一种基于独立性的振动信号去噪方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于独立性的振动信号去噪方法及系统。方法包括：获取信号的相位标记起始点位置和标记长度参数；根据基准信号、相位标记起始点位置创建基准数据；根据比对信号、相位标记起始点位置和标记长度参数创建移相数据集；对基准数据和移相数据集中的数据分别采用独立成分分析法进行处理，得到过程分离信号；获取过程分离信号的相位标记因子矩阵；根据相位标记因子矩阵的异常值信息确定相位信息；根据相位信息调整比对信号相位，与基准信号共同构造得到调整数据集；对调整数据集采用独立成分分析法进行处理，得到最终分离信号；根据最终分离信号的时频特征确定去噪信号。采用本发明专利技术能够有效去除振动信号噪声，实现振动信号的特征提取。

【技术实现步骤摘要】
一种基于独立性的振动信号去噪方法及系统
本专利技术涉及振动信号分析领域，特别是涉及一种基于独立性的振动信号去噪方法及系统。
技术介绍
振动信号监测是机械设备状态监测与故障诊断的主要技术之一，其基本方法是通过测量机器设备上一些特殊部位的振动信号，对振动信号进行分析处理，从中提取反映故障的特征信息，根据故障特征信息对故障类型、部位、程度及其发展趋势做出诊断。提取振动信号特征需要对信号进行分析处理，去除与特征信号不相关的噪声信号是其中尤为关键的步骤之一。独立成分分析是利用源信号统计独立特性仅通过传感器观测信号进行信号分离的一种信号处理方法，是盲源分离方法的一个重要分支。在无线通信、语音、图像、地震信号处理、生物医学等领域具有很大的应用潜力。振动信号中既包含与机械设备状态相关的特征信息，即振动源发生的信号，可将其称为源信号；也包含不利于判断振动特征的干扰信号，可将其统称为噪声信号。强噪声背景下，振动信号的去噪和振动特征的提取成为关键问题。利用噪声和源信号的统计独立性、噪声与噪声之间统计相关性，可应用独立成分分析将统计相关的噪声分离出来，其中采样通道越多，噪声分离性能越好。但在分离过程中，不同传感器采集到的数据存在一定的相位差，若不考虑相位差直接进行独立成分分析，会严重影响分离效果。一种常用的解决方式是对信号进行盲解卷积，将采样信号变换到频域，在频域内对信号进行复数独立成分分析，但复数独立成分分析存在幅度不确定性和排序不确定性的问题，解决排序问题过程复杂，得到分离结果并不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于独立性的振动信号去噪方法及系统，在考虑相位差的前提下进行独立成分分析，有效去除振动信号噪声，实现振动信号的特征提取。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种基于独立性的振动信号去噪方法，所述方法包括：选取N路测量信号，所述每路信号包含多个点，并随机选取一路信号作为基准信号，将剩余N-1路信号作为比对信号；获取信号的相位标记起始点位置和标记长度参数；根据所述基准信号、所述相位标记起始点位置创建基准数据；根据所述比对信号、所述相位标记起始点位置和所述标记长度参数创建移相数据集；对所述基准数据和移相数据集中的数据分别采用独立成分分析法进行处理，得到过程分离信号；获取所述过程分离信号的相位标记因子矩阵；根据所述相位标记因子矩阵的异常值信息确定相位信息；根据所述相位信息调整比对信号相位，与基准信号共同构造得到调整数据集；对所述调整数据集采用独立成分分析法进行处理，得到最终分离信号；根据所述最终分离信号的时频特征确定去噪信号。可选的，所述标记长度参数通过公式m≥FS/Fmax确定，其中，m为标记长度参数，FS为信号采样周期，Fmax为信号能量最大的波形的周期。可选的，所述根据所述基准信号、所述相位标记起始点位置创建基准数据；根据所述比对信号、所述相位标记起始点位置和所述标记长度参数创建移相数据集，具体包括：根据公式S＝X0(t+τ0)创建基准数据，根据公式创建移相数据集，其中，X0为基准信号，S为截取的基准数据，X为移相数据集，{X1,...,Xn-1}为N-1路比对信号上截取的数据，τ0为相位标记起始点位置，τi为第i个相位标记点。可选的，所述对基准数据和移相数据集中的数据分别采用独立成分分析法进行处理，具体包括：对基准数据S和移相数据集中数据Xj(t+τ0+τm)进行独立成分分析，得到两路过程分离信号S’ji和X’ji。可选的，所述获取所述过程分离信号的相位标记因子矩阵，具体包括：计算所述过程分离信号S’ji和X’ji的相位标记因子kji；将所述相位标记因子进行排列，得到相位标记因子矩阵一种基于独立性的振动信号去噪系统，所述系统包括：选取模块，用于选取N路测量信号，所述每路信号包含多个点，并随机选取一路信号作为基准信号，将剩余N-1路信号作为比对信号；第一获取模块，用于获取信号的相位标记起始点位置和标记长度参数；基准数据创建模块，用于根据所述基准信号、所述相位标记起始点位置创建基准数据；移相数据集创建模块，用于根据所述比对信号、所述相位标记起始点位置和所述标记长度参数创建移相数据集；第一分析模块，用于对所述基准数据和移相数据集中的数据分别采用独立成分分析法进行处理，得到过程分离信号；第二获取模块，用于获取所述过程分离信号的相位标记因子矩阵；相位信息确定模块，用于根据所述相位标记因子矩阵的异常值信息确定相位信息；调整模块，用于根据所述相位信息调整比对信号相位，与基准信号共同构造得到调整数据集；第二分析模块，用于对所述调整数据集采用独立成分分析法进行处理，得到最终分离信号；去噪信号确定模块，用于根据所述最终分离信号的时频特征确定去噪信号。可选的，所述标记长度参数通过公式m≥FS/Fmax确定，其中，m为标记长度参数，FS为信号采样周期，Fmax为信号能量最大的波形的周期。可选的，所述移相数据集创建模块，具体包括：根据公式S＝X0(t+τ0)创建基准数据，根据公式创建移相数据集，其中，X0为基准信号，S为截取的基准数据，X为移相数据集，{X1,...,Xn-1}为N-1路比对信号上截取的数据，τ0为相位标记起始点位置，τi为第i个相位标记点。可选的，所述第一分析模块，具体包括：对基准数据S和移相数据集中数据Xj(t+τ0+τm)进行独立成分分析，得到两路过程分离信号S’ji和X’ji。可选的，所述第二获取模块，具体包括：计算所述过程分离信号S’ji和X’ji的相位标记因子kji；将所述相位标记因子进行排列，得到相位标记因子矩阵根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：(1)本专利技术采用独立成分分析方法从信号的独立性出发对振动信号进行特征提取，采样通道越多，各通道信号噪声相关性越强、源信号与噪声间独立性越强，去噪能力越好，特征提取效果越好。(2)本专利技术提出了一种基于相位标记因子的独立成分分析的振动信号去噪方法，利用相位标记因子来确定不同通道含噪信号相位差，解决了基于独立成分分析去噪过程中不同信道信号之间存在的相位差所引起的算法失效问题。通过该方法可有效去除振动信号噪声，实现振动信号的特征提取。(3)根据信号与噪声之间的特征选取不同参量作为相位标记因子，能够更准确的确定不同通道之间源信号的相位差。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例基于独立性的振动信号去噪方法流程图；图2为本专利技术实施例1源信号时域波形图；图3为本专利技术实施例1含噪信号时域波形图；图4为本专利技术实施例1中分离信号D的峭度差数据分布图；图5为本专利技术实施例1分离信号时域波形图及包络谱；图6为本专利技术实施例1去噪后信号时域波形图；图7为本专利技术实施例2内圈故障信号和干扰信号的波形图及包络谱；图8为本专利技术实施例2混合信号的波形图及包络谱；图9为本专利技术实施例2中分离信号D的峭度差数据分布图；图10为本专利技术实施例2中分离信号D的相关系数数据分布图；图11为本专利技术实施例2分离信号时域波形图及包络谱图；图12为本专利技术实施例基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于独立性的振动信号去噪方法，其特征在于，所述方法包括：选取N路测量信号，所述每路信号包含多个点，并随机选取一路信号作为基准信号，将剩余N‑1路信号作为比对信号；获取信号的相位标记起始点位置和标记长度参数；根据所述基准信号、所述相位标记起始点位置创建基准数据；根据所述比对信号、所述相位标记起始点位置和所述标记长度参数创建移相数据集；对所述基准数据和移相数据集中的数据分别采用独立成分分析法进行处理，得到过程分离信号；获取所述过程分离信号的相位标记因子矩阵；根据所述相位标记因子矩阵的异常值信息确定相位信息；根据所述相位信息调整比对信号相位，与基准信号共同构造得到调整数据集；对所述调整数据集采用独立成分分析法进行处理，得到最终分离信号；根据所述最终分离信号的时频特征确定去噪信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于独立性的振动信号去噪方法，其特征在于，所述方法包括：选取N路测量信号，所述每路信号包含多个点，并随机选取一路信号作为基准信号，将剩余N-1路信号作为比对信号；获取信号的相位标记起始点位置和标记长度参数；根据所述基准信号、所述相位标记起始点位置创建基准数据；根据所述比对信号、所述相位标记起始点位置和所述标记长度参数创建移相数据集；对所述基准数据和移相数据集中的数据分别采用独立成分分析法进行处理，得到过程分离信号；获取所述过程分离信号的相位标记因子矩阵；根据所述相位标记因子矩阵的异常值信息确定相位信息；根据所述相位信息调整比对信号相位，与基准信号共同构造得到调整数据集；对所述调整数据集采用独立成分分析法进行处理，得到最终分离信号；根据所述最终分离信号的时频特征确定去噪信号。2.根据权利要求1所述的基于独立性的振动信号去噪方法，其特征在于，所述标记长度参数通过公式m≥FS/Fmax确定，其中，m为标记长度参数，FS为信号采样周期，Fmax为信号能量最大的波形的周期。3.根据权利要求1所述的基于独立性的振动信号去噪方法，其特征在于，所述根据所述基准信号、所述相位标记起始点位置创建基准数据；根据所述比对信号、所述相位标记起始点位置和所述标记长度参数创建移相数据集，具体包括：根据公式S＝X0(t+τ0)创建基准数据，根据公式创建移相数据集，其中，X0为基准信号，S为截取的基准数据，X为移相数据集，{X1,...,Xn-1}为N-1路比对信号上截取的数据，τ0为相位标记起始点位置，τi为第i个相位标记点。4.根据权利要求1所述的基于独立性的振动信号去噪方法，其特征在于，所述对基准数据和移相数据集中的数据分别采用独立成分分析法进行处理，具体包括：对基准数据S和移相数据集中数据Xj(t+τ0+τm)进行独立成分分析，得到两路过程分离信号S’ji和X’ji。5.根据权利要求1所述的基于独立性的振动信号去噪方法，其特征在于，所述获取所述过程分离信号的相位标记因子矩阵，具体包括：计算所述过程分离信号S’ji和X’ji的相位标记因子kji；将所述相位标记因子进行排列，得到相位标记因子矩阵6....

【专利技术属性】
技术研发人员：孟宗，李晶，殷娜，潘作舟，樊凤杰，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13