情况。

二、机械振动信号的模式识别

机械振动信号的模式识别是为了从信号中提取有用的信息，判断信号所对应的状态或故障类型。常用的模式识别技术包括支持向量机、人工神经网络和隐马尔可夫模型等。 支持向量机是一种有效的分类方法，通过将低维的数据映射到高维空间，找到一个最优的超平面来进行分类。支持向量机在机械振动信号的模式识别中具有良好的应用效果。

人工神经网络是一种仿生学算法，通过模拟神经系统的运行方式来进行模式识别和分类。人工神经网络在机械振动信号的模式识别中能够学习和提取信号的特征，并进行准确的分类和识别。

隐马尔可夫模型是一种用于序列分析的统计模型，通过对振动信号的时序特性进行建模和分析。隐马尔可夫模型在机械振动信号的模式识别中可以对信号的状态进行有效的识别和预测。

三、机械振动信号的特征提取与模式识别的应用

机械振动信号的特征提取和模式识别在工业领域中具有广泛的应用。例如，在风电领域中，可以通过对风机振动信号的特征提取和模式识别，实现对风机的故障预警和健康监测。

科学论坛　

微机保护中的数字信号处理算法综述　

侯春　

（江苏徐州机电工程高等职业学校　电气工程系）　

【摘要】电力系统微机保护的算法是指微机保护装置根据数据采集系统提供的实时离散的数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能　

的方法。研究这些方法的目的在于找出好的算法，使之在满足工程精度和响应速度要求的前提下，尽可能减少数据采集量和计算时间，减少对输入数据的　

特定要求。对此，人们已经进行了大量的研究，提出了许多适于微机保护的计算方法。　

【关键词】微机保护数字信号处理数字滤波器算法　

由于电力系统故障的随机性和引起故障的因素的复杂性，欲用精确的　

数学表达式来描述电力系统故障时的暂态电压电流信号是比较困难的。在　

实际过程中，可根据工程需要做出不同的假设。将各非周期倍频分量和干　

扰用ｗ来表示，则电力系统发生故障时，电压电流函数的解析式为：　

，Ｏ）＝　一　＋∑　，ｓｉｎ（ｉｃｏｌｔ＋　）＋　ｆ—ｌ　

其　｛ＩＡ。为ｒ＝０时非删期分毓的数俊：　为接波分繁角频率：．４　，．４　为拜蒯　

期分避幅值；　非整数黯颧捌期分精俑期翠；　７，Ｊｌｌｑｉ￣，Ｊ期分氍褒减闳ｆ；　，　

为备培ｊ期分餐初柏他踊　

直“阁ｌ所示为输入ｆ也　波形，及其颧谱分析：　

图ｉ输入电压波形及其频谱分析　

从图中可见输入电压信号含有基波、高次谐波以及白噪声。　

１、数字滤波器　

对于微机保护而言，滤波器是必不可少的数据输入部分，数字滤波器　

具有滤波特性可以根据需要修改其参数、滤波精度高、灵活性高、性能稳定　

不受外界环境影响、便于时分复用等优点在逐渐取代传统的模拟滤波器；　

而数字滤波是ＤＳＰ的最基本的应用领域，一个ＤＳＰ芯片执行数字滤波算法　

的能力反映了ＤＳＰ芯片的功能大小。最常用的数字滤波器有ＦＩＲ（有限冲　

击响应）滤波器和ＩＩＲ（无限冲击响应）滤波器［１］。　１．１　ＦＩＲ（有限冲击响应）滤波器　

图２是横截型（又称卷积型或直接型）ＦＩＲ滤波器的结构图。　

图２　ＦＩＲ滤波器结构图　图中：　（，Ｊ）为输入序列，　是滤波器系数，Ｎ是滤波器阶数。　

信息技术推广　徐智岳　中国科技信息２０１４年第２１期，ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｎｏｖ．２０１４　徐智岳’侯平　１中国移动通信集团河北有限公司网络部：２．河北移动网络部　ＤＯＩ：１Ｏ．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１４．２１．０３３　数字信号处理算法在相干光通信系统中的应用　数字信号处理算法在相干光通信系统已经实现成功应　用，本文介绍相干光通信系统相关理论与应用原理，在相　干光通信系统使用中建立光纤模型，实现信号处理、信号　补偿和相关耦合。　所谓光纤通信系统，即信息传播所利用的载体是光，　以光电变换作为信息获取的方法，当前信息时代当中光纤　通信已经成为主要的通信方式之一。传统形式光纤通信主　要使用光强调制一直接检测的方法，该方案的优点主要是　低成本、调制与解调较为简单等，不过该方法在系统的性　能提升以及光在信息量方面都存在着欠缺。利用一定的相　干检测系统，对通信系统的性能进行提升，使得光通信系　统在发射端对光载波的复读、相位以及频率进行调制，进　而接收端对其进行检测。进而在损耗能量、传送距离以及　灵敏度等方面都有了很大的提升。　相干光通信系统　在相干光通信的通讯系统当中，相干调制技术以及外　差检测技术是主要内容。前者能够改变光载波的相位、频　率以及振幅，进而使得光载波在改变之后有了更好的传输　性能；后者则是在混频器当中混频由本机振荡产生的光束　和输入信号，进而保证光束和信号光之间的频率、相位以　及振幅都具备相同变化规律。相干光通信系统是由发送端　调制信息内容到光载波之上，进而由光纤对其进行传送。　接收端则把接收的光束和本振光两者进行相干耦合，耦合　之后所得光束再由平衡接收机进行探测。对于其信号光频　率和本振光频率之间的相等与否来对检测进行外差和零差　检测的区分。后者零差检测则要求两束光有相等的频率，　进而使得光信号能够进行光电转换，无需二次解调，因此　对两束光的频率匹配是有着非常严格的要求的。外差检测　中，两束光的频率不等，经光电转换后的是中频信号，还　需要进行二次解调才能够得到需要的信号。　相干光通信系统还具备多信道光纤通信功能，即能够　分光频段为多个，进而使得光频段的利用更加充分，使得　通信的质量也得到提升。相干光通信技术具有非常高的灵　敏度，相比直接检测，该技术的接收灵敏度要多出至少十　多个分贝。此外，相干光通信技术中的线路损耗更低，传　送的距离更远。　数字信号处理算法在相干光通信系统中的应用　光纤模型　对于一些较为复杂的矢量信息的调制，光通信系统当　中则一般都是用ＩＱ调制器进行；光纤模型是为了将通信　相干系统内处理数字信号进行提高，因此必须要具体研究　整个系统内信号进行光纤传输的现象，而该现象则需要从　物理以及数学的模型当中入手，对对应的补偿或均衡技术　进行研究过程中将数字信号处理技术的作用发挥出来，使　得光信号变换成为电磁波的形式，具体的解是在麦克斯韦　方程组导出的波动方程中进行的，表达式是：　Ｉｆｒ，ｃｏ）　，－）Ｉｆ０，∞）ｃ脚　殷）　其中Ｘ是信号偏振方向的单位向量，丽（）’甜）是初始振　幅的傅立叶表示，是常数，最终将光信号基态模式分布成　Ｆ（ｘ，Ｙ）看成是近似高斯函数。另外在研究接收端过程中，　一般都是将光相干接收机作为主要组成进行研究，其能够　对接收机进行直接测探，让所检测的信号强度信息得以增　强，同时还能够将强度调制信号进行光电转换前对其进行　除匹配滤波之外的处理。　信号处理　研究相干光通信系统内处理数字信号的技术主要是：　光纤信道是信号进行传输的通道，而其中所出现的不同形式　的失真或者损伤就会在结合过程中出现线性或者非线性的失　真。而线陛失真的补偿是不存在因果关系，即无需顾虑其顺　序问题，不过需要在具体算法当中遵循以下原则：分离所需　估计的线陛失真为单独形式的变量，并补偿态应该优先估计，　对于算法较为简单的变量，然后再补偿随机变量，最后才是　对所有变量进行完整补偿。算法流程：每个方框所代表的都　是相干接收机内的数字信号处理系统的子系统，且子系统之　间所可能出现的反馈线路的具体图表也要进行表示，在预处　理算法的研究中，它是指在进行实质的信道均衡、载波恢复　之前，对采样后的信号进行一定程度的预先处理，为形成数　字信号处理算法做出充分的准备。　信号补偿　使用数字信号处理算法之后，相干光通信系统对信号　补偿是在接收端，具体使用过程当中则会根据情况的不同　来使用不同形式的数字信号处理子系统。去偏移系统可以　针对偏振之间的采样时刻偏移进行补偿。正交化系统可以　补偿因调制器和混频器缺陷造成的欠正交状况。归一化系　统能够将信号具备单位的能力和幅度，进而使得信号发生　色度色散后可利用静态信道的均衡系统对其进行补偿。即　使出现不当采样而导致误差出现时，也能够使用采样时钟　来对系统进行相关补偿。即自适应的信道均衡系统能够对　于偏振所出现的相关损伤进行补偿，载波相位回复系统是　估计载波相位的噪声，进而对所出现的失真进行补偿。载　波频率恢复系统则是对发送端和接收端之间载波所出现的　频率偏移进行补偿和估计。对于光线非线性造成的信号损　伤可以借助非线性补偿系统进行补偿。　相关耦合　在应用数字信号处理算法过程当中，先在接收端破和　所输入的光信号和本振光，进而根据上述的数字信号处理　技术子系统来对所耦合的光信号进行模数转化、去偏移以　及正交化恢复等处理，然后根据实际的应用环境来选择具　体形式的反馈和补偿。即相干光通信系统中有了数字信号　处理算法的应用将会对其色散、偏振等造成的信号失真有　了非常有效的补偿，进而更好的促进了相干光通信系统的　发展。　小结　数字信号处理算法在相干光通信系统中的应用能够将　各种形式损耗带来补偿，进而使得相干光通信的质量得到　质的提升。光纤通信技术不断发展，如何将数字信号处理　算法的复杂程度降低，进而使得补偿的范围和性能得到增　强是当前该领域研究的主要内容。　一

第４４卷第１期　

ｍ年２月　汽轮机技术　

ＴＩ　ＪＩｉＢ　Ｅ　ＴＥＣＨＮＯ￣Ｙ　．４４　Ｎｏ．１　

．２∞２　

预加重技术在低速旋转机械振动信号处理中的应用　

邓艾东　，高伟　，张敬坡　

（１东南大学振动工程国家中０，南京２１００９６；２邯郸热电厂，河北０５６００４）　

摘要：叙述了预加重技术在低频信号处理中的应用，该方法可以太大加快应用系统的响应时间及提高系统的实时　

性．利用『ｌＲ和ＦＩＲ数字滤波器实现预加重技术，可　简化应用系统的硬件设计。　

关键词：预加重技术：低频信号处理；逆系统　

分类号：ＴＫ２６８．　ｌ　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—５＆８４（加０２）０】一００５６—０２　

Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｒｅ—ｗｅｉｇｈｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　

Ｓｉｇｎａｌ　ｏｆｔｈｅ　Ｌｏｗ　Ｓｐｅｅｄ　Ｔｕｒｂｏ——ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　

ＤＥＮＧ　Ａｉ—ｄｏｎｇ　，ＧＡＯ　Ｗｅｉｌ，Ｚ｝ＩＡＮＧ　Ｊｉｎｇ－ｐ０　

（１　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６　Ｃｈｉｎａ；　

２　Ｈａｎｄａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ，Ｈａｎｄａｎ　Ｈｅｂｅｉ　０５６００４　Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂ咖嘎：＇ｌ＇￣ｆｉｓ　ｐ　Ｐｅｒ　ｄｅａ１ｓ　ｗｉｔｈｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｅ—ｗｅｉ咖ｔｅｃｌｍｉｑｕｅｉｎｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎ￣０ｆ　ｖｉｂｒａ６０ｎ　ｓｉ　ｏｆｔｈｅ１０ｗ　ｓｐｅｅｄ　

ｔｕｒｂｏ—ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｍｅｄ￣ｔ　ｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｅａｐｏｎａｅ　ａｎｄｔｈｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｑ　ｔｙ　０ｆ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｔｈｅ　ｐｒｅ一　ｉ　－　

ｔｅａ１］ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙⅢｔ　ａｎｄ　ＦＩＲ　ｄｉ　瑚ｆｉｌｔｅｒ　ｃａｎ　ｌ　ｙ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｔｈｅ　ｌｒａｒｄｗｍｅ　ｄ商　０ｆ　ｔｈｅ。ｐｐｌｉｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ．