CN105628189A - 一种直升机机体振动信号的自适应处理方法 - Google Patents

一种直升机机体振动信号的自适应处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直升机机体振动信号的自适应处理方法，包含以下步骤：1、对采集到的直升机机体振动信号进行信号滤波处理，得到滤波后的数字信号；2、对滤波后的数字信号进行重叠分段，对每个分段数据进行谱估计，获得每个分段数据的振动频率点的幅值和相位；步骤3、分别计算六个分段、七个分段、八个分段数据的振动频率点的幅值和相位的累加平均；4、将三个平均值转换为极坐标系，计算三点之间任意两点的距离并取最大值，计算该最大值与八段平均值到极坐标零点距离的比值，如果比值小于等于5％，那么给出八段平均值作为测量结果。本发明可根据直升机振动环境的恶劣程度自适应的调节测量次数与测量时间，提高机体振动的测量精度。

Description

一种直升机机体振动信号的自适应处理方法
技术领域
本发明涉及一种直升机机体振动信号的自适应处理方法，可应用于直升机等大型低转速旋转机械机体的状态监控、动平衡调整、故障诊断与健康管理，属于航空试验与测试领域。
背景技术
直升机具有灵活方便的使用特点，在军事及民用中发挥着越来越重要的作用，但是直升机机体振动不仅会造成机械结构的疲劳度，缩短飞机的使用寿命，而且使得空勤人员的执行效率降低和仪表设备失效等，严重时危及到机组人员的生命安全。因此，在直升机日常使用以及维护保养中必须对直升机机体振动进行准确测量和监控，为直升机飞行安全状态监控、故障诊断以及健康管理提供信息来源。但直升机机体振动有其自身特殊性：1)由于直升机上不同的振源，不同的频率及不规则的作用使得振动分析非常复杂；2)直升机由于其动力源和结构上特点使机体始终处于主旋翼和尾桨为主的强干扰源下作强迫振动。其振动的特点是：随机信号上叠加其几个强正弦信号，正弦信号的幅值又带有随机性；干扰频率成分较复杂且主干扰源的频率较低；机体刚体姿态频率很低。这些特点决定现有的频域傅里叶变换或时域滤波等处理方法难达到理想的测量效果，另外传统方法对不同振动环境下信号处理方法一般相同，导致复杂振动环境下测量精度降低，而简单振动环境下测量效率较低。因此需要一种根据直升机机体振动复杂程度的自适应信号处理方法，既保证测量精度又提高测量效率。
发明内容
针对已有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种直升机机体振动信号的自适应处理方法。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种直升机机体振动信号的自适应处理方法，包含以下步骤：
步骤1、对采集到的直升机机体振动信号进行信号滤波处理，得到滤波后的数字信号；
步骤2、对滤波后的数字信号进行重叠分段，对每个分段数据进行谱估计，获得每个分段数据的振动频率点的幅值和相位；
步骤3、分别计算六个分段数据的振动频率点的幅值和相位的累加平均、七个分段数据的振动频率点的幅值和相位的累加平均、八个分段数据的振动频率点的幅值和相位的累加平均，得到六段平均值、七段平均值、八段平均值；
步骤4、将六段平均值、七段平均值、八段平均值转换为极坐标系，计算三点之间任意两点的距离并取最大值，计算该最大值与八段平均值到极坐标零点距离的比值，如果比值小于等于5％，那么给出八段平均值作为测量结果；
步骤5、如果比值大于5％，继续测量，增加下一分段数据，所有原有计算数据整体向左移动一分段，将新增的分段数据放置最右，重复执行步骤3、步骤4，直至比值小于5％给出测量结果。
优选地，所述信号滤波处理包含以下步骤：
步骤1.1、滤除采集到的直升机机体振动信号中的高频噪声和低频气动干扰，得到滤波模拟信号；
步骤1.2、以直升机机体振动信号的频率的2的正整数次幂为采样率对滤波模拟信号进行采样，得到高频数字信号；
步骤1.3、采用二级抽取的方式对高频数字信号进行重采样；
步骤1.4、对重采样后的高频数字信号先进行加窗处理，再与滤波器单位脉冲响应进行卷积，最终得到滤波后的数字信号。
优选地，所述重叠分段根据滤波后的数字信号的频率范围进行重叠率调整。
优选地，所述谱估计采用离散傅里叶变换方法。
本发明的一种直升机机体振动的自适应信号处理方法，通过模拟滤波、过采样与重抽样以及数字滤波去除了除信号频率外的其他干扰频率，通过分段谱估计与阀值界定实时自适应根据信号稳定性调整累加平均测量次数，提高测量结果准确性和稳定性，而且信号稳定情况下，测量次数越少，测量效率越高；信号复杂情况下，测量次数随之增加，测量效率降低，但测量稳定性和准确性提高，达到自适应的效果。
附图说明
图1本发明信号处理方法的过程概要图。
图2本发明数字信号处理过程的详细实现图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明的。
如图1所示，一种直升机机体振动信号的自适应处理方法，包括模拟滤波1、过采样率采样2、重采样3，数字滤波4，分段谱估计5，谱平均6，阀值界定7。直升机机体振动信号通过所述模拟滤波1滤除高频噪声和低频气动干扰后，通过所述过采样率采样2的高频采样转换为数字信号，然后经过所述重采样3限制信号截止频率在奈奎斯特频率附近，接着进行所述数字滤波4的数字滤波，滤波后的数据按照所述分段谱估计5进行振动幅值和相位的估计，紧接着按照所述谱平均6进行各段谱估计值的平均，最后根据平均结果和所述阈值界定7来判定给出测量结果。下面对各个步骤作详细说明。
所述模拟滤波1，用于滤除采集到的直升机机体振动信号中高频噪声和低频气动干扰。采用模拟带通滤波器，高通滤波阶数不低于2阶，低通滤波阶数不低于6阶。
所述过采样率采样2，采用比输入信号的比奈奎斯特频率高很多的频率进行抽样，得到高频数据信号。通过过采样率采样2使量化噪声分布在较宽的频带来降低噪声水平，使得较少位数的模数转换器件达到与高分辨率模数转换器件相同的信噪比性能，实现过程中过采样的采样率不大于4KHz，一般选取为直升机机体振动信号的频率的2的正整数次幂。
所述重采样3，实现过程中采用信号二级抽取的方式进行采样率降低。即首先以M1(正整数)的抽取系数进行抽取，然后再以M2(正整数)的抽取系数进行抽取，最终使得采样率降至信号频率四倍左右，可以有效放宽模拟端的抗混叠滤波器，减轻数字滤波器的设计难度，并且滤波器的总有限字长效应也比较小，从而降低数据存储和运算量。
所述数字滤波4，采用FIR数字滤波器，剔除其他频率成分的干扰，得到滤波后的数字信号。重采样后的信号以M点为一段进行加窗处理，然后与滤波器单位脉冲响应进行卷积，最终得到加窗滤波后的信号。M是2的正整数次幂，不低于64。
所述分段谱估计5，对滤波后的数字信号进行重叠分段，并根据滤波后的数字信号的频率范围进行重叠率调整，4-8Hz时重叠率为75％，8-16Hz时重叠率为50％，16Hz以后重叠率为0。谱估计采用离散傅里叶变换，每分段(即S个数据)经过离散傅里叶变换获得振动频率点的幅值Am和相位ph。
所述谱平均6，对六个分段进行累加平均后得到6组(Am、ph)的六段平均值对七个分段进行累加平均后得到7组(Am、ph)的七段平均值对八个分段进行累加平均后得到8组(Am、ph)的七段平均值
所述阀值界定7，首先将所述谱平均6的三组平均值 转换为极坐标系，然后计算极坐标下三点 之间任意两点距离的最大值,即：取该最大值与ρ8的比值。如果比值小于等于5％，那么给出第八次的平均结果即为测量结果；如果比值大于5％，继续测量，增加下一分段数据，所有原有计算数据整体向左移动一分段，将新增的分段数据放置最右，并按所述分段谱估计5、谱平均6、阀值界定7重复计算流程，并进行判断，直至比值小于5％给出测量结果；如果直至测量40分段数据，比值依然大于5％，那么报错，此次测量不能得出准确稳定的结果。
本发明发明的一种直升机机体振动的自适应信号处理方法，通过模拟滤波、过采样与重抽样以及数字滤波去除了除信号频率外的其他干扰频率，通过分段谱估计与阀值界定实时自适应根据信号稳定性调整累加平均测量次数，提高测量结果准确性和稳定性，而且信号稳定情况下，测量次数越少，测量效率越高；信号复杂情况下，测量次数随之增加，测量效率降低，但测量稳定性和准确性提高，达到自适应的效果。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种直升机机体振动信号的自适应处理方法，包含以下步骤：
步骤1、对采集到的直升机机体振动信号进行信号滤波处理，得到滤波后的数字信号；
步骤2、对滤波后的数字信号进行重叠分段，对每个分段数据进行谱估计，获得每个分段数据的振动频率点的幅值和相位；
步骤3、分别计算六个分段数据的振动频率点的幅值和相位的累加平均、七个分段数据的振动频率点的幅值和相位的累加平均、八个分段数据的振动频率点的幅值和相位的累加平均，得到六段平均值、七段平均值、八段平均值；
步骤4、将六段平均值、七段平均值、八段平均值转换为极坐标系，计算三点之间任意两点的距离并取最大值，计算该最大值与八段平均值到极坐标零点距离的比值，如果比值小于等于5％，那么给出八段平均值作为测量结果；
步骤5、如果比值大于5％，继续测量，增加下一分段数据，所有原有计算数据整体向左移动一分段，将新增的分段数据放置最右，重复执行步骤3、步骤4，直至比值小于5％给出测量结果。
2.根据权利要求1所述的自适应处理方法，其特征在于所述信号滤波处理包含以下步骤：
步骤1.1、滤除采集到的直升机机体振动信号中的高频噪声和低频气动干扰，得到滤波模拟信号；
步骤1.2、以直升机机体振动信号的频率的2的正整数次幂为采样率对滤波模拟信号进行采样，得到高频数字信号；
步骤1.3、采用二级抽取的方式对高频数字信号进行重采样；
步骤1.4、对重采样后的高频数字信号先进行加窗处理，再与滤波器单位脉冲响应进行卷积，最终得到滤波后的数字信号。
3.根据权利要求1所述的自适应处理方法，其特征在于所述重叠分段根据滤波后的数字信号的频率范围进行重叠率调整。
4.根据权利要求1所述的自适应处理方法，其特征在于所述谱估计采用离散傅里叶变换方法。
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