一种小波包分解节点与对应频段检索及编程方法，目的是能根据给定频率快速确定所属频段、定位小波包分解节点与频段的关系并最后编程实现；本发明专利技术先根据工程实际要求确定采样频率fs和频率分辨率Δf，根据所处理信号的fs及Δf要求确定小波包分解层数n；根据香农采样定理确定最大频率范围fmax后，将(0～fmax)作为初始节点(0-0)对应的频段，然后进行逐层分解；推导节点编号NNo与频段范围编号fNo关系；对节点编号NNo与频段范围编号fNo关系进行编程，分析关系式中出现的变量，决定并定义变量为何种类型的数据或字符；应用程序语言的条件及循环语句、数组和子程序及其调用知识，以简短程序实现所编程序中的检索功能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种小波包分析信号时分解节点与对应频段进行检索及编程的方法，特别适用于对故障信号特征频率的检测。
技术介绍
近年来，小波包分析技术以其所具有的时-频分析特性而被广泛应用于信号处理领域，人们的研究大多集中在小波熵的选择、小波包层次的确定、小波包的分解与重构以及不同频段的能量、概率计算等方面，在运用此技术时以上内容无疑都非常重要，然而，当利用小波包变换进行故障信号提取时，却出现了故障特征频段难于准确定位的问题。当分解层数较低时，往往可以根据手工分解频段，通过观察找到故障特征频率所在的频段及其对应的节点；当分解层数每增加一层，分辨率会提高50％，节点数会较上一层增加一倍。因此当层数较多时，如果仍利用手工分解频段，然后观察寻找故障特征频率所在的频段与节点，既费时，又费力，还不准确。目前，对于频段与节点的对应问题，2008年02期《大电机技术》的“基于小波包变换的笼型异步电机转子故障诊断”一文中，曾采用“滤波器路径”来解决，通过区分低通滤波器和高通滤波器两种路径，将它们分别记为0和1，则得到一个二进制数字；然后再设置一个二进制数字表示频段，最后沿着滤波器路径从左至右排查，以此来确定小波包分解节点与频段的对应关系。但是该方法的缺陷是不能根据给定频率快速找到其所属的频段位置。
技术实现思路
本专利技术目的是克服上述已有技术的不足，提出一种能够根据给定频率快速确定所属频段、定位小波包分解节点与频段的关系并最后编程实现的小波包分解节点与对应频段检索及编程方法。本专利技术方法包括下述步骤：(1)根据工程实际要求，确定采集信号时每秒需要采集的次数，即采样频率，将其设为fs，单位为Hz；然后确定分析信号时希望达到对频率分辨的最少位数，即频率分辨率，设为Δf，单位为Hz；(2)根据所处理信号的采样频率fs及频率分辨率Δf要求，对信号进行小波包分析。小波包分析时，首要任务之一是确定小波包分解层数，用n表示；对应的节点数目为2n个。分解层数不同，则分解出来的节点数目不同，它们的关系示于表1中。由关系式来确定小波包分解的层数n；表1：小波包分解层数及节点数-->(3)根据香农采样定理确定最大频率范围fmax后，将(0～fmax)作为初始节点(0-0)对应的频段，然后进行逐层分解，每个节点在进行再分解时均包括低频段和高频段两部分。对低频段和高频段分解模式进行分析，在确定分解层数n的基础上，以分解节点编号(表1中对应)作为索引进行排序，列出小波包分解节点与频段的实际对应情况表，简称表2，其中n设为11，节点排序标号为11-0、11-1、11-2、11-3......，对应节点的频段范围为(0～0.61)、(0.61～1.221)、(1.831～2.441)、(1.221～1.83)......，此时频段范围有混叠交叉现象出现；表2：小波包分解节点(仅列出14个节点)与频段的实际对应情况(fs＝2500Hz，n＝11) 节点编号 频段范围(Hz) 节点编号 频段范围(Hz) 11-0 (0～0.61) 11-7 (3.052～3.662) 11-1 (0.61～1.221) 11-8 (9.155～9.766) 11-2 (1.831～2.441) 11-9 (8.545～9.155) 11-3 (1.221～1.83) 11-10 (7.324～7.935) 11-4 (4.272～4.883) 11-11 (7.935～8.545) 11-5 (3.662～4.272) 11-12 (4.883～5.493) 11-6 (2.441～3.052) 11-13 (5.493～6.104)针对表2中对应节点的频段范围出现混叠交叉现象的状况，对0～fmax范围按分解层数n和频率分辨率Δf进行等距分解，对应频段范围按频率从小到大的顺序进行编号，列出频段范围从小到大的顺序编号表，简称表3；在表2中查找需检测的特征频率所在的频段范围，记录其节点编号，用NNo表示；在表3中再去寻找特征频率所在频段范围，查找所采集信号中需检测的特征频率所在的频-->段范围，记录其对应编号，用fNo表示；然后在表2中再去寻找特征频率所在频段范围对应的节点，记录其对应编号，用NNo表示；列出NNo与fNo之间的对应关系表，简称表4，据此可以检索小波包分解节点及其对应频段；表3：频段范围从小到大的顺序编号(fs＝2500Hz，n＝11)表4：节点编号与频段范围编号之间的对应关系 fNo 0 1 3 2 6 7 5 4 12 13 15 14 10 11 9 8 24… 11-NNo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16…(4)推导节点编号NNo与频段范围编号fNo关系。在表4中，小波包分解层数为n时，节点编号NNo从0编号至2n-1；频段范围编号fNo在0至2n-1的范围内，但与NNo对应的编号顺序为：第n层的前半部分的频段范围编号fNo与第n-1层的全部频段号完全相同，后半部分的频段范围编号fNo为第n-1层的所有频段号同时加上2n-1，然后再反序与第n层的前半部分频段范围编号顺序连接合成第n层，第n层所有频段范围编号的顺序。用整型变量i代表NNo，变量a代表fNo，第n层后半部分的频段范围编号规律为：a(i)＝a(i-2n-1)+2n-1(n＝2、3、4......)其中，a(i)表示第n层第i个节点编号对应的频段范围编号，i取值范围[2n-1，2n-1]；“+”后的2n-1为在第n-1层所有元素上需要加的数值，n＝1的情形事先给定；(6)对节点编号NNo与频段范围编号fNo关系进行编程。分析关系式中出现的变量，决定并定义变量为何种类型的数据或字符。充分灵活地应用程序语言的条件语句、循环语句、数组、子程序及其调用等知识，以简短程序实现所编程序中的检索功能。利用已推导的节点与频段的关系确定循环语句的上、下阶，并编写程序：(1)循环程序为：For i＝2^(n-1)To 2^n-1a(i)＝a(i-2^(n-1))+2^(n-1)Next i(2)反序程序为：For i＝2^(n-1)To 3*2^(n-2)-1t＝a(i)a(i)＝a(3*2^(n-1)-1-j)a(3*2^(n-1)-1-i)＝tNext i反序后的频段范围编号与第n层的前半部分频段范围编号顺序连接，合成第n层的所有频段范围编号的顺序。-->本专利技术方法适合于小波包分析故障信号时故障特征频率的快速定位及相关特征值的提取。本专利技术分析了小波包分解节点与频段的对应关系，从每层次分解的低频和高频分布规律出发，能够根据给定频率快速确定所属频段，定位小波包分解节点与频段的关系，提出了相应节点和频率检索及编程的方法，有效解决了小波包分解中特征频率所在频段的快速定位问题，以及指定节点的频段范围确定问题，可以推动小波包分析法的进一步应用。附图说明图1为小波包分解节点与频段的编程框图。具体实施方式本实施例中小波包分解的信号为三相异步电动机在转子发生断条故障后的定子电流，其故障特征频率为(1±2kS)f1，f1为供电电源频率，即工频5本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种小波包分解节点与对应频段检索及编程方法，其特征是：（１）根据工程实际要求，确定采集信号时每秒需要采集的次数，即采样频率，将其设为ｆｓ，单位为Ｈｚ；然后确定分析信号时希望达到对频率分辨的最少位数，即频率分辨率，设为Δｆ，单位为Ｈｚ；（２）根据所处理信号的采样频率ｆｓ及频率分辨率Δｆ要求，确定小波包分解层数，用ｎ表示；对应的节点数目为２ｎ个；由关系式来确定小波包分解的层数ｎ；（３）根据香农采样定理确定最大频率范围ｆｍａｘ后，将（０～ｆｍａｘ）作为初始节点（０－０）对应的频段，然后进行逐层分解，每个节点在进行再分解时均包括低频段和高频段两部分；对低频段和高频段分解模式进行分析，在确定分解层数ｎ的基础上，以分解节点编号作为索引进行排序，列出小波包分解节点与频段的实际对应情况表，简称表２；针对表２中对应节点的频段范围出现混叠交叉现象的状况，对０～ｆｍａｘ范围按分解层数或节点数、频率分辨率进行等距分解，列出频段范围从小到大的顺序编号表，简称表３；在表２中查找需检测的特征频率所在的频段范围，记录其节点编号，用ＮＮｏ表示；在表３中再去寻找特征频率所在频段范围，记录其对应编号，用ｆＮｏ表示；列出ＮＮｏ与ｆＮｏ之间的对应关系表，简称表４；据此可以检索小波包分解节点及其对应频段；（４）推导节点编号ＮＮｏ与频段范围编号ｆＮｏ关系；在表４中，小波包分解层数为ｎ时，节点编号ＮＮｏ从０编号至２ｎ－１；频段范围编号ｆＮｏ在０至２ｎ－１的范围内，但与ＮＮｏ对应的编号顺序为：第ｎ层的前半部分的频段范围编号ｆＮｏ与第ｎ－１层的全部频段号完全相同，后半部分的频段范围编号ｆＮｏ为第ｎ－１层的所有频段号同时加上２ｎ－１，然后再反序与第ｎ层的前半部分顺序连接合成第ｎ层；用整型变量ｉ代表ＮＮｏ，数组变量ａ代表ｆＮｏ，第ｎ层后半部分的频段范围编号规律为：ａ（ｉ）＝ａ（ｉ－２ｎ－１）＋２ｎ－１（ｎ＝２、３、４．．．．．．）其中，ａ（ｉ）表示第ｎ层第ｉ个节点编号对应的频段范围编号，ｉ取值范围［２ｎ－１，２ｎ－１］；“＋”后的２ｎ－１为在第ｎ－１层所有元素上需要加的数值，ｎ＝１的情形事先给定；（５）对节点编号ＮＮｏ与频段范围编号ｆＮｏ关系进行编程，分析关系式中出现的变量，决定并定义变量为何种类型的数据或字符；应用程序语言的条件语句、循环语句、数组和子程序及其调用知识，以简短程序实现所编程序中的检索功能。...
【技术特征摘要】
1.一种小波包分解节点与对应频段检索及编程方法，其特征是：(1)根据工程实际要求，确定采集信号时每秒需要采集的次数，即采样频率，将其设为fs，单位为Hz；然后确定分析信号时希望达到对频率分辨的最少位数，即频率分辨率，设为Δf，单位为Hz；(2)根据所处理信号的采样频率fs及频率分辨率Δf要求，确定小波包分解层数，用n表示；对应的节点数目为2n个；由关系式来确定小波包分解的层数n；(3)根据香农采样定理确定最大频率范围fmax后，将(0～fmax)作为初始节点(0-0)对应的频段，然后进行逐层分解，每个节点在进行再分解时均包括低频段和高频段两部分；对低频段和高频段分解模式进行分析，在确定分解层数n的基础上，以分解节点编号作为索引进行排序，列出小波包分解节点与频段的实际对应情况表，简称表2；针对表2中对应节点的频段范围出现混叠交叉现象的状况，对0～fmax范围按分解层数或节点数、频率分辨率进行等距分解，列出频段范围从小到大的顺序编号表，简称表3；在表2中查找需检测的特征频率所在的频段范围，记录其节点编号，用NNo表示；在表3中再去寻找特征频率所在频段范围，记录其对应编号，用fNo表示；列出NNo与fNo之间的对应关系表，简称表4；据此可以检索小波包分解节点及其对应频段；(4)推导节点编号NNo与频段范围编号fNo关系；在表4中，小波包分解层数为n时，节点编号NNo从0编号至2n-1；频段范围编号fNo在0至2n-1的范围内，但与NNo对应的编...
【专利技术属性】
技术研发人员：吝伶艳，宋建成，田慕琴，耿蒲龙，郑丽君，谢特列，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：14
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