离散频谱校正新方法及其抗干扰性能研究

发布时间：2017-04-27 07:18

  本文关键词：离散频谱校正新方法及其抗干扰性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：离散频谱分析技术广泛应用于机械设备故障诊断、振动分析、通信工程、自动控制过程,以及雷达、声呐、遥测、遥感、图像处理、语言识别、石油勘探、海洋资源勘测和生物医学工程等各个领域。由于离散频谱的泄漏效应和栅栏效应,在频谱分析中频率成分的频率、振幅和相位参数常常产生较大的误差。实际上,频谱分析的结果在工程应用中往往只能定性而不能定量地分析和解决问题,这大大限制了频谱分析技术在各个领域的使用。因此,研究如何提高频谱分析方法的精度使其更加精确的反应信号或系统的特征是现代信号处理的主要任务之一。离散频谱校正技术是为了克服传统频谱分析精度不高的一种校正技术,它通过加窗后的离散频谱谱线的幅值或者相位的关系来对各个频率成分的参数进行校正,以期得到较为精准的频谱参数。在实际工程中,离散频谱校正技术已广泛应用于电力系统谐波分析、电参量测量、雷达测速、发动机扭转信号处理和激励力识别、旋转机械故障诊断等工程领域。因此,离散频谱校正技术的研究和发展有着重要的工程价值。本文以快速傅里叶变换和离散频谱分析技术为出发点,以提高离散频谱分析技术精度为目标,在深入研究了传统的离散频谱校正算法和系统地分析了影响离散频谱校正算法精度的各种因素的基础之上,针对目前频谱校正算法存在的问题,提出了新的离散频谱校正算法。首先,本文提出了基于非对称窗函数的离散频谱相位差校正方法。该方法不同于传统的相位差法需要两段不同的数据取得相位差,而仅通过对同一段数据加不同的非对称窗(或者一个对称窗和一个非对称窗)就可实现对频率、相位和幅值的校正。继而提出了窗函数重心的概念来阐释相位差法的基本原理,在理论上进一步揭示了相位差法有效性的根本原因。推导了窗函数重心与窗函数相位的线性分量之间的关系。本文系统地总结了非对称窗函数的构造方法,并提出了非对称窗函数的伸缩构造法。该方法可以连续调节非对称窗函数特性。此外,还详细研究了非对称窗函数的幅值和相位特性,比较了对称窗函数和非对称窗函数的特点。其次,针对传统插值法对于窗函数依赖性的问题,结合汉宁窗函数的特点和主瓣拟合技术,提出了新的三谱线幅值插值法。该方法适用于所有的经典窗函数,解决了一般窗函数的插值校正算法的问题。新的三谱线幅值插值法还具有很强的容错(插值方向错误)能力,在大噪声下显示出更强的稳定性。另外,本文还深入讨论了负频率干扰对频谱校正的影响。推导了负频率成分对谱线干扰的数学表达式,定量地分析了负频率干扰的大小,证明了复谱线实部之比、虚部之比都是具有相位无关性。根据实部比值和虚部比值的特性,提出了具有抗镜像干扰的频谱校正方法,可以克服传统校正方法在接近零频率和赖奎斯特频率时校正误差较大的弱点。最后,将离散频谱校正方法应用于精确识别系统的固有频率。结果表明,新方法能提高固有频率的识别精度,具有较强的抗干扰性能。
【关键词】：频谱分析 窗函数 插值法 线性相位 相位差
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.7
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景与意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 离散频谱校正技术研究现状12-15
• 1.2.2 离散频谱校正技术工程应用现状15-16
• 1.3 主要研究内容16-17
• 1.4 论文结构17-20
• 2 离散频谱校正算法及其问题20-38
• 2.1 离散频谱的插值校正法20-28
• 2.1.1 基于幅值比值的插值法20-24
• 2.1.2 基于复数谱比值的插值法24-26
• 2.1.3 计及负频率影响的插值法26-28
• 2.2 离散频谱的相位差校正法28-30
• 2.2.1 基于时移的相位差校正法28-29
• 2.2.2 基于窗中心移动的相位差校正法29-30
• 2.2.3 综合相位差校正法30
• 2.3 离散频谱的能量重心校正法30-32
• 2.4 离散频谱的FT连续细化校正法32-33
• 2.5 离散频谱的幅值校正33-34
• 2.5.1 幅值的公式校正法33-34
• 2.5.2 三点卷积法34
• 2.6 离散频谱的相位校正34
• 2.7 影响离散频谱校正精度的若干问题34-37
• 2.7.1 镜像频率干扰34-35
• 2.7.2 其他频率成分干扰35-36
• 2.7.3 噪声干扰36
• 2.7.4 其他因素影响36-37
• 2.8 小结37-38
• 3 基于非对称窗函数的相位差法38-62
• 3.1 引言38-39
• 3.2 非对称窗函数及其构造39-49
• 3.2.1 非对称窗函数39
• 3.2.2 调制法构造非对称窗函数39-41
• 3.2.3 截断法构造非对称窗函数41-43
• 3.2.4 伸缩法构造非对称窗函数43-45
• 3.2.5 卷积法构造非对称窗函数45-47
• 3.2.6 窗函数性能一般评价指标与非对称窗函数的特性47-49
• 3.3 基于非对称窗函数的相位差法49-58
• 3.3.1 基于非对称窗函数的相位差法的理论推导49-50
• 3.3.2 单频信号仿真验证50-52
• 3.3.3 有临近频率成分干扰的信号仿真验证52-54
• 3.3.4 有噪声干扰的信号仿真验证54-56
• 3.3.5 考虑谱线错误定位的影响56-57
• 3.3.6 基于非对称窗函数的相位差法的特点57-58
• 3.4 窗重心理论与相位差法58-61
• 3.4.1 窗重心理论58-60
• 3.4.2 相位差法的基本原理与窗重心理论60-61
• 3.4.3 窗重心理论的应用61
• 3.5 小结61-62
• 4 基于窗函数拟合三谱线插值法62-82
• 4.1 引言62
• 4.2 基于补零和主瓣拟合的三谱线插值法62-67
• 4.2.1 补零与频谱采样62-63
• 4.2.2 汉宁窗的三谱线的插值法63-65
• 4.2.3 扩展为适用于经典窗函数的三谱线的插值法65-67
• 4.3 三谱线插值法的仿真研究67-72
• 4.3.1 系统误差67-70
• 4.3.2 算法的噪声性能70-72
• 4.4 三谱线插值法的特点及其比较研究72-80
• 4.4.1 插值法中的谱线定位错误现象72-75
• 4.4.2 考虑谱线定位错误的仿真计算75-80
• 4.5 小结80-82
• 5 离散频谱校正方法的抗镜像干扰研究82-98
• 5.1 引言82
• 5.2 低频校正与镜像频率干涉82-83
• 5.3 镜像干扰的数学推导与分析83-87
• 5.4 抗镜像干扰的频谱校正方法87-92
• 5.4.1 比值的平均值87-89
• 5.4.2 校正突脊和改进的插值算法89-91
• 5.4.3 进一步改进的插值算法91-92
• 5.5 仿真验证与比较研究92-97
• 5.5.1 无噪声信号92-94
• 5.5.2 各种算法的抗噪声性能比较94-97
• 5.6 小结97-98
• 6 离散频谱校正方法应用研究98-114
• 6.1 引言98
• 6.2 系统固有频率测量的意义和方法98-100
• 6.3 精确测量系统固有频率在刚体惯性参数识别中的应用100-102
• 6.4 利用频谱校正技术精确测量系统固有频率102-113
• 6.5 小结113-114
• 7 结论与展望114-116
• 7.1 研究总结114
• 7.2 主要创新点114-115
• 7.3 未来工作展望115-116
• 致谢116-118
• 参考文献118-136
• 附录136-138
• A. 连续形式的窗函数重心定理136-137
• B. 离散形式的窗函数重心定理137-138
• C. 作者在攻读学位期间发表(录用)的论文目录138
• D. 作者在攻读学位期间参加科研项目138
• E. 作者在攻读学位期间的学术兼职138

【参考文献】

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  本文关键词：离散频谱校正新方法及其抗干扰性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：330180