参数化时频分析理论方法及应用_2016_西北工大

报告人:彭志科上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室2016.3.26-27,参数化时频分析理论、方法及应用,西北工业大学第三届杰青论坛,非平稳信号是实际应用中的常见信号，对其分析的准确性是解决实际工程问题系统的前提与基础，也是信号处理领域中的热点。,旋转机械振动信号,体波、表面波,超声波效应,生命医学信号,水轮机,研究背景,风力发电机,地震波,兰姆波,脑电信号,心电图,多普勒效应,微多普勒效应,研究背景,研究背景,JeanBaptisteJosephFourier(1768-1830),Fourier级数,Fourier变换-Kingoftransforms,本质思想：线性空间的正交基分解和重构,适用对象：平稳信号(频率不随时间变化),非平稳信号,特点：非平稳信号的频率常随时间变化,例1：,Fourier变换能反映信号的频率范围不能反映频率随时间变化的变化规律,(0t15),采样频率120Hz,非平稳信号,例2：,x1,x2,Fourier变换,准确反映信号所含频率分量不能反映频率分量存在的时间段,时频分析方法,短时傅立叶变换,定义：,窗函数,本质：加窗傅立叶变换,适用对象：分段平稳信号,例2-x1,例2-x2,t/sec,t/sec,Freq/Hz,a=1,连续小波变换,定义：,母波函数,本质：变分辨率带通滤波,适用对象：局部奇异性信号,0=5,a=0.5,a=1,转子碰摩故障典型时频特征,示例,Wigner-Ville分布,定义：,本质：瞬时相关函数的傅立叶变换,适用对象：单分量信号,单分量信号x1,单分量信号x2,多分量信号x,交叉项,示例,线调频小波变换,定义：,本质：加调频窗的傅立叶变换,适用对象：线性调频信号,调频窗函数,STFT,Chirplet,时频分析方法的不足,STFT,WVD,CWT,Chirplet(=3),例1信号真实时频曲线,不足不能正确反映分量的瞬时幅值集中性较差,非线性调频分量,特点：频率是时间的非线性函数,OptExp,19(2011)26174,J.Ac.Soc.Am.107(2000),Pt.1,App.Ac.71(2010)10701080,JS.Vib.330(2011)12251243,J.G.Con.DY21(1998)375-382,(A),(B),(C),(D),(E),激光脉冲信号Lamb波信号鲸鱼声波水轮机停机振动信号战斗机机翼测试信号,线调频信号,正弦信号,STFT,STFT,参数化时频分析-原理,Chirplet工作原理,Chirplet定义新表达,t0,旋转算子,平移算子,旋转,平移,参数化时频分析-原理,例3：,=0,=5,=2.5,=-2.5,ChirpRate=5/s,参数化时频分析-原理,信号模型:,瞬时频率:,旋转算子,平移算子,参数化时频分析原理图解,参数化时频分析-原理,参数化频率时延分析,定义,工作原理图解,参数化时频分析-方法,定义,性质,线性可加,时移不变,频移不变,参数化时频分析-方法,多项式调频小波变换(PCT),旋转算子,平移算子,思想：闭区间上的连续函数可用多项式函数一致逼近,示例,STFT,PCT,参数化时频分析-方法,STFT,WVD,CWT,Chirplet(=3),PCT,示例-PCT,参数化时频分析-方法,样条调频小波变换(SCT),旋转算子,平移算子,思想：分段多项式逼近，避免Runge现象,示例,PCT,SCT,参数化时频分析-方法,STFT,WVD,CWT,PCT,SCT,示例-SCT,参数化时频分析-方法,广义Warblet变换(GWT),旋转算子,平移算子,思想：任何可积函数都可用三角函数展开,示例,STFT,GWT,参数化时频分析-方法,STFT,WVD,CWT,GWT,示例-GWT,参数化时频分析-方法,如何确定变换核参数,多项式调频小波变换,样条调频小波变换,广义Warblet变换,参数化时频分析-方法,变换核参数估计-PCT,最小二乘法拟合,最小二乘法拟合,PCT,参数化时频分析-方法,变换核参数估计-GWT,Fourier变换,Fourier变换,STFT,GWT,参数化时频分析-方法,如何分析多频率分量信号？,示例-多频率分量信号,IF1,IF2,参数化时频分析-方法,多频率分量信号分析-时频融合法,IF1,IF2,1,2,参数化时频分析-方法,高通滤波,高通滤波,参数化时频分析-方法,多频率分量信号分析-时频融合法,时频融合法示例蝙蝠回波定位信号,STFT,Chirplet,PWVD,PCT,参数化时频分析-方法,多频率分量信号分析-信号分解法,信号模型:,问题:,参数化时频分析-方法,Fourier级数,示例信号,A-,B-,C-,Ind:(A)-0.1007;(B)-0.4650;(C)-0.6060,参数化时频分析-方法,多频率分量信号分析-信号分解法,参数估计:,初始值设定:,估计算法:粒子群优化算法或遗传算法,参数化时频分析-方法,多频率分量信号分析-信号分解法,相位估计:,相关分析:,参数化时频分析-方法,多频率分量信号分析-信号分解法,分量1,分量2,参数化时频分析-方法,多频率分量信号分析-信号分解法,参数化时频分析-应用,应用一：转子瞬时转速估计,Acc/mm/s2,实验装置,起停机过程信号,STFT,CWT,WVD,GWT,瞬时转速曲线,参数化时频分析-应用,应用一：转子瞬时转速估计,应用二：水轮机振动信号精细时频特征提取,1上导轴承2发电机转子3推力轴承4主轴5水导轴承6蜗壳7导叶8水轮机叶片9尾水管,水轮机简图,传感器测量位置V1上导轴承V2推力轴承V3水导轴承,参数化时频分析-应用,应用二：水轮机振动信号精细时频特征提取,应用二：水轮机振动信号精细时频特征提取,傅立叶变换,短时傅立叶变换,傅立叶变换频谱图不能揭示信号存在4个倍频分量；短时傅立叶变换结果模糊显示信号存在4个倍频分量；参数化时频分析结果清晰显示出了4个倍频分量的存在。,参数化时频分析-应用,应用三：Lamb波群延迟分析,群延迟曲线,参数化时频分析-应用,实验测试,参数化时频分析-应用,应用三：Lamb波群延迟分析,实验测试信号,STFT,参数化时频分析-应用,应用三：Lamb波群延迟分析,预处理后的STFT,参数化频率时延分析结果,傅立叶级数核,S0,A0,参数化时频分析-应用,应用三：Lamb波群延迟分析,参数化频率时延分析结果,S0,A0,S0,A0,参数化时频分析-应用,应用三：Lamb波群延迟分析,PeterJ.Tavner英国杜伦大学名誉教授，新能源研究中心主任，曾任欧洲风能学会主席，IETfellow，IEEESeniorMember,“提出了参数化时频分析一般框架，能够构造多种核函数”,“样条调频小波变换对非线性IF具有更高的估计精度”,他人引用及应用,ProfP.JTavner将样条调频小波变换应用于风机状态监测,“GWT能够在强噪声背景下精确的估计雷达IF，”,DrD.RMorgan将泛谐波调频小波变换应用于雷达系统,“参数化时频分析能够更有效刻画非线性调频信号”,DennisR.Morgan美国莫里斯敦信号处理顾问，IEEELifeSeniorMember,他人引用及应用,西北工大杨益新教授将多项式调频小波变换应用于移动目标探测,他人引用及应用,康奈尔大学ProfJ.C.ONeill,将参数化时频分析方法集成进他开发的时频分析工具箱DiscreteTFDs,他人引用及应用,论文,Z.K.Peng,etal,PolynomialChirpletTransformwithApplicationtoInstantaneousFrequencyEstimation,IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement,60(2011)3222-3229.Z.KPeng,etal,etal,Time-FrequencyDataFusionTechniquewithApplicationtoVibrationSignalAnalysis,MechanicalSystemsandSignalProcessing,29(2012)164173.Y.Yang,Z.K.Peng,etal,Spline-KernelledChirpletTransformfortheAnalysisofSignalsWithTime-VaryingFrequencyandItsApplication,IEEETransactionsonIndustrialElectronics,59(2012)1612-1621.Y.Yang,Z.K.Peng,etal,Time-frequencyFusionbasedonPolynomialChirpletTransformforNon-stationarySignals,IEEETransactionsonIndustrialElectronics,DOI:10.1109/TIE.2012.2206331.Y.Yang,Z.K.Peng,etal,GeneralParameterizedTime-FrequencyTransform,IEEETransactionsonSignalProcessing,(2014)DOI:10.1109/TSP.2014.2314061Y.Yang,Z.K.Peng,etal,ApplicationofParameterizedTime-frequencyAnalysisonMulticomponentFrequencyModulatedSignal,IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement,(2014)DOI:10.1109/TIM.2014.2313961Y.Yang,Z.KPeng,etal,Vibrationsignalanalysisusingparameterizedtimefrequencymethodforfeaturesextractionofvarying-speedrotarymachinery,JournalofSoundandVibration335(2015)350366Y.Yang,Z.K.Peng,etal,CharacterizeHighlyOscillatingFrequencyModulationUsingGeneralizedWarbletTransform,MechanicalSystemsandSignalProces