一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪方法及裝置，所述方法包括下列步驟：定義移動窗函數(shù)對實際響應(yīng)信號a(i)進行FFT變換，確定實際響應(yīng)信號中各分量信息對應(yīng)的頻率f；確定所述移動窗函數(shù)的參數(shù)；利用上述參數(shù)確定的各移動窗函數(shù)，對實際響應(yīng)信號進行依次掃描，逐次分離出各頻段的分量信息和噪聲。本發(fā)明是基于移動窗函數(shù)的信號分離技術(shù)，可以有效分離出各分量信息，對采集信號基于上述去高頻留低頻的操作，對信號起到了很好的降噪的作用，具有操作簡單，分離信號和降噪效果明顯，提高了信號的信噪比，有效保留或分離出檢測者感興趣的信息。
【專利說明】
一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪方法及裝置，尤其是對橋梁結(jié) 構(gòu)的響應(yīng)信號的高低頻信號的分離與降噪，屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷檢測領(lǐng)域中，所測得的信號是多模態(tài)信號以及噪音的 混合疊加。在進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷識別時經(jīng)常須要進行響應(yīng)信號的信號分離和去噪， 即將響應(yīng)分解成各模態(tài)響應(yīng)分量以及噪聲分量。
[0003] 在這些分量信號中，通常僅有一個或者部分分量包含檢測者感興趣的信息。在此 條件下，對蘊含了多模態(tài)分量的信號進行分離與去噪，得到感興趣的分量信息，是一具有重 要意義的課題。多信號分離是現(xiàn)代信號處理中的一個重要研究方向，一直以來，如何從接收 到的信號（其包含多個信號）中分離，恢復(fù)出想要的信號是信號處理所研究的一個主要問 題。
[0004] 目前，這一問題通常采用盲信號分離。盲信號分離技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、雷 達、電子對抗、生物醫(yī)學(xué)信號處理、語音信號處理和計量經(jīng)濟學(xué)等領(lǐng)域。但是盲信號分離技 術(shù)需要特定的假設(shè)條件及計算繁雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于移動窗函數(shù)的信號 分離與去噪方法及裝置，通過分離結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)信號，得到檢測者感興趣的分量信息，并 同時分離去除信號中的噪音部分，起到降噪的目的。
[0006] 根據(jù)公開的實施例，本發(fā)明的第一方面提出了一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與 去噪方法，所述方法包括下列步驟：
[0007] S1、定義移動窗函數(shù)珂/)，定義式如下：
[0009] 其中，a(i)為每一個i時刻采集到的實際響應(yīng)信號，k定義為所述移動窗函數(shù)的跨 度；
[0010] S2、對實際響應(yīng)信號a(i)進行FFT變換，確定實際響應(yīng)信號中各分量信息對應(yīng)的頻 率f;
[0011] S3、確定所述移動窗函數(shù)即)的參數(shù)；
[0012] S4、利用上述參數(shù)確定的各移動窗函數(shù)，對實際響應(yīng)信號進行依次掃描，逐次分離 出各頻段的分量信息和噪聲。
[0013] 進一步地，所述步驟S3、確定所述移動窗函數(shù)鞏/)的參數(shù)具體如下：
[0014] S31、確定所述待分離的分量對應(yīng)的周期T，其確定關(guān)系如下：
[0016] S32、確定所述移動窗函數(shù)的跨度k，其確定關(guān)系式如下：
[0017] k = Tfs
[0018]其中fs為彳目號米樣頻率。
[0019] 進一步地，所述對實際響應(yīng)信號進行依次掃描，具體為：
[0020] 按照從最高頻對應(yīng)的移動窗函數(shù)開始的掃描順序?qū)嶋H響應(yīng)信號進行依次掃 描。
[0021] 根據(jù)公開的實施例，本發(fā)明的第二方面提出了一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與 去噪裝置，所述裝置包括下列模塊：
[0022] 移動窗函數(shù)模塊，用于定義移動窗函數(shù)鞏/)，定義式如下：
[0024]其中，a(i)為每一個i時刻采集到的實際響應(yīng)信號，k定義為所述移動窗函數(shù)的跨 度；
[0025] FFT變換處理模塊，用于對實際響應(yīng)信號a(i)進行FFT變換，確定實際響應(yīng)信號中 各分量信息對應(yīng)的頻率f;
[0026] 參數(shù)確定模塊，用于確定所述移動窗函數(shù)砑〇的參數(shù)；
[0027] 掃描分離模塊，用于利用上述參數(shù)確定的各移動窗函數(shù)，對實際響應(yīng)信號進行依 次掃描，逐次分尚出各頻段的分量信息和噪聲。
[0028]進一步地，所述參數(shù)確定模塊包括：
[0029]第一確定單元，用于確定所述待分離的分量對應(yīng)的周期T，其確定關(guān)系如下：
[0031] 第二確定單元，用于確定所述移動窗函數(shù)的跨度k，其確定關(guān)系式如下：
[0032] k = Tfs
[0033] 其中fs為彳目號米樣頻率。
[0034] 進一步地，所述掃描分離模塊具體工作過程如下：
[0035] 按照從最高頻對應(yīng)的移動窗函數(shù)開始的掃描順序?qū)嶋H響應(yīng)信號進行依次掃 描。
[0036] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：
[0037] 1)本發(fā)明是基于移動窗函數(shù)的信號分離技術(shù)，可以有效分離出各分量信息；
[0038] 2)本發(fā)明對采集信號基于上述去高頻留低頻的操作，對信號起到了很好的降噪的 作用。
[0039] 3)本發(fā)明提出的方法，操作簡單，分離信號和降噪效果明顯，提高了信號的信噪 比，有效保留或分離出檢測者感興趣的信息。
【附圖說明】
[0040] 圖1是實施例一中提出的基于移動窗函數(shù)的信號分離去噪方法的流程步驟圖；
[0041] 圖2是實施例一中提出的基于移動窗函數(shù)的信號分離去噪方法的原理圖；
[0042]圖3是實施例一中實際測得的橋梁響應(yīng)信號的FFT頻譜結(jié)果；
[0043] 圖4是實施例一中分離出的噪音和高頻信號分量；
[0044] 圖5是實施例一中分離出的次頻分量；
[0045] 圖6是實施例一中保留的較低頻信息；
[0046] 圖7是實施例一中分離出的第三個分量；
[0047] 圖8是實施例一中最后一次掃描保留的分量。
[0048] 圖9是實施例二中提出的基于移動窗函數(shù)的信號分離去噪裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0049] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對 本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用 于限定本發(fā)明。
[0050] 實施例一
[0051] 如圖1所示，圖1為基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪方法的流程步驟圖，掃描原 理示意圖如圖2所示，具體實施過程如下：
[0052] S1、定義移動窗函數(shù)珂/);
[0053] 基于采集到的實際的響應(yīng)信號，每一個i時刻對應(yīng)的信號為a(i)，窗函數(shù)定義為： 刃/)為其鄰近信號的均值，確切來說是a(i)兩邊相同長度信號的時刻的均值，即：
(1)
[0055] 其中，k定義為移動窗函數(shù)的跨度，k取值為：
[0056] k = Tfs (2)
[0057]其中T是待分離的分量對應(yīng)的周期，fs為信號采樣頻率。
[0058] S2、對實際響應(yīng)信號a(i)進行FFT變換，確定實際響應(yīng)信號中各分量信息對應(yīng)的頻 率；
[0059]具體應(yīng)用中，利用FFT變換，確定響應(yīng)信號的頻率，即確定信號的各分量信息對應(yīng) 的頻率，如圖3所示，分量頻率分別為1.12Hz，4.59Hz，而所占比例較弱的高頻信息(7.76Hz) 與噪音一并被分離出去，保留了低頻信息。
[0060] S3、確定所述移動窗函數(shù)坷/)的參數(shù)。
[0061] S31、確定所述待分離的分量對應(yīng)的周期T，其確定關(guān)系如下：
[0063] S32、確定所述移動窗函數(shù)的跨度k，其確定關(guān)系式如下：
[0064] k = Tfs
[0065]其中fs為彳目號米樣頻率。
[0066]具體應(yīng)用中，通過上述步驟中對實際響應(yīng)信號a(i)的FFT變換結(jié)果，確定所述待分 離的分量對應(yīng)的周期T，進而確定移動窗函數(shù)跨度參數(shù)k的具體值，假設(shè)利用FFT變換后某分 量頻率確定為f則其確定關(guān)系如下：
[0068] S4、利用上述確定好參數(shù)k的值的各移動窗函數(shù)，對實際響應(yīng)信號進行依次掃描， 逐次分離出各頻段的分量信息和噪聲，掃描順序為從最高頻對應(yīng)的窗函數(shù)開始。
[0069] S41、設(shè)實際響應(yīng)信號為a(i)，最高頻信息對應(yīng)的頻率為fn，窗函數(shù)跨度為k n，則此 次掃描分離出原信號頻段內(nèi)最高頻和噪音分量，保留了比fn更低頻的分量信息，第一次掃 描后得到的信息為：
(3)
[0071 ]則分離出的高頻微弱信息和噪音分量為：
[0072] /V(/)-?(/')-?,(/), (4)
[0073]如圖4所示為分離出的高頻和噪音分量，第一次掃描用的窗函數(shù)跨度為
[0075] S42、再次使用移動窗函數(shù)對％(〇進行掃描，此時的窗函數(shù)長度為：
[0076] kn-l = Tn-lfs, (5)掃描后的信號為：
(6)
[0078]因此第二個分量，即次頻分量被分咼出來，即為：
[0079] aAi) = n,(/), (7)
[0080] 如圖5所示，以及保留了較低頻分量信息的信號，如圖6所示。
[0081 ] S43、重復(fù)步驟S42，直到分離出全部分量。
[0082] 如圖7所示為分離出的第三個分量，以及最后一次掃描得到的分量如圖8所示。
[0083] 本實施例公開的基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪方法通過簡單的算法對健康 監(jiān)測系統(tǒng)測得的源信號直接進行計算，無需額外的假設(shè)條件，從而簡化了原本復(fù)雜的分析 建模過程，為算法節(jié)約了時間開銷，并且算法簡單，容易實現(xiàn)，分離效果良好。因此本方法可 為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷檢測提供一種簡便、快捷和準確有效的信號分離途徑。
[0084] 實施例二
[0085] 如圖9所示，圖9為基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪裝置的結(jié)構(gòu)框圖，該基于移 動窗函數(shù)的信號分離與去噪裝置包括下列模塊：
[0086] 移動窗函數(shù)模塊，用于定義移動窗函數(shù)珂/)，定義式如下：
[0088]其中，a(i)為每一個i時刻采集到的實際響應(yīng)信號，k定義為所述移動窗函數(shù)的跨 度；
[0089] FFT變換處理模塊，用于對實際響應(yīng)信號a(i)進行FFT變換，確定實際響應(yīng)信號中 各分量信息對應(yīng)的頻率f;
[0090] 參數(shù)確定模塊，用于確定所述移動窗函數(shù)的參數(shù)；
[0091] 掃描分離模塊，用于利用上述參數(shù)確定的各移動窗函數(shù)，對實際響應(yīng)信號進行依 次掃描，逐次分尚出各頻段的分量信息和噪聲。
[0092]其中，所述參數(shù)確定模塊包括：
[0093]第一確定單元，用于確定所述待分離的分量對應(yīng)的周期T，其確定關(guān)系如下：
[0095] 第二確定單元，用于確定所述移動窗函數(shù)的跨度k，其確定關(guān)系式如下：
[0096] k = Tfs
[0097]其中fs為信號采樣頻率。
[0098] 其中，所述掃描分離模塊具體工作過程如下：
[0099] 按照從最高頻對應(yīng)的移動窗函數(shù)開始的掃描順序?qū)嶋H響應(yīng)信號進行依次掃 描。
[0100] 值得注意的是，上述裝置實施例中，所包括的各個模塊和單元只是按照功能邏輯 進行劃分的，但并不局限于上述的劃分，只要能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能即可；另外，各模塊和單 元的具體名稱也只是為了便于相互區(qū)分，并不用于限制本發(fā)明的保護范圍。
[0101] 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟： 51、 定義移動窗函數(shù)刮O，定義式如下：其中，a(i)為每一個i時刻采集到的實際響應(yīng)信號，k定義為所述移動窗函數(shù)的跨度； 52、 對實際響應(yīng)信號a( i)進行FFT變換，確定實際響應(yīng)信號中各分量信息對應(yīng)的頻率f; 53、 確定所述移動窗函數(shù)巧0的參數(shù)； 54、 利用上述參數(shù)確定的各移動窗函數(shù)，對實際響應(yīng)信號進行依次掃描，逐次分離出各 頻段的分量信息和噪聲。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪方法，其特征在于，所 述步驟S3、確定所述移動窗函數(shù)W/)的參數(shù)具體如下： 531、 確定所述待分離的分量對應(yīng)的戶WT#呵定關(guān)系如下： 532、 確定所述移動窗函數(shù)的跨度k，其確定關(guān)系式如下： k = Tfs 其中fs為信號采樣頻率。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪方法，其特征在于，所 述對實際響應(yīng)信號進行依次掃描，具體為： 按照從最高頻對應(yīng)的移動窗函數(shù)開始的掃描順序?qū)嶋H響應(yīng)信號進行依次掃描。4. 一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪裝置，其特征在于，所述裝置包括下列模塊： 移動窗函數(shù)模塊，用于定義移動窗函數(shù)巧^ /擊義式如下：其中，a(i)為每一個i時刻采集到的實際響應(yīng)信號，k定義為所述移動窗函數(shù)的跨度； FFT變換處理模塊，用于對實際響應(yīng)信號a(i)進行FFT變換，確定實際響應(yīng)信號中各分 量信息對應(yīng)的頻率f; 參數(shù)確定模塊，用于確定所述移動窗函數(shù)馬巧的參數(shù)； 掃描分離模塊，用于利用上述參數(shù)確定的各移動窗函數(shù)，對實際響應(yīng)信號進行依次掃 描，逐次分離出各頻段的分量信息和噪聲。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪裝置，其特征在于，所 述參數(shù)確定模塊包括： 第一確定單元，用于確定所述待分離的分量對應(yīng)的周期T，其確定關(guān)系如下：第二確定單元，用于確定所述移動窗函數(shù)的跨度k，其確定關(guān)系式如下： k=Tfs 其中fs為信號采樣頻率。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于移動窗函數(shù)的信號分離與去噪裝置，其特征在于，所 述掃描分離模塊具體工作過程如下： 按照從最高頻對應(yīng)的移動窗函數(shù)開始的掃描順序?qū)嶋H響應(yīng)信號進行依次掃描。
【文檔編號】G01N29/46GK105911153SQ201610218316
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】聶振華, 馬宏偉, 武靜
【申請人】暨南大學(xué)