现代信号处理第八章基于emd的时频分析方法及其应用
51页1、现代信号处理技术及应用 第八章 基于EMD的时频分析方法及其应用 西安交通大学机械工程学院研究生学位课程 2019/11/23机械工程及自动化研究所 第八章 基于EMD的时频分析方法及其应用 8.1 EMD的基本理论和算法 8.2 EMD实用化技术研究 8.3 基于EMD的Laplace小波结构模态参数识别方 法研究 8.4 EMD方法在机械设备故障诊断中的应用 8.1 EMD的基本理论和算法 w8.1.1 EMD方法的基本概念 w8.1.2 EMD方法的基本原理 w8.1.3 EMD方法的完备性和正交性 w8.1.4基于EMD的Hilbert变换(HHT)的基本 原理和算法 瞬时频率的概念 时间序列 的Hilbert变换为: 构造解析函数 其中幅值函数 相位函数 相位函数的导数即为瞬时频率 (8.1.2) (8.1.1) (8.1.3) (8.1.5) (8.1.4) (8.1.6) 瞬时频率的概念 (8.1.7) (8.1.8) (8.1.10) (8.1.9) (8.1.11) 然而按上述定义求解的瞬时频率在某些情况下是有问题的 ,考虑如 下信号 这个信号是解析的,按式(8.1.
2、3)和(8.1.4)可以求解其相位和幅值,得到 假设信号幅值是恒定的,频率是正的,信号的频谱 瞬时频率的概念 当两个正弦频率取 , 两个频率时,幅值的取值不同 ,其瞬时频率亦有很大的不同。如图8.1.1(a)所示 , ,时 ,其瞬时频率是连续的。而在图8.1.1(b)中, , ,虽然信 号是解析的,瞬时频率却出现了负值。 而我们已知信号的频率是离散的和正的。可见,对任一信号做 简单的Hilbert变换可能会出现无法解释的频率成分。 图8.1.1 两个正弦波叠加的瞬时频率 (a) (b) 基本模式分量 (IMF)的概念 Norden E. Huang等人对瞬时频率进行深入研究后发现,只有满 足一定条件的信号才能求得具有物理意义的瞬时频率,并将此类信 号称之为基本模式分量 (IMF)。 基本模式分量需要满足的两个条件为: 在整个数据序列中,极值点的数量(包括极大值点和极小 值点) 与过零点的数量必须相等,或最多相差不多于一个 。 在任一时间点上,信号局部极大值确定的上包络线和局 部极小值确定的下包络线的均值为零。 同时还提出了将任意信号分解为基本模式分量组成的经验模式分 解方法(Empir
3、ical MODE Decomposition,EMD) 基本模式分量 (IMF)的概念 图8.1.2 一个典型的基本模式分量 图8.1.2所示,是一个纯调频调幅正弦波,它满足上述两 个条件,是一个典型的基本模式分量。 EMD方法的基本原理和算法 图中曲线:黑色原始信号, 蓝色上包络线 红色下包络线, 粉色包络线均值 第一步 确定时间序列 的所有局部极值点,然后将所有极大值 点和所有极小值点分别用样条曲线连接起来,得到 的上、下包 络线。记上、下包络线的均值为 EMD方法的基本原理和算法 第二步:用原始时间序列 减去包络线的均值 ,得到 , 检测 是否满足基本模式分量的两 个 条件。如果不满足,使 作为待处理数据,重复第一步, 直至 是一个基本模式分量,记 第一个基本模式分量 EMD方法的基本原理和算法 第三步 用原始时间序列 分解出第一个基本模式分量 之后,用 减去 ,得到剩余值序列 。 把 当作一个新的 “原始序列”,重复上述步骤,依次提取出 第2、第3、直至第n个基本模式分量。最后剩下原始信号的余项 剩余值序列 由此,时间序列 可表示成n个基本模式分量 和一个余项 的和,即: (
4、8.1.17) EMD分解过程停止准则 w理论准则 n当最后一个基本模式分量 或剩余分量 ,变得比预期值 小时便停止; n当剩余分量 变成单调函数,从而从中不能再筛选出基 本模式分量为止 w实际准则 n筛选过程的停止准则可以通过限制两个连续的处理结果 之间的标准差 的大小来实现,通常取 0.20.3 EMD方法的完备性和正交性 信号分解方法的完备性就是指把分解后的各个分量相加就 能获得原信号的性质。通过经验模式分解方法的过程,方 法的完备性已经给出,如式(8.1.17)所示。 到目前为止,经验模式分解的正交性在理论上还难以严格 地进行证明17,只能在分解后在数值上进行检验。 文献2 和11分别用某一齿轮箱的振动信号和某一风波信 号模式分解的正交性进行了检验,结果证明EMD方法基本上 是正交的,或者称是近似正交的。 EMD方法的完备性 表征整体正交性的指标IO(Index of Orthogonal)定义为 OR EMD方法的完备性和正交性 图8.1.5 小波变换与EMD方法划分信号频带 (a)小波变换二进划分信号频带(b)EMD方法自适应划分信号频带 常用的二进小波在对信号进行分解时,
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