（机械电子工程专业论文）基于vmids开发系统的时频分析仪.pdf

重庆大学硕士论文 中文摘要 摘要 时频分析在自动控制、模式识别、水声、机械振动、故障诊断、地震勘测和 生物医学工程等领域有着广泛的应用。时频分析处理非平稳信号的方法主要有： 短时傅立叶变换、w i g n e r _ 1 l e 分布和小波变换等等。希尔伯特黄变换方法是一 种新的分析非线性、非平稳信号的时频分析方法，该方法由经验模态分解 ( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，简称e m d ) 与h i l b e r t 谱分析两部分组成。 对于多分量非平稳信号分析，w i 印e r - l l e 分布( w v d ) 存在严重的交叉项 干扰。而g a b o r - w i g n e r 变换( g w t ) 避免了w i g n e r _ 1 1 e 分布的交叉项干扰而且 具有良好的时频聚集性。但由于g a b o r 变换的时频聚集性不佳，当多分量信号进 行g a b o r 变换时如果信号中各分量频率混叠，g w t 就不能得到理想的结果。因 此我们提出一种改进的s t f t - w i g i l e r ( s w t ) 算法，可以有效的抑制交叉项，并 保持较高的时频聚集性。 本文主要的工作内容总结如下： 提出并改进了g a b o r - m g i l e r 变换、s t f t - w i g n e r 变换、h i l b e r t h u a n g 变 换等算法，并对已有的算法：短时傅立叶变换、w i g n e r - 1 1 e 分布、自适应变换、 g a b o r 变换、连续小波变换、分析小波变换、c h o i w i l l i 锄s 分布、c o n e s h a p e d 分 布等进行了理论研究。在l a b v i e w 中创建了实现这些算法的v i 。 深入研究了v m i d s 4 o 系统原理，研究了v m i d s 4 o 系统与l a b v i e w 之 问接口的定义，对两系统之间数据类型进行匹配并且设计对应的接口函数。为 v m i d s 4 0 虚拟仪器开发系统增加了s t f t 、w v d 、a d t 、g t 、c w t 、a w t 、 c w d 、c s d 、g w t 、s w t 和h h t 等功能。 对比分析了三种虚拟仪器软件：l a b v i e w 、a g i l e n tv e e 和s u z l ls t u d i o6 o 的优缺点，最终采用l a b v i e w 生成时频分析所需的动态链接库。并详细介绍了 v i m d s 4 0 系统调用动态链接库的过程。 研究了l a b v i e w 输入输出数据预处理方法，如二维数组( 时频谱幅值) 转换成所需一维数组、一维数组( 内核函数) 转换成所需二维数组等。 对在v m i d s4 0 虚拟仪器开发系统中新增加的时频分析功能进行调试，并 设计了一个多功能三维时频谱分析仪。通过对模拟信号和实际信号的分析，说明 该时频分析仪的正确性与可用性，实验结果可以看出，g a b o r - m g n e r 变换和 s t f t - w i 肛e r 变换较已有的时频分析方法有更高的分辨率，且无交叉项。 关键词：秦氏模型，时频分析，时频分析仪，动态链接库，时频谱 重庆大学硕士论文英文摘要 a bs t r a c t t i m e 行e q u e n c ya i l a l y s i si sw i d e l yu s e di na l l t o m a t i cc o n t r o l ，p a ：t t e mr e c o g n i t i o n ， a c o u s t i c ，m e c h a m c a lv i b r a t i o n ，f h u l td i a 差丑o s i s ，s e i s m i cs u r v e y sa n db i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g t h em a i nm e t h o d s o ft i i n e - 丘e q u e n c ya n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gn o n - s t a t i o n a 巧s i g n a l s i n c l u d et h es h o r t - t i i n ef o u r i e rt r a n s f - o r n l ，t h e w i g n e r v i l l e d i s t r i b u t i o na n dt h ew a v e l e ta n a l y s i sa n ds oo n h i l b e r t h u a n g1 、r a n s f o mi san e w n o n l i n e a ra 1 1 dn o n - s t a t i o n a 巧s i g n a la n a l y s i sm e t h o d ，t h em e t h o dc o n s i s t so ft w o s u c c e s s i v ep a n s ：m ee m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) a 1 1 dt h eh i l b e r ts p e c t r a l a 1 1 a l y s i s f o rm u l t i - c o m p o n e n tn o n s t a t i o n a 巧s i 印a la n a l y s i s ，t l l e r ei sas e r i o u sc r o s s - t e m i n t e 疵r e n c ei nw i g n e r - v i l l ed i s 锄) u t i o n ( w v d ) t 1 1 eg a b o rw i 印e rt r a l l s f o m ( g w t ) a v o i dc r o s s t e mi n t e r f e r e n c eo ft h ew i 印* v i l l ed i s t r i b u t i o na n d 丽t hg o o d 舶q u e n c y c o n c e n 仃a t i o n h o w e v e r ，d u et op o o rt i m e - 1 j r e q u e n c yc l u s t e r so fg a b o r 乜a n s f o m l ，i t w i l lh a v e 矗e q u e n c ya l i a s i n gw h e nd e a l i n g 而t hm u l t i c o m p o n e n ts i g l l a l ，t h a tg w tc a i l n o tg e tt 1 1 ed e s i r e dr e s u l t s t h e r e f o r e ，、v e p r o p o s ea ni m p r o v e da l g o r i m mo f s t f t - w i g n e r ( s w t ) ，c a ne f r e c t i v e l yi n l l i b i tt 1 1 ec r o s s t e r mi m e r f e r e n c e ，a n dm a i l l t a i n 1 1 i g h 行e q u e n c yc o n c e n t r a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ew o r ki ss l l i i 】m a r i z e da sf o l l o w s ： w ep r o p o s e da n di m p r o v e dg a b o r - w i g n e rt r a l l s f o m ，s t f t _ w i g n e rt r a n s f o r n l ， h i l b 锄一h u a n gt r a n s f o 瑚a l g o r i t h i n ，s 伽yo fe x i s 石n ga l g o r i t si n c l u d i n gs h o n t i l e f o u r i e rt r a n s f o m ，w i g n e r - v i l l ed i s t m u t i o n ，a d a p t i v et r a n s f o m ，g a b o rt r a n s f i o h i l ， c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a l l s f o r n l ，a i l a l y s i s 、a v e l e t 仃a n s f o n n ，c h o i w i l l i 锄sd i s t r i b u t i o n ， a n dc o n e s h a p e dd i s t r i b u t i o n w 色c r e a t e dv ii nl a b v i e wt oa c h i e v et h e s ea l g o r i t h m s i n d e p t l ls t u d yt h ep r i n c i p l eo fv m i d s 4 0s y s t e m ，a 1 1 di n t e r f a c ed e f i n i t i o n b e t w e e nv m i d s 4 0s y s t e m 谢t hl a b v i e w m a t c ht 1 1 ed a t at y p e sb e t w e e nt 1 1 et w o s y s t e m sa 1 1 dd e s i g nt h ec o e s p o n d i n gi n t e r 矗l c e 如n c t i o n w ea d d e ds t f t ，w v d ，a dt ， g t ，c w t ，a w t ，c 、v d ，c s d ，g w t s w ta n dh h tr m c t i o n si nv m i d s4 0v i r t u a l i n s t m m e n td e v e l o p m e n ts y s t e m c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa 芏1 dd i s a d v a n t a g e so ft h et l l 】呛ev i r t u a l i n s t n 1 1 e n ts o m 、，a r e ：l a b v i e w ，a g i l e mv e ea n d s u a ls n l d i o6 0 a n dw ba d o p t i o n l a b v i e wt og e n e r a t et h ed e s i r e dd y n 锄i cl i l l kl i b r a r yo ft i m e m e q u e n c ya j l a l y s i s e v e n t u a l w 宅h a v ed e s c r i b e di nd e t a i lo ft h ep r o c e s so fv i m d s 4 os y s t e mc a l ld y n 锄i c i i 重庆大学硕士论文 英文摘要 l i i l l ( 1 i b r a 够 s t u d yo fi n p u ta j l do 呻u td a t ap r e p r o c e s s i n gm e t h o d si nl a b v i e w ，s u c ha s t w o - d i m e n s i o n a l a r r a y ( t h et i m e f 沁q u e n c y锄p l i t u d e ) c o n v e r t e dt ot h ed e s i r e d o n e d i m e n s i o n a la a 弘o n e d i m e n s i o n a la r r a y ( k e m e l 向n c t i o n ) t oc o n v e r tt h er e q u i r e d “o d l m e n s l o n a l 驸a y d e b u gt h e n e wt i m e - 仔e q u e n c ya 1 1 a l y s i s c t i o n si nv m i d s4 ov i r t u a l i n s t 姗e n td e v e l o p m e n ts y s t e ma i l d d e s i g n am u h i 一向n c t i o n a lm r e e - d i m e n s i o n a l t i m e - 行e q u e n c ys p e c t m mi n s 饥m e n t u s i n gt h ei n s 臼u m e n ta n a l y s i ss i m u l a t e d a 1 1 d p r a c t i c a ls i g n a l s a c h i e v e d g o o dr e s u l t s s h o w s l a lt h et i m e 一行e q u e n c y a 1 1 a l y s i s i n s tr u ：m e n ti sc o n e c t n e s sa 1 1 du s a b i l i 饥t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a 芷1b es e e no n g a b o r - w i g n e rt r a l l s f o m 趾ds t f t - w i g i l e rt r a i l s f - o m 证1 a 1 1t h ee x i s t i n gt i m e - 丘e q u e n c y a j l a l y s i sm e t h o d h a v eah i 曲e rr e s o l u t i o n ，a i l dn oc r o s st e m s k e y w o r d s ：q i n sm o d e l ，t i m e - 仔e q u e n c ya i l a l y s i s ，t i m e - 丹e q u e n c ya i l a l y s i si n s 觚e n ， d y n a m i c1 i 1 1 l ( 1 i b r a r y ，t i m e f - r e q u e n c ys p e c 胁t i i i 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 问题的提出 在传统信号处理理论中，人们分析和处理信号最常用最直接的方法是傅立叶 变换，傅立叶变换及其反变换建立了信号时域与频域之间的桥梁，傅立叶频谱分 析提供了对信号全局频谱分布的一种描述方法，频谱分析方法在信号处理中占据 了统治地位，它几乎用于所有类型的信号分析。 傅立叶频谱分析并非对所有类型信号的分析都有效，傅立叶谱分析有很多的 限制条件：被分析的信号必须是线性的否则谱分析结果将缺乏物理意义，另外还 要求信号必须是严格周期的或者平稳的。在实际情况下，信号很多时候是非平稳 的，其统计量是时变函数，这时需要知道信号的频谱随时间变化的情况，而只计 算出信号在时域或频域的全局特性是远远不够的。为此，提出并发展了一系列新 的信号处理理论是十分必要的，其中联合时频分析就是一种重要的方法 1 】 2 】【3 】，其 基本思想是设计时间和频率的联合函数，利用它可以同时描述信号在不同时问和 频率处的能量密度和强度。 1 1 2 研究的意义 本课题所研究的基于v m i d s 的时频分析仪，是利用v m i d s 4 0 虚拟仪器开 发系统相对于其他虚拟仪器开发系统既简单又方便操作的特性，通过其调用 l a b v i e w 生成的动态链接库( d l l ) ，开发出一种能够实现改进算法：g a b o r - w i g n e r 变换( g w t ) 、s t f t _ w i g l l e r 变换( s w t ) 、h i l b e r t h u a n g 变换( h h t ) 和已有 算法：短时傅立叶变换、w i g l l e r - l l e 分布、自适应变换、g a b o r 变换、连续小波 变换、分析小波变换、c h o i w i l l i a m s 分布、c o n e s h a p e d 分布等的多功能时频分 析仪，并且能够对信号实现三维时频谱分析。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟仪器开发系统 虚拟仪器( r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的概念是由美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，简称n i ) 于2 0 世纪7 0 年代提出来的一种 全新的仪器概念。其基本思想是：通过充分利用计算机硬件资源并配以模块化仪 器硬件及用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成一种由计算机操纵 的模块化测控仪器系统。 虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集 重庆大学硕士论文1 绪论 参透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果。它 以计算机作为统一的硬件基础平台，将专业仪器功能及其仪器面板软件化，编制 成相应软件安装于计算机内，从而构成一台从外观到功能都完全与传统仪器一致， 同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。虚拟仪器的产生大大缩短了测 控仪器的开发周期，它使仪器开发从传统的以硬件为中心转变成了以软件为中心， n i 甚至提出“软件即为仪器( m es o 如啦ei st h ei n s 胁e n t ) ”的口号。软件化的 仪器功能具有开放、灵活、易升级扩展、开发维护费用低、用户可自定义功能、 无穷生命周期等优点；随着计算机技术的飞速发展，计算位数的增长，虚拟仪器 的精度也越来越高；同时，它减少了仪器开发中对不可再生资源的消耗，符合当 今社会绿色、环保、节约的主题。 虚拟仪器的开发系统很多，大致可以分为两类：( 1 ) 以l a b v i e w 为代表的 图形化开发环境，亦称g 开发环境或g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) ；( 2 ) 以s u a l s m d i o 为代表的文本式开发环境。图形化开发环境大部分是针对虚拟仪器而设计 的专用平台，它不仅具有可视化界面，而且在测量结果的数据处理等方面也做了 许多工作，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库。 白n i 公司推出虚拟仪器以来，国外著名的仪器公司随后也闻风而动，相继 开发出不少的虚拟仪器开发平台软件，这使得使用者在开发这些虚拟仪器或测试 系统时有更多的选择。最早和最具影响的虚拟仪器开发软件是n i 公司的 l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 。其后，很多公司如美国a g i l e n t 公司、k e i t h l e y 公司和h e md a t a 公司也相继推出v e e ，t e s t p o i n t ，d tm e a s u r ef o u n d i w 等虚 拟仪器开发软件。在国内则有重庆大学测试中心自行研制的v m i d s 虚拟仪器开 发系统。以下分别对几种典型的开发系统做简单介绍。 v m i d s 开发系统 v m i d s 重庆大学推出的一款基于秦氏模型理论的零编程虚拟仪器开发系统， 由控件库、功能库和拼搭场组成。控件库提供形式多样的非智能虚拟控件资源； 功能库提供各种测试仪器功能；拼搭场是开发智能控件化虚拟仪器的主要场所， 非智能虚拟控件在这里通过“功能赋予”和“测试融合”升级成为具有特定仪器 功能的智能虚拟控件，智能虚拟控件经“积木式”拼搭最终成为一台可直接用于 现场测试的虚拟仪器。v m i d s 相对于l a b v i e w 而言，降低了对使用者的要求， 使用者只需明确测试要求，而无需关注实际仪器结构、算法功能实现更不需要学 习编程语言语法。v m i d s 具有较好的开放性，在现有的系统架构下可以无限制 的增加测试仪器功能，集成某一领域的各种测试仪器成为大型测试系统。 v m i d s 开发系统是一个可开发生产智能虚拟控件和控件化虚拟仪器的“软性 工厂”，这一系统具备设计、装配、修改、调试、存贮等全方位的功能。 2 重庆大学硕士论文1 绪论 l a b v i e w l a b v i e w 是美国n i 公司研制出的图形编程虚拟仪器系统，是一种基于图形 的程序设计语言g 语言构成的，可用来进行数据采集和控制、数据分析及数据表 达等。l a b v i e w 由程序框图和前面板两个窗口组成，程序框图包含l a b v i e w 的 各种功能函数、程序控制结构( 如f o r 循环、w h i l e 循环、事件结构等) ，仪器的 功能设计就在该窗口上进行；前面板上有各种仪器控件，如按钮、旋钮等，仪器 的界面设计在前面版上进行。前面板上的控件在程序框图中也有相应的图标显示， 两者之间数据的交互是同步的，开发仪器时，按照规定的连线方式，组建出所需 的虚拟仪器。l a b v i e w 与s u a lc + + ，s u a lb a s i c ，l a b w i n d o w s c v i 等编程语 言不同，后者采用文本语言的程序代码，而l a b v i e w 则是使用图形化程序设计 语言g ，用方框图代替传统的程序代码。另外，它是一个完全的、开放式的虚拟 仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可简化程序的 设计。l a b v i e w 使用了科研人员、工程师等所熟悉的图标、术语与概念，使得 在使用时不需要记忆大量的功能函数，因此提高了编程的效率，缩短了开发周期。 ( 9 l a b w i n d o w s c v i l a b w i n d o w s c v i 是n i 公司推出的与l a b v i e w 互补的一款虚拟仪器开 发系统。与l a b v i e w 不同的是，它是基于文本式的虚拟仪器开发系统，完整集 成了a n s ic 的编程环境，因此需要用户在开发虚拟仪器时遵循c 语言的语言 规范。该系统除了集成和发展c 语言的灵活性外，还增强了交互机制，增强了 人机交互性。l a b w i n d o w s 集成了大量的数据采集、处理、分析的函数库，以及 丰富的虚拟控件库，使其不仅具备c 代码的运行速度和源代码的可管理性，在 开发虚拟仪器时，调用所需的函数即可，用户不必专注于仪器功能的算法设计， 大大提高了仪器开发的效率。 a g i l e n tv e e a g i l e n t s u a le n g i n e e r i n ge n v i o m m e n t ( a g i l e n tv e e ) 是一种用于仪表优化 控制的图形语言。采用该虚拟仪器开发软件时，开发者只需要将对象( 指组成试验 系统的仪表和操作、运算过程) 从相应的菜单中挑选出来，然后按流程用鼠标将代 表对象的图标连接起来，就可产生一张数据流程图，采用数据流程图方式编写代 码，更便于用户的使用和理解。采用这种方式开发虚拟仪器，只需了解测试的目 标和顺序，然后用线把它们连接起来，程序就可完成，而不必有丰富的编程知识。 但是，a 鲥e n tv e e 不能生成可执行程序，多任务调度能力差、用户自定义函数功 能弱及仪器驱动局限性大、系统执行效率低，另外，a g i l e n tv e e 还必须在开发环 境下运行或安装运行库( v e ep r or u i l t i m e ) 。 s u a ls t u d i o6 0 重庆大学硕士论文1 绪论 v i s u a ls t u d i o6 0 这种常用工具，为程序开发者提供了一套功能强大的可视化 开发环境，在这个环境下可以用v b 或v c 创建w i n d o w s 平台下的w i n d o w s 应 用程序、网络应用程序也可以创建网络服务、智能设备应用程序、组件等。因其 编程语言的灵活性、对底层硬件操作方便性、良好的集成环境及稳定的调试测试 性能得到了广大资深虚拟仪器开发者的青睐。使用该工具开发虚拟仪器主要需要 完成：( 1 ) 开发数据采集器驱动程序；( 2 ) 开发虚拟仪器面板；( 3 ) 开发虚拟仪 器功能模块。分别为了实现数据采集、户交互式操作、完成虚拟仪器的各项功能。 合理的配置前三步功能，能够构建一个界面逼真、功能强大的虚拟仪器。使用该 平台开发虚拟仪器需要采用第三方的控件和相关的软件包才能够达到良好的效 果。利用该工具的可视化编程环境可以很大程度上提高文本编程语言的工作效率， 轻松构建独立的测量系统或基于网络的分布式测量系统。 1 2 2 信号处理方法 时频分析的研究始于2 0 世纪4 0 年代，1 9 4 6 年，g a b o r 提出了g a b o r 变换【4 j ， g a b o r 变换为此后的许多时频分析方法奠定了思路，1 9 4 7 年p kp o t e r 首次提出了 一种实用的时频分析方法短时傅立叶变换( s h o i r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o n l l ，s t f t ) 其绝对值的平方就是谱图。 1 9 3 2 年物理学家e p ：w i g n e r 在量子力学中提出了著名的w i g n e r 分布，1 9 4 7 年j l l e 将w i g n e r 分布引入到信号处理领域【6 j ，并发展成为最具有代表性的一 种时频分析方法，既w i g i l e r - l l e 分布( w i g n e r - l l ed i s 仃i b u t i o n ，w v d ) 。 w i g n e r l l e 分布这种二次型时频表示方法由于满足了实值性、能量守恒、时频 边缘特性、时频移位等特性，成为了描述信号时频分布的一个强有力工具。虽然 w i g n e r - 1 1 e 分布的时频聚集度较高，但是采用该方法对信号进行处理时，会产 生严重的交叉干扰项，为克服它的缺点，国内外众多的学者对其进行了进一步的 研究，并设计出不同的核函数，从而形成新的分布，如伪w i 趴e r i 1 1 e 分布、平 滑伪w i g n e r - v i l l e 分布、c h o i w i l l i a m 分布( c w d ) 、锥形核分布( c k d ) 等。这些 分布都被称为c o h e n 类时频分布，对其进行分析，使我们对交叉干扰项的性质 和表现也有进一步的认识。 法国地球物理学家m o r l e t 于2 0 世纪8 0 年代初在分析人工地震勘探信号 时发现，这类信号高频分量应具有高的时问分辨率，此时可以适当的降低频率分 辨率；而低频分量应具有高的频率分辨率，此时可以适当的降低时间分辨率，根 据人工地震勘探信号的这一特点m o r l e t 提出了小波变换1 7 j 。小波分析的目的是： “既要看到森林( 信号的概貌) ，又要看到树木( 信号的细节) ”，因此，它被称为数学 显微镜。小波分析近几十年发展起来的一门新兴学科，并已广泛应用于图像处理、 地震信号处理等信号处理领域。小波分析的小波基有多种选择，其中最常用的一 4 重庆大学硕士论文 1 绪论 种是m o r l e t 小波。小波分解是小波分析的重要内容，一般通过m a l l a t 算法来实 现，运用m a l l a t 算法，可以将信号进行层层分解，每一层分解都是将前一次分 解得到的某频段信号分解为低频和高频两部分。每一次分解之后，数据量减半， 所以分解之后的低频部分和高频部分的时域的分辨率降低为分解前信号的一半。 但是，用m a l l a t 算法对原信号进行分解的过程中，并没有对高频信号再进行分 解，因此该算法并不能提高高频部分的频域分辨率。而小波包分解是对全部的频 带范围内的信号进行正交分解，所以小波包分解不仅能够提高低频部分的频率分 辨率，而且还可以提高高频部分的频域分辨率。小波包分解也可以采用m a l l a t 算 法，对分解后的低频部分和高频部分同时进行再分解。随着分解层数的增加，频 率段划分的越来越细，频率分辨率越来越高。但是经过每一层分解后的数据量也 会减半，从而造成时域分辨率也降低为原来的一半。为了提高时域分辨率，可以 采取信号重构的方法。如果仅仅需要某一频率段的时域信号，可以通过将其把频 率段的信号滤掉，而保留所需频率段的数据，将其他频率段的数据置为零，再把 信号一层层进行重构。每一层重构完之后，所得到的数据量会增加一倍。这样经 过j 层重构之后，就可以把这一频段上信号的时域分辨率提高到原信号的大小。 采用该方法也可以将不同频率段的信号合起来进行重构。这样，对信号进行滤波 的同时并不会降低信号的时域分辨率。 h i l b e i r t h u a l l g 变换是美国学者n e h u a l l g 于1 9 9 6 年提出的一种分析非平 稳信号的新方法【8 】，e m d 方法和与之相应的h i l b e r t 谱统称为h i l b e r t h u a i l g 变 换( h i l b e r t h u a n gt r a l l s f o 咖，h h t ) 。它由两部分组成，一个是经验模态分解 ( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，e m d ) ，另一个是h i l b e r t 变换。通过将信号按 一定的时间尺度进行e m d 分解，可将一个复杂信号分成多个内禀模态函数 ( i n t r i n s i cm o d ef _ u 1 1 c t i o n ，i m f ) 的组合，分解得到的i m f 分量更能体现信号 的局部特征，这一步也使得瞬时频率有了物理意义；然后将分解得到的i m f 分 量进行h i l b e r t 变换，得到每个i m f 分量的瞬时幅值和瞬时频率，得到信号的 h i l b e r t 谱，该谱图反映了信号的特征变化，很好地揭示了非平稳信号完整的时频 分布。 在信号处理中，最重要的参数是时间尺度和时间能量分布。时间尺度参数是 信号在特定的时间要求点之间的跨度。它包含极值尺度参数和过零尺度参数。对 任何信号x ( f ) ，极值尺度参数为两个相邻点的极值点之间的时间跨度，信号的极 值点位置为满足下式的f 值，即出( f ) 衍= 0 ；过零尺度参数是在两个相邻的零点 之间的时间跨度，信号的过零点位置为满足下式的f 值，即x ( f ) = 0 。由于基于过 零点的时间跨度测量难度较大，且在两个过零点之间可能存在多个极值点，而对 于一些没有零点的信号将无法定义其时问尺度参数，所以过零尺度参数应用不多， 重庆大学硕士论文1 绪论 对于非平稳信号，时间尺度参数是基于信号特征点的特征参数，更能够反映非平 稳信号随时间变化的局部特征。大多数的非线性、非平稳信号采用极值尺度参数， 通过极大值点和极小值点能很好地反映信号的局部波动特征，找到所有的模态， 在h i l b e r t h u a n g 变换的e m d 分解中，i m f 分量的定义也是采用极值尺度参数得 到的。内禀模态函数( i m f ) 是每一次e m d 分解得到的符合瞬时频率的物理意 义的信号分量，它在任何一个时刻只有一个频率成分。它必须满足分量的极值点 个数和过零点个数之差不超过一个，并且极大值点形成的上包络线和极小值点形 成的下包络线相对时间轴对称，即均值为零。i m f 分量的极值点个数和过零点 个数之差不超过一个是用窄带的要求来保证每个i m f 分量是单分量信号，从而使 得瞬时频率具有物理意义；极大值点形成的上包络线和极小值点形成的下包络线 相对时间轴对称是防止模态混叠，只允许每个i m f 分量有一个波动模式。 h i l b e r t h u a n g 变换虽然是近几年才提出的一种新的时频分析方法，但由于其 具有良好的信号处理能力，己成为信号分析领域的热门话题。已有众多学者和科 研机构都投入到h i l b e r t h u 趾g 变换研究中来，如黄本人将其应用于非线性系统 分析、水波分析、风速分析、潮汐和海啸分析、海洋环流分析和地震信号分析例 等，另外在医药学1 0 】【1 l 】、结构土木工程【1 2 】、环境学【1 3 】 1 4 】中也有广泛的应用。国 内众多高校很多学者着手对该算法进行研究：大连理工大学余泊提出了自适应时 变滤波分解经验模态算法【1 5 】，研究了h h t 在故障诊断中的应用；重庆大学的谭 善文提出了多分辨希尔波特黄变换【l6 】；重庆大学的钟佑明等人介绍了该方法并将 其应用到磨床主轴振动信号的分析【l7 | ，获得了较好的效果；大连理工大学的马孝 江等人对瞬时频率的定义及物理意义进行了分析i l8 j ；湖南大学的于德介将该方法 与小波相结合用于提取信号的瞬时特征参数【1 9 】；重庆大学的秦树人对此方法的滤 波特性进行了研究1 2 0 j 等。 1 3 本文研究的目的和研究内容 1 3 1 本文研究的目的 本文通过研究一个既简单又方便的基于v m i d s 4 0 系统控件化时频仪，使用 户在仪器拼搭场中调用智能虚拟控件进行随意拼搭便可组建成自已所需要的虚拟 仪器，而这一组建过程自始至终都不需要用户编程。利用v m i d s 4 o 虚拟仪器开 发系统相对于其他虚拟仪器开发系统既简单又方便操作的特性，通过其调用 l a b v i e w 生成的动态链接库( d l l ) ，开发出一种时频分析仪，能够实现改进算 法：g a b o r - w i g n e r 变换( g w t ) 、s t f t - 、矾g n e r 变换( s w t ) 、h i l b e r t h u a n g 变 换( h h t ) 和已有算法：短时傅立叶变换、w i g n e r - l l e 分布、自适应变换、g a b o r 变换、连续小波变换、分析小波变换、c h o i w i l l i a m s 分布、c o n e s h 印e d 分布等。 6 重庆大学硕士论文 l 绪论 1 3 2 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容如下： 提出并改进了g a b o r w i g n e r 变换、s t ft - 1 i g n e r 变换、h i l b e n - h u a l l g 变 换等算法，并对已有的算法：短时傅立叶变换、w i g n e r - l l e 分布、自适应变换、 g a b o r 变换、连续小波变换、分析小波变换、c h o i w i l l i a m s 分布、c o n e s h a p e d 分 布等进行了理论研究。在l a b v i e w 中创建了实现这些算法的v i 。 深入研究了v m i d s 4 0 系统原理，研究了v m i d s 4 0 系统与l a b v i e w 之 间接口的定义，对两系统之间数据类型进行匹配并且设计对应的接口函数。为 v m i d s 4 o 系统增加了s t f t 、w v d 、a d t 、g t 、c w t 、a w t 、c w d 、c s d 、 g w t 、s w t 和h h t 等功能。 对比分析了三种虚拟仪器软件：l a b v i e w 、a g i l e n tv e e 和s u a l s t u d i o6 o 的优缺点，最终选择了采用l a b v i e w 生成时频分析所需的动态链接库。 研究了l a b v i e w 输入输出数据预处理方法，如二维数组( 时频谱幅值) 转换成所需一维数组、一维数组( 内核函数) 转换成所需二维数组等。 对在v m i d s4 o 虚拟仪器开发系统中新增加的时频分析功能进行调试，并 设计了一个多功能时频分析仪，能够对信号时间一频率一幅值三维谱进行分析。 通过对模拟信号和实际信号的分析，说明该时频分析仪的正确性与可用性，实验 结果可以看出，g a b o r - w i g n e r 变换和s t f w i g n e r 变换较已有的时频分析方法有 更高的分辨率，且无交叉项。 7 重庆大学硕士论文2 秦氏模型智能虚拟控件 2 秦氏模型智能虚拟控件 2 1 引言 秦氏模型智能虚拟仪器是上个世纪末由重庆大学秦树人教授首次提出来的一 种以智能控件为核心的全新仪器模式，亦称“秦氏模型”虚拟仪器。它是虚拟仪器 发展过程中的一项极富创造性的成果，按照这种模型的思想建立的智能控件化虚 拟仪器是一种新的仪器模式。本章从秦氏模型的原理、智能虚拟控件的模型要素、 智能虚拟控件的形成原理和智能控件化虚拟仪器的形成原理等四个方面对这一模 型进行讨论。 2 2 秦氏模型的原理 秦氏模型川【2 2 】【2 3 1 是一种新的仪器模式，也是一个全新的仪器概念。这一概念 的基本思想是：将一些虚拟控件经“功能赋予”后与仪器功能进行“测试融合”从而 形成“智能仪器单元”，通过“积木式拼搭”，可直接在p c 机内形成各种类型的虚 拟仪器并显示在屏幕上供用户使用。这些“智能仪器单元”称为智能虚拟控件，它 是一种被仪器功能“激活”了的，有“生命”的虚拟部件，它既描述了秦氏模型的形 象，也描述了秦氏模型的本质，也即是说秦氏模型的思想是通过智能虚拟控件来 体现的。在秦氏模型中，“功能赋予”、“测试融合”和虚拟仪器的“积木式拼搭”是 三个重要而基本的概念【2 4 】【2 5 】【2 6 】。 2 2 1 功能赋予 对非智能虚拟控件的相应部位或结构赋予已被软件化的测试功能称为“功能 赋予”，如图2 1 所示。 非智能虚拟控件是测试功能的载体，当它具备了测试功能之后才能进行测试 测量工作，智能虚拟控件其实是被仪器功能“激活”了的非智能虚拟控件。显然一 些仅有控件的形状、动作但是没有仪器功能的非智能虚拟控件是功能赋予的对象， 如构成虚拟仪器面板上的各种部件( 选择开关、拨动开关、按钮、旋钮、数码管、 表盘、拨盘、信号灯、数显块和显示器等) ，非智能虚拟控件是“制造”智能虚拟控 件的原材料。通过功能赋予使得非智能虚拟控件可能实现智能化。 重庆大学硕士论文2 秦氏模型智能虚拟控件 图2 1 功能赋予的示意图 f i 9 2 1s k e t c hm 印o f f - u n c t i o ne n d o w i n g 2 2 2 测试融合 非智能虚拟控件相应部位或结构经过功能赋予后，其功能赋予接口具有了测 试功能描述信息，功能模块与控件模块再进行融合的过程称为“测试融合”，如图 2 2 所示。测试融合是秦氏模型的又一个基本概念，其过程是由非智能虚拟控件 转换为智能虚拟控件的过程，在功能赋予后，需要对该智能虚拟控件进行检测， 看其是否带有仪器功能且满足性能和精度要求，经测试检验合格的非智能虚拟控 件称为智能虚拟控件。智能虚拟控件是基于秦氏模型的智能控件化虚拟仪器系统 的核心组成部分，它的原理是通过测试融合把仪器的功能、性能、控件关系等有 机地融合于一个或者几个部件之中，从而使仪器从整机演化为部件【2 7 | 。 i 一 一葛 j i 猢ih l i l l 、 jl r ，。、l 越一，e 曼 图2 ，2 测试融合示意图 f i 9 2 2s k e t c hm a po f t e s tf u s i n g 重庆大学硕士论文2 秦氏模型智能虚拟控件 2 2 3 积木式拼搭 智能控件是“智能仪器单元”，仪器拼搭场是智能控件化虚拟仪器的柔性装配 工厂，由若干个“智能测试单元”可组建一台智能测试仪器一智能控件化虚拟仪 器。 将一些智能虚拟控件，在仪器拼搭场中按预定的框架协议进行随机置位，便 能组装拼搭出所需的测试仪器。其中，预定的框架协议就是秦氏模型虚拟仪器开 发系统。整个拼搭过程是一种极其简单的方法，不需要编程和控件间连线，只需 对控件进行一些简单的属性设置，这一拼搭方法降低了对用户的使用要求。属性 设置包括了一个控件的所有物理特性，例如样式、颜色、尺寸、刻度、标签的内 容等。积木式拼搭示意图如图2 3 所示。 图2 3 积木式拼搭示意图 f i 9 2 3s k e t c hm a po fb u i l db l o c k s 2 3 智能虚拟控件的模型要素 无论何种非智能虚拟控件，其模型包括几何尺寸、几何形状、控件颜色、结 构参数和控件描述等五种基本要素，如表2 1 所示。 在表2 1 中所列的要素中，几何尺寸表示控件的长、宽、高、圆半( 直) 径 等外观几何尺寸，这些都是建模时的输入变量。当控件的长、宽、高或圆半径等 重庆大学硕士论文 2 秦氏模型智能虚拟控件 几何参数确定以后，还要进一步输入确定模型最终几何形状的变量：如控件平面 边缘的倒角、空