CN108181486B - 加速度信号的处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加速度信号的处理方法及装置，其中，该方法包括：对加速度信号进行预处理，确定预处理后的信号；确定所述预处理后的信号的功率谱序列中幅度最大的序列点并记为第一序列点，以及由所述第一序列点向较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点；根据所述第二序列点确定下限截止频率，并滤除所述预处理后的信号中小于所述下限截止频率的低频信号，确定滤波后的信号；对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理，确定位移信号。本发明能够直接选取下限截止频率，避免人为选择，提高了处理效率和精度。

Description

加速度信号的处理方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种加速度信号的处理方法及装置。

背景技术

在地震动位移、结构变形检测、车载系统路面平整度检测等领域，需要实时精确测量检测设备动位移信息，但是直接测量振动位移的方法复杂且误差大，目前振动位移的测量通常采用加速度传感器，将采集得到的加速度信号进行二次积分得到瞬时振动位移量。

目前通过加速度计算动位移，一般采用时域积分或频域积分两种方法。但是加速度信号中的低频噪声，积分至速度和位移时会产生趋势项，导致信号偏离基线上下跳动，使积分得到的位移信号严重失真。因此，有效去除加速度信号中的低频噪声，校正积分后信号基线，成为人们研究的重要课题。

时域积分一般采用梯形公式、辛普森公式对测得的信号进行二次积分得到位移信号，一般采用最小二乘法拟合去除趋势项，这种积分方法形式简单，但是积分过程中产生的趋势项不能完全剔除，残余的微小误差则会进行累积放大，影响积分精度。频域积分先将加速度信号由时域转换为频域，利用正逆傅里叶变换的性质，在频域内直接以正弦、余弦的积分互换关系进行计算，并对低频成分加以抑制或去除后再将信号转换为时域，从而达到校正基线的目的。

频域处理方法原理简单，效果明显，可有效避免时域积分对微小误差信号的累积放大作用，可方便的选取下限截止频率，实现带通滤波器的功能，使得计算结果更准确，成为人们应用最早且最广泛的一类方法。

在实现本发明的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：在加速度频域积分过程中，下限截止频率的选取是一个重要的问题，下限截止频率如果选择不准确，则会使信号中存在低频噪声，从而直接影响积分精度。目前常用的下限截止频率选取方法是依靠经验选取或通过大量尝试对比选取，因此存在一些明显缺陷：

1、需要人为选取下限截止频率，无法完全消除趋势项问题，会使积分结果出现较大误差；

2、无法判断哪个下限截止频率能够对于实际信号处理误差最小，达到最佳的处理效果；

3、不同情况的加速度信号形式不同，所需选取的下限截止频率不同，不能进行实时处理；

4、选取效率低，降低了工程应用中加速度频域积分的效率，选取不适合的下限截止频率会影响积分精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种加速度信号的处理方法及装置，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明的一方面，提供了一种加速度信号的处理方法，包括：

对加速度信号进行预处理，确定预处理后的信号；

确定所述预处理后的信号的功率谱序列中幅度最大的序列点并记为第一序列点，以及由所述第一序列点向较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点；

根据所述第二序列点确定下限截止频率，并滤除所述预处理后的信号中小于所述下限截止频率的低频信号，确定滤波后的信号；以及

对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理，确定位移信号。

在本发明的一些实施例中，所述对加速度信号进行预处理指：对所述加速度信号进行电压转换、去直流分量、去噪、滤波和降采样处理。

在本发明的一些实施例中，根据所述第二序列点确定下限截止频率，其满足公式：

fl＝L×fs/nfft，其中，L为第二序列点对应的序列号，fs为采样的频率，nfft为频域积分中傅里叶变化的点数。

在本发明的一些实施例中，对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理，确定位移信号，包括步骤：

对所述滤波后的信号进行一次频域积分处理，确定速度信号；以及

对所述速度信号进行一次频域积分处理，确定位移信号。

在本发明的一些实施例中，由所述第一序列点向较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点，具体包括步骤：

计算序列点k-1的幅值与所述第一序列点k的幅值的差值；以及

若所述差值小于等于0，则计算序列点k-2的幅值与序列点k-1的幅值的差值，直到序列点k-i的幅值与序列点k-i+1的幅值的差值大于0，此时，序列点k-i即为第二序列点。

本发明的另一方面，还提供了一种加速度信号的处理装置，包括：

预处理模块，用于对加速度信号进行预处理，确定预处理后的信号；

确定模块，用于确定所述预处理后的信号的功率谱序列中幅度最大的序列点并记为第一序列点，以及由所述第一序列点向较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点；

滤波模块，根据所述第二序列点确定下限截止频率，并滤除所述预处理后的信号中小于所述下限截止频率的低频信号，确定滤波后的信号；以及

积分模块，对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理，确定位移信号。

在本发明的一些实施例中，所述预处理模块包括电压转换单元、去直流分量单元、去噪单元、滤波单元和降采样单元。

在本发明的一些实施例中，所述下限截止频率满足公式：

fl＝L×fs/nfft，其中，L为第二序列点对应的序列号，fs为采样的频率，nfft为频域积分中傅里叶变化的点数。

在本发明的一些实施例中，所述确定模块包括：

计算单元，用于计算序列点k-1的幅值与所述第一序列点k的幅值的差值；以及

判断单元，用于比较所述差值与0的大小，若所述差值小于等于0，则计算单元计算序列点k-2的幅值与序列点k-1的幅值的差值，直到序列点k-i的幅值与序列点k-i+1的幅值的差值大于0，此时，序列点k-i即为第二序列点。

(三)有益效果

本发明的加速度信号的处理方法及装置，相较于现有技术，至少具有以下优点：

1、能够直接选取下限截止频率，避免人为选择的复杂操作和随机因素，提高了加速度信号的处理效率和精度。

2、通过滤除小于下限截止频率的信号，能够实现本发明的加速度信号的处理方法及装置实现自适应基线偏移校正。

附图说明

图1为本发明实施例的加速度信号的处理方法的步骤示意图。

图2为本发明实施例的选取第二序列点的流程示意图。

图3为本发明实施例的加速度信号的处理装置的结构示意图。

图4为本发明实施例的加速度信号的示意图。

图5为本发明实施例的预处理后的信号的示意图。

图6为未进行基线偏移校正处理的速度信号的示意图。

图7为未进行基线偏移校正处理的位移信号的示意图。

图8为本发明实施例的预处理后的信号的功率谱的示意图。

图9为图8的局部放大示意图。

图10为本发明实施例的速度信号的示意图。

图11为本发明实施例的位移信号的示意图。

图12为本发明实施例的位移信号与实际位移信号的差值示意图。

具体实施方式

现有技术中，一般都是人为选取下限截止频率，无法完全消除趋势项问题，会使积分结果出现较大误差，有鉴于此，本发明提供了一种加速度信号的处理方法和装置，能够直接选取下限截止频率，避免人为选择的复杂操作和随机因素，提高了加速度信号的处理效率和精度。如此，便能通过滤除小于下限截止频率的信号，从而实现本发明的加速度信号的处理方法及装置实现自适应基线偏移校正。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例的一方面，提供了一种加速度信号的处理方法，图1为本发明实施例的加速度信号的处理方法的步骤示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、对加速度信号进行预处理，确定预处理后的信号；

S2、确定所述预处理后的信号的功率谱序列中幅度最大的序列点并记为第一序列点，以及由所述第一序列点向较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点；

S3、根据所述第二序列点确定下限截止频率，并滤除所述预处理后的信号中小于所述下限截止频率的低频信号，确定滤波后的信号；以及

S4、对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理，确定位移信号。

接下来就对各步骤进行详细说明。

S1、对加速度信号进行预处理，确定预处理后的信号。其中，对加速度信号的处理原则是既要最大限度的保留有用信号，又要尽可能的去除趋势项、校正基线偏移。预处理可以包括电压转换(A/D模数转换)、去直流分量、去噪、滤波和降采样处理，且不限制各项处理的先后顺序。这样能够有效去除一部分的高频噪声，而对于低频噪声则需要慎重考虑，选择不准确将会影响积分精度，且会存在截断误差。

一般情况下，对于基于激光的车载静止时的加速度信号的功率谱序列是递减的，当有运动情况存在时，功率谱上会出现尖峰，尖峰所处的频带则是振动加速度信号所处的频带范围，而下限截止频率的选取关乎信噪比的大小，所以通过分析功率谱序列，在振动信号的频带范围内找到功率谱上的幅值最大的序列点(第一序列点)，向较低频率处趋近，从单调递减的趋势中突然变大的时候所处的序列点认为是所需要的下限截止频率对应的第二序列点。

S2、确定所述预处理后的信号的功率谱序列中幅度最大的序列点并记为第一序列点k，以及由所述第一序列点向较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点。

图2为本发明实施例的选取第二序列点的流程示意图，如图2所示，由所述第一序列点向较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点，具体包括以下步骤：

S21、计算序列点k-1的幅值与所述第一序列点k的幅值的差值；

S22、若所述差值小于等于0，则计算序列点k-2的幅值与序列点k-1的幅值的差值，直到序列点k-i的幅值与序列点k-i+1的幅值的差值大于0，此时，序列点k-i即为第二序列点L。

预处理后的信号的功率谱序列为X(k)(k＝1，2，3，...)，再从中选出幅度最大的序列点记为第一序列点。该流程图对应的伪代码为：

for i←1 to k

do kl←k-i+1

m＝X(kl-1)-X(kl)

repeat

i←i+1

until m＞0

此时，得到第二序列点L为序列点k-i。

S3、根据所述第二序列点确定下限截止频率，并滤除所述预处理后的信号中小于所述下限截止频率的低频信号，确定滤波后的信号。

根据所述第二序列点确定下限截止频率fl，其满足公式：

fl＝L×(fs/nfft)，其中，L为第二序列点对应的序列号，fs为采样的频率，nfft为频域积分中傅里叶变化的点数，序列点与频率之间的转换参数df＝fs/nfft。

S4、对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理，确定位移信号。

一般来说，频域积分处理为傅里叶变化。步骤S4具体包括子步骤：

S41、对所述滤波后的信号进行一次频域积分处理，确定速度信号

S42、对所述速度信号进行一次频域积分处理，确定位移信号。

可见本发明的加速度信号的处理方法及装置不仅能够实现自适应基线偏移校正，还能确定速度的具体信息。

本发明实施例的另一方面，还提供了一种加速度信号的处理装置，图3为本发明实施例的加速度信号的处理装置的结构示意图，如图3所示，该装置包括预处理模块1、确定模块2、滤波模块3和积分模块4。接着就结合图3对各模块进行详细描述。

预处理模块1，用于对加速度信号(动态加速度和静态加速度)进行预处理，确定预处理后的信号。

图4为本发明实施例的加速度信号的示意图，其中，预处理模块1可以包括以下单元：电压转换单元、去直流分量单元、去噪单元、滤波单元和降采样单元，且这些单元的顺序也不作限制。图5为本发明实施例的预处理后的信号的示意图。

当不选取第二序列点，不对处理后的信号以下限截止频率为最低频率进行滤波处理时，直接对处理后的信号进行频域积分处理，可以得到未进行基线偏移校正处理的速度信号(详见图6)和位移信号(详见图7)，以此与本发明的装置得到的速度信号和位置信号进行对比。

接着就选取第二序列点，并对所述处理后的信号以下限截止频率为最低频率进行滤波处理和频域积分处理。

确定模块2，用于确定所述预处理后的信号的功率谱序列中幅度最大的序列点并记为第一序列点，以及由所述第一序列点向较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点L。图8为本发明实施例的预处理后的信号的功率谱的示意图，图9为图8的局部放大示意图，可以选取其中的第一序列点和第二序列点。

更具体地，该确定模块2包括计算单元和判断单元。计算单元，计算序列点k-1的幅值与所述第一序列点k的幅值的差值；判断单元，比较所述差值与0的大小，若所述差值小于等于0，则计算单元计算序列点k-2的幅值与序列点k-1的幅值的差值，直到序列点k-i的幅值与序列点k-i+1的幅值的差值大于0，此时，序列点k-i即为第二序列点L。

滤波模块3，根据所述第二序列点确定下限截止频率(详见图9)，并滤除所述预处理后的信号中小于所述下限截止频率的低频信号，确定滤波后的信号。其中，所述下限截止频率fl满足公式fl＝L×(fs/nfft)，其中，L为第二序列点对应的序列号，fs为采样的频率，nfft为频域积分中傅里叶变化的点数，序列点与频率之间的转换参数df＝fs/nfft。

积分模块4，对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理(一般为傅里叶变换)，确定位移信号。

其中，积分模块4对滤波后的信号进行一次频域积分处理，可以得到速度信号(详见图10)，再对所述速度信号再进行一次频域积分处理，可以得到位移信号(详见图11)。

图12为本发明的位移信号与实际位移信号的差值示意图，其中，实际位移信号可以使用激光测距仪测得，由图12可见二者差值在±0.2mm，因此本发明的加速度信号的处理装置得到的位移信号有较好的基线偏移校正效果，积分精确度有较大提高。

综上，本发明的加速度信号的处理方法及装置能够直接选取下限截止频率，避免人为选择的复杂操作和随机因素，提高了加速度信号的处理效率和精度。还可以通过滤除小于下限截止频率的信号，实现本发明的加速度信号的处理方法及装置实现自适应基线偏移校正。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种加速度信号的处理方法，包括：

对加速度信号进行预处理，确定预处理后的信号；

确定所述预处理后的信号的功率谱序列中幅度最大的序列点并记为第一序列点，以及由所述第一序列点向幅度较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点；

根据所述第二序列点确定下限截止频率，并滤除所述预处理后的信号中小于所述下限截止频率的低频信号，确定滤波后的信号；以及

对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理，确定位移信号；

其中，根据所述第二序列点确定下限截止频率是通过以下公式实现：

fl =L×（fs/nfft）

fl为下限截止频率，L为第二序列点对应的序列号，fs为采样的频率，nfft为频域积分中傅里叶变化的点数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对加速度信号进行预处理指：对所述加速度信号进行电压转换、去直流分量、去噪、滤波和降采样处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理，确定位移信号，包括步骤：

对所述滤波后的信号进行一次频域积分处理，确定速度信号；以及

对所述速度信号进行一次频域积分处理，确定位移信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述第一序列点向较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点，具体包括步骤：

计算序列点k-1的幅值与所述第一序列点k的幅值的差值；以及

若所述差值小于等于0，则计算序列点k-2的幅值与序列点k-1的幅值的差值，直到序列点k-i的幅值与序列点k-i+1的幅值的差值大于0，此时，序列点k-i即为第二序列点。

5.一种加速度信号的处理装置，包括：

预处理模块，用于对加速度信号进行预处理，确定预处理后的信号；

确定模块，用于确定所述预处理后的信号的功率谱序列中幅度最大的序列点并记为第一序列点，以及由所述第一序列点向幅度较小的序列点方向趋近，当幅度由递减变为递增时，将幅度转折处的序列点记为第二序列点；

滤波模块，根据所述第二序列点确定下限截止频率，并滤除所述预处理后的信号中小于所述下限截止频率的低频信号，确定滤波后的信号；以及

积分模块，对所述滤波后的信号进行两次频域积分处理，确定位移信号；

其中，根据所述第二序列点确定下限截止频率是通过以下公式实现：

fl =L×（fs/nfft）

fl为下限截止频率，L为第二序列点对应的序列号，fs为采样的频率，nfft为频域积分中傅里叶变化的点数。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述预处理模块包括电压转换单元、去直流分量单元、去噪单元、滤波单元和降采样单元。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述确定模块包括：

计算单元，用于计算序列点k-1的幅值与所述第一序列点k的幅值的差值；以及

判断单元，用于比较所述差值与0的大小，若所述差值小于等于0，则计算单元计算序列点k-2的幅值与序列点k-1的幅值的差值，直到序列点k-i的幅值与序列点k-i+1的幅值的差值大于0，此时，序列点k-i即为第二序列点。