CN113361331A - 基于加窗插值fft的工频干扰消除方法、系统和介质 - Google Patents

基于加窗插值fft的工频干扰消除方法、系统和介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法、系统和介质，可广泛应用于信号处理技术领域。本发明方法通过对待处理的振动信号作FFT后得到第一幅值谱，并根据第一频谱确定窗函数，接着采用窗函数对振动信号进行离散处理后得到离散序列，然后对离散序列作FFT后得到第二幅值谱，并结合窗函数采用插值方式确定振动信号的工频信号，最后通过工频信号对振动信号进行工频干扰消除，以得到工频消除后的振动信号，本实施例通过选择对应的窗函数和插值方式，以在有效滤除工频干扰的同时，降低有用信号的受损程度，提高信噪比。

Description

基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法、系统和介质
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其是一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法、系统和介质。
背景技术
在机械振动信号处理领域中，电网工频干扰是常见信号干扰源之一，工频极易以多种不同方式耦合到采集信号，从而影响信号采集精度。目前常见的工频噪声干扰滤除方法的其中之一为陷波器方法。陷波器方法的工作原理是根据IIR数字滤波理论设计50Hz陷波器，其函数表达式为：H(z)＝(1-2(cosω)z-1+z-2)/(1-2α(cosω)z-1+α2z-2)，其中，ω＝2πf/fs＝0.3066，f＝50Hz，f为采样频率(1024Hz)，α值决定陷波器滤波效果。α值越大则凹陷越深、宽度越窄。为得到最佳滤波效果，假设取该值为0.96，设计的陷波器频谱如图1所示。由于工频噪声具有一定范围的波动，为了将其有效滤除，即需使得陷波器频谱具有一定宽度，同时为了降低对有用信号的损伤，也需要使其宽度尽可能窄，机械振动信号经陷波器滤波后的结果如图2所示。从图2可以发现，虽然工频干扰被滤掉，但是有用信号也受损，准确性差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法、系统和介质，能够有效滤除工频干扰，提高信噪比。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法，包括以下步骤：
获取待处理的振动信号；
对所述振动信号作FFT，生成第一幅值谱；
根据所述第一幅值谱确定窗函数；
采用所述窗函数对所述振动信号进行离散处理，得到离散序列；
对所述离散序列作FFT，生成第二幅值谱；
根据所述窗函数和所述第二幅值谱，采用插值方式确定所述振动信号的工频信号；
根据所述工频信号对所述振动信号进行工频干扰消除，得到工频消除后的振动信号。
本发明实施例提供的一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法，具备如下有益效果：
本实施例通过对待处理的振动信号作FFT后得到第一幅值谱，并根据第一频谱确定窗函数，接着采用窗函数对振动信号进行离散处理后得到离散序列，然后对离散序列作FFT后得到第二幅值谱，并结合窗函数采用插值方式确定振动信号的工频信号，最后通过工频信号对振动信号进行工频干扰消除，以得到工频消除后的振动信号，本实施例通过选择对应的窗函数和插值方式，以在有效滤除工频干扰的同时，降低有用信号的受损程度，提高信噪比。
可选地，所述获取待处理的振动信号，包括：
确定采样频率；
采用所述采样频率采集预设个数的数据点，组成振动信号。
可选地，所述采用所述窗函数对所述振动信号进行离散处理，包括：
采用所述窗函数对所述振动信号进行预设点数截断，所述预设点数与所述预设个数相等。
可选地，所述根据所述第一幅值谱确定窗函数，包括：
判断所述第一幅值谱内工频频谱和有用成分频谱的距离；
当所述距离满足第一预设条件，确定窗函数为矩形窗函数；
当所述距离满足第二预设条件，确定窗函数为汉宁窗函数。
可选地，所述根据所述窗函数和所述第二幅值谱，采用插值方式确定所述振动信号的工频信号，包括：
根据所述第二幅值谱确定工频频谱的主瓣；
当所述窗函数为矩形窗函数，根据所述主瓣计算所述插值方式的差值系数，所述差值系数的计算公式如下：
Figure BDA0003069042270000021
其中，δ表示插值系数，hm表示所述主瓣上左侧线的幅值，hm+1表示所述主瓣上右侧线的幅值；
根据所述插值系数计算工频参数，所述工频参数计算公式如下：
Figure BDA0003069042270000031
Figure BDA0003069042270000032
θ＝phase(hm)-π·δ-0.5π
其中，f表示工频参数的频率，fm表示所述主瓣上左侧线的频率，N表示所述振动信号内的数据点总个数，T表示采样间隔，A表示工频参数的幅值，θ表示工频参数的相位；
根据所述工频参数计算所述振动信号的工频信号。
可选地，所述根据所述窗函数和所述第二幅值谱，采用插值方式确定所述振动信号的工频信号，包括：
根据所述第二幅值谱确定工频频谱的主瓣；
当所述窗函数为汉宁窗函数，根据所述主瓣计算所述插值方式的差值系数，所述差值系数的计算公式如下：
Figure BDA0003069042270000033
其中，δ表示插值系数，hm表示所述主瓣上左侧线的幅值，hm+1表示所述主瓣上右侧线的幅值；
根据所述插值系数计算工频参数，所述工频参数计算公式如下：
Figure BDA0003069042270000034
Figure BDA0003069042270000035
θ＝phase(hm)-π·δ-0.5π
其中，f表示工频参数的频率，fm表示所述主瓣上左侧线的频率，N表示所述振动信号内的数据点总个数，T表示采样间隔，A表示工频参数的幅值，θ表示工频参数的相位；
根据所述工频参数计算所述振动信号的工频信号。
可选地，所述根据所述工频信号对所述振动信号进行工频干扰消除，得到工频消除后的振动信号，包括：
对所述振动信号与所述工频信号进行作差，得到差值信号；
将所述差值信号作为工频消除后的振动信号。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除系统，包括：
获取模块，用于获取待处理的振动信号；
第一FFT处理模块，用于对所述振动信号作FFT，生成第一幅值谱；
第一确定模块，用于根据所述第一幅值谱确定窗函数；
离散处理模块，用于采用所述窗函数对所述振动信号进行离散处理，得到离散序列；
第二FFT处理模块，用于对所述离散序列作FFT，生成第二幅值谱；
第二确定模块，用于根据所述窗函数和所述第二幅值谱，采用插值方式确定所述振动信号的工频信号；
工频干扰消除模块，用于根据所述工频信号对所述振动信号进行工频干扰消除，得到工频消除后的振动信号。
第三方面，本发明实施例提供了一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除系统，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行第一方面实施例提供的基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行第一方面实施例提供的基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为现有技术实施例的陷波器的频谱示意图；
图2为现有技术实施例的通过图1对应滤波器滤波后的机械振动信号示意图；
图3为本发明实施例的一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法的流程图；
图4为本发明实施例的工频干扰消除前的振动信号波形图；
图5为本发明实施例的振动信号作FFT后的幅值频谱图；
图6为本发明实施例的加窗后的振动信号作FFT后的幅值频谱图；
图7为本发明实施例的工频干扰消除后的幅值谱图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在进行具体实施例的阐述之前，对下面词汇进行解释：
FFT：快速傅里叶变换，是快速计算序列的离散傅里叶变换或者其逆变换的方法。
目前，采用滤波器对机械振动信号进行滤波时，容易损害有用信号。傅里叶变换的工频检测是目前使用较为广泛的一种方法，通过傅里叶变换就能直接得到工频谐波的幅值、频率、相位，并且计算精度较高，原理简单，但是由于难以对信号进行同步采样，因此必然会带来频谱泄漏和栅栏效应，影响工频分析结果。
基于此，本发明实施例提供了一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法。本实施例通过对待处理的振动信号作FFT后得到第一幅值谱，并根据第一频谱确定窗函数，接着采用窗函数对振动信号进行离散处理后得到离散序列，然后对离散序列作FFT后得到第二幅值谱，并结合窗函数采用插值方式确定振动信号的工频信号，最后通过工频信号对振动信号进行工频干扰消除，以得到工频消除后的振动信号，本实施例通过选择对应的窗函数和插值方式，以在有效滤除工频干扰的同时，降低有用信号的受损程度，提高信噪比。
具体地，如图3所示，本实施例在应用过程包括步骤S11-S17：
S11、获取待处理的振动信号。
在本申请实施例中，通过预先确定的采样频率fs来采集预设个数N的数据点，根据采集的所有数据点生成震动信号x0(n)，(n＝0,1,...,N-1)。
S12、对振动信号作FFT，生成第一幅值谱。
S13、根据第一幅值谱确定窗函数。
在本申请实施例中，由于步骤S12中生成的第一幅值谱中包括工频频谱和信号有用成分频谱，因此，通过判断工频频谱和有用成分频谱之间的距离来确定选用那种窗函数。具体地，当距离满足第一预设条件时，确定窗函数为矩形窗函数；当距离满足第二预设条件，确定窗函数为汉宁窗函数。其中，矩形窗函数主瓣窄、旁瓣多且旁瓣衰减慢，旁瓣峰值为-13dB，衰减速度为-6dB；汉宁窗函数主瓣宽、旁瓣特较少且旁瓣衰减快，旁瓣峰值为-31dB，衰减速度为-18dB；第一预设条件是距离小于等于预设值；第二预设条件大于预设值。预设值可以根据实际情况设定。例如，预设值设定为5Hz时，当距离小于等于5Hz时，确定窗函数为矩形窗函数；当距离大于5Hz时，确定窗函数为汉宁窗函数。本实施例通过工频频谱和信号有用成分频谱之间的实际距离来确定实际选用的窗函数，以充分利用不同窗函数的特性，提高后续工频信号计算的准确度。
S14、采用窗函数对振动信号进行离散处理，得到离散序列。
在本申请实施例中，通过步骤S13确定的窗函数对振动信号进行预设点数截断，以得到离散序列x(n)，x(n)＝x0(n)·w(n)。在对振动信号进行截断过程中，预设点数与振动信号的采样预设个数相等。
S15、对离散序列作FFT，生成第二幅值谱。
在本申请实施例中，对步骤S14中得到的离散序列x(n)作FFT后得到的幅值谱作为第二幅值谱。
S16、根据窗函数和第二幅值谱，采用插值方式确定振动信号的工频信号。
在本申请实施例中，通过以下方式确定振动信号的工频信号：
根据第二幅值谱确定工频频谱的主瓣。
当步骤S13中确定窗函数为矩形窗函数，根据主瓣计算所述插值方式的差值系数，其中，差值系数的计算公式如下：
Figure BDA0003069042270000061
其中，δ表示插值系数，hm表示所述主瓣上左侧线的幅值，hm+1表示所述主瓣上右侧线的幅值；
根据插值系数δ计算工频参数，其中，工频参数包括频率、幅值和相位，工频参数计算公式如下：
Figure BDA0003069042270000071
Figure BDA0003069042270000072
θ＝phase(hm)-π·δ-0.5π
其中，f表示工频参数的频率，fm表示所述主瓣上左侧线的频率，N表示所述振动信号内的数据点总个数，T表示采样间隔，A表示工频参数的幅值，θ表示工频参数的相位；
根据工频参数计算振动信号的工频信号。其中，工频信号的计算公式如下：
η(n)＝Acos(2πfn/N+θ/π·180)
η(n)表示工频信号，A表示工频参数的幅值，θ表示工频参数的相位，f表示工频参数的频率，N表示所述振动信号内的数据点总个数，n表示振动信号内的第n个数据点。
在另一些实施例中，上述实施例还可以通过以下方式实现：
根据第二幅值谱确定工频频谱的主瓣；
当步骤S13中窗函数为汉宁窗函数，根据主瓣计算所述插值方式的差值系数，其中，差值系数的计算公式如下：
Figure BDA0003069042270000073
其中，δ表示插值系数，hm表示所述主瓣上左侧线的幅值，hm+1表示所述主瓣上右侧线的幅值；
根据插值系数计算工频参数，其中，工频参数包括频率、幅值和相位，工频参数计算公式如下：
Figure BDA0003069042270000074
Figure BDA0003069042270000081
θ＝phase(hm)-π·δ-0.5π
其中，f表示工频参数的频率，fm表示所述主瓣上左侧线的频率，N表示所述振动信号内的数据点总个数，T表示采样间隔，A表示工频参数的幅值，θ表示工频参数的相位；
根据工频参数计算所述振动信号的工频信号。其中，工频信号的计算公式如下：
η(n)＝Acos(2πfn/N+θ/π·180)
η(n)表示工频信号，A表示工频参数的幅值，θ表示工频参数的相位，f表示工频参数的频率，N表示所述振动信号内的数据点总个数，n表示振动信号内的第n个数据点。
本实施例通过选择不同的窗函数来计算工频信号，以提高计算结果的准确性。
S17、根据工频信号对振动信号进行工频干扰消除，得到工频消除后的振动信号。
在本申请实施例中，通过对振动信号与工频信号进行作差后得到差值信号；然后将差值信号作为工频消除后的振动信号，即得到工频消除后的振动信号。
在一些实施例中，将上述实施例应用于实际处理过程，其具体包括：
步骤一、以fs＝1024Hz的采样频率采集N＝1024个数据点后，得到如图4所示波形的振动信号x0(t)。
步骤二、将图4所示的振动信号作FFT，生成图5所示的幅值频谱图。由幅值谱判断工频频谱和信号有用成分频谱之间的距离，由图5可以看到，箭头所指向的区域内有两根谱线，左侧一根谱线对应于工频频谱，频谱值为50Hz左右；右侧一根谱线对应于信号有用成分频谱，频谱值为65Hz左右；二者的频谱距离约为16Hz，大于5Hz，因此选用汉宁窗函数比较合适。
步骤三、用汉宁窗函数w(n)对振动信号x0(t)进行N点截断，得到离散序列x(n)，x(n)＝x0(t)·w(n)。
步骤四、对已加窗的振动信号x(n)作FFT后生成如图6所示的幅值谱。由图6的幅值谱得到工频信号对应的主瓣，主瓣如图6中箭头指向所示。工频信号的主瓣上左侧谱线的幅值hm为0.0024；工频信号主瓣上右侧谱线的幅值hm+1为0.0038；工频信号主瓣上左侧谱线的频率fm为49.048；工频信号主瓣上右侧谱线的频率fm+1为50.049；hm对应的相位phase(hm)为-11.8029°。
步骤五、根据确定的汉宁窗函数确定插值方式，应用插值方式计算出工频参数，幅值为0.007702，频率为49.883141，相位为18.018403°。由工频参数可以得到工频成分的表达式，其中工频信号η(n)表示如下公式：
η(n)＝0.007702·cos(2π·49.88314·n/1024+18.01843/π·180)
其中，n＝0,1,2,...,1023。
步骤六、从振动信号x0(t)中减去工频信号η(n)，即得到工频干扰消除后的振动信号，该信号用
Figure BDA0003069042270000091
表示，具体如下：
Figure BDA0003069042270000092
对工频干扰消除后的振动信号
Figure BDA0003069042270000093
作FFT后，得到如图7所示的幅值谱。从图7可知，工频干扰被有效消除，而相邻成分不受影响，同滤波器的方法相比，本实施例具有明显的优势。
本发明实施例提供了一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除系统，包括：
获取模块，用于获取待处理的振动信号；
第一FFT处理模块，用于对振动信号作FFT，生成第一幅值谱；
第一确定模块，用于根据第一幅值谱确定窗函数；
离散处理模块，用于采用窗函数对振动信号进行离散处理，得到离散序列；
第二FFT处理模块，用于对离散序列作FFT，生成第二幅值谱；
第二确定模块，用于根据窗函数和所述第二幅值谱，采用插值方式确定振动信号的工频信号；
工频干扰消除模块，用于根据工频信号对振动信号进行工频干扰消除，得到工频消除后的振动信号。
本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
本发明实施例提供了一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除系统，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载程序以执行图3所示的基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法。
本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行图3所示的基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图3所示的方法。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待处理的振动信号；
对所述振动信号作FFT，生成第一幅值谱；
根据所述第一幅值谱确定窗函数；
采用所述窗函数对所述振动信号进行离散处理，得到离散序列；
对所述离散序列作FFT，生成第二幅值谱；
根据所述窗函数和所述第二幅值谱，采用插值方式确定所述振动信号的工频信号；
根据所述工频信号对所述振动信号进行工频干扰消除，得到工频消除后的振动信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法，其特征在于，所述获取待处理的振动信号，包括：
确定采样频率；
采用所述采样频率采集预设个数的数据点，组成振动信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法，其特征在于，所述采用所述窗函数对所述振动信号进行离散处理，包括：
采用所述窗函数对所述振动信号进行预设点数截断，所述预设点数与所述预设个数相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法，其特征在于，所述根据所述第一幅值谱确定窗函数，包括：
判断所述第一幅值谱内工频频谱和有用成分频谱的距离；
当所述距离满足第一预设条件，确定窗函数为矩形窗函数；
当所述距离满足第二预设条件，确定窗函数为汉宁窗函数。
5.根据权利要求4所述的一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法，其特征在于，所述根据所述窗函数和所述第二幅值谱，采用插值方式确定所述振动信号的工频信号，包括：
根据所述第二幅值谱确定工频频谱的主瓣；
当所述窗函数为矩形窗函数，根据所述主瓣计算所述插值方式的差值系数，所述差值系数的计算公式如下：
Figure FDA0003069042260000011
其中，δ表示插值系数，hm表示所述主瓣上左侧线的幅值，hm+1表示所述主瓣上右侧线的幅值；
根据所述插值系数计算工频参数，所述工频参数计算公式如下：
Figure FDA0003069042260000021
Figure FDA0003069042260000022
θ＝phase(hm)-π·δ-0.5π
其中，f表示工频参数的频率，fm表示所述主瓣上左侧线的频率，N表示所述振动信号内的数据点总个数，T表示采样间隔，A表示工频参数的幅值，θ表示工频参数的相位；
根据所述工频参数计算所述振动信号的工频信号。
6.根据权利要求4所述的一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法，其特征在于，所述根据所述窗函数和所述第二幅值谱，采用插值方式确定所述振动信号的工频信号，包括：
根据所述第二幅值谱确定工频频谱的主瓣；
当所述窗函数为汉宁窗函数，根据所述主瓣计算所述插值方式的差值系数，所述差值系数的计算公式如下：
Figure FDA0003069042260000023
其中，δ表示插值系数，hm表示所述主瓣上左侧线的幅值，hm+1表示所述主瓣上右侧线的幅值；
根据所述插值系数计算工频参数，所述工频参数计算公式如下：
Figure FDA0003069042260000024
Figure FDA0003069042260000025
θ＝phase(hm)-π·δ-0.5π
其中，f表示工频参数的频率，fm表示所述主瓣上左侧线的频率，N表示所述振动信号内的数据点总个数，T表示采样间隔，A表示工频参数的幅值，θ表示工频参数的相位；
根据所述工频参数计算所述振动信号的工频信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法，其特征在于，所述根据所述工频信号对所述振动信号进行工频干扰消除，得到工频消除后的振动信号，包括：
对所述振动信号与所述工频信号进行作差，得到差值信号；
将所述差值信号作为工频消除后的振动信号。
8.一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待处理的振动信号；
第一FFT处理模块，用于对所述振动信号作FFT，生成第一幅值谱；
第一确定模块，用于根据所述第一幅值谱确定窗函数；
离散处理模块，用于采用所述窗函数对所述振动信号进行离散处理，得到离散序列；
第二FFT处理模块，用于对所述离散序列作FFT，生成第二幅值谱；
第二确定模块，用于根据所述窗函数和所述第二幅值谱，采用插值方式确定所述振动信号的工频信号；
工频干扰消除模块，用于根据所述工频信号对所述振动信号进行工频干扰消除，得到工频消除后的振动信号。
9.一种基于加窗插值FFT的工频干扰消除系统，其特征在于，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-7任一项所述的基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-7任一项所述的基于加窗插值FFT的工频干扰消除方法。
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