基于LabVIEW的震動(dòng)信號(hào)時(shí)頻域分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：以地下爆炸產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)為研究對(duì)象，基于LabVIEW軟件，主要設(shè)計(jì)軟件模塊完成信號(hào)時(shí)域、頻域、時(shí)頻域分析。整個(gè)軟件采用自頂向下集成的模塊化編程思路，大大提高了軟件的執(zhí)行效率和可擴(kuò)展性。測(cè)試表明，該軟件系統(tǒng)可以很好的應(yīng)用于震動(dòng)信號(hào)分析方面。

關(guān)鍵詞：震動(dòng)信號(hào)；時(shí)頻域分析；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際震動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)中，獲取的震動(dòng)信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào)。直接些信號(hào)進(jìn)行觀察分析往往不能滿足們的需求，很多信號(hào)的特征也不能直觀的被顯示出來。因此，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析則成了研究的重點(diǎn)課題。時(shí)域分析可以直觀的給出信號(hào)在時(shí)域的特征，頻域分析可以給出信號(hào)在頻域的特征，時(shí)頻域聯(lián)合分析可以從圖中分析信號(hào)時(shí)域與頻域之間的聯(lián)系。這些往往對(duì)信號(hào)的特征提取分析有著重要的作用。在地下采集到的震動(dòng)信號(hào)，往往由于傳播介質(zhì)的復(fù)雜性，使其含有大量的噪聲信號(hào)或者和其他不明成分，對(duì)后續(xù)震源位置定位有著重要的影響。因此，文章以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)頻域分析模塊，對(duì)震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的分析，為后續(xù)的震源定位提供良好的分析條件。

1 軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的軟件要良好遵從的界面交互性、軟件可移植性、開放性等原則。文章基于LabVIEW開放平臺(tái)，其具有計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺(tái)，跟其他編程語言相比，其具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）虛擬儀器具有良好的擴(kuò)展性能，能實(shí)時(shí)根據(jù)需要完成軟件的擴(kuò)展。（2）由于虛擬儀器測(cè)控測(cè)試技術(shù)，其能與硬件很好連接，工程上經(jīng)常用硬件開發(fā)平臺(tái)，利用虛擬儀器作為上位機(jī)完成相應(yīng)的項(xiàng)目。（3）虛擬儀器是強(qiáng)大的圖形化語言，可以直觀方面的供開發(fā)人員開發(fā)程序。設(shè)計(jì)軟件從功能劃分為時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻域分析。時(shí)域分析又包括濾波功能，頻域分析包括FFT功能，時(shí)頻域分析包括小波去噪功能。

2 軟件詳細(xì)功能設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)域分析

時(shí)域分析是主要是根據(jù)分析信號(hào)的特點(diǎn)，有些特點(diǎn)我們不能直觀的看出來，因此時(shí)域分析要根據(jù)信號(hào)時(shí)間信息來獲得相應(yīng)的特征 [1]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)域分析包括濾波功能。

濾波功能模塊設(shè)計(jì)：軟件設(shè)計(jì)的濾波有Butterworth濾波器、Chebshev濾波器、橢圓濾波器、貝賽爾濾波器。

（1）巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是其時(shí)頻域曲線較為平臺(tái)，沒有較大的起伏，在阻帶內(nèi)從最高點(diǎn)慢慢下降至零。（2）切比雪夫?yàn)V波和理想濾波的頻率幅值響應(yīng)曲線相互誤差系數(shù)為最小，但是在其頻率的通頻帶內(nèi)存在幅度上下波動(dòng)。（3）橢圓濾波器相比其他類型的濾波器，在系數(shù)階數(shù)相同的條件下有著很小通頻帶和阻帶輕微波動(dòng)。（4）貝賽爾（Bessel）濾波器是具有最大平坦值的群延遲（線性相位響應(yīng)）的線性過濾器。貝賽爾濾波器通常應(yīng)用在音頻聲響系統(tǒng)中。貝賽爾濾波容易造成真?zhèn)€區(qū)域內(nèi)的群延遲。

上述濾波器的實(shí)現(xiàn)，可以通過調(diào)用LabVIEW中的函數(shù)。用戶則通過設(shè)置高低截止頻率，濾波器的類型完成對(duì)信號(hào)的濾波操作。

2.2 頻域分析

FFT功能模塊設(shè)計(jì)：FFT是一種DFT的高效算法，稱為快速傅立葉變換（fast Fourier transform），它根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。在編寫該功能模塊時(shí)，可以調(diào)用LabVIEW中的FFT功能函數(shù)。用戶則可以通過設(shè)置FFT的頻率來分析信號(hào)。

2.3 時(shí)頻域分析

小波閾值去噪：由于爆炸產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)，通常工程上所用的信號(hào)去噪方法包括傅里葉變換、維納濾波、卡爾曼濾波、自適應(yīng)濾波等，其都要求信號(hào)是線性的，并不適于震動(dòng)信號(hào)這樣的非平穩(wěn)信號(hào)[2]。小波去噪的思想：震動(dòng)信號(hào)經(jīng)過若干層小波變換后，在幅值較大、數(shù)量較少數(shù)幾個(gè)小波系數(shù)上集中其大部分的能量；而噪聲經(jīng)過小波變換后，在其高頻信息則主要集中了噪聲的特征，其能量值主要分布于幅值很小、小波系數(shù)較多的幾個(gè)小波系數(shù)上。根據(jù)上述特點(diǎn)，得出噪聲的小波系數(shù)值必然小于信號(hào)的小波系數(shù)值。因此，根據(jù)以上分析，軟件使用利用小波閾值變換能夠有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)與噪聲的分離[3]。

在軟件設(shè)計(jì)中，該小波去噪模塊主要通過LabVIEW和MathScript結(jié)合完成對(duì)信號(hào)的消噪設(shè)計(jì)。

3 軟件界面效果圖

根據(jù)上述功能的實(shí)現(xiàn)，編寫了軟件界面圖如圖1所示。用戶通過設(shè)定采樣頻率、小波分解層數(shù)、小波的類型、低通截止頻率、高通截止頻率以及濾波的類型，得出相應(yīng)的波形信號(hào)圖。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)主要針對(duì)震動(dòng)信號(hào)分析處理為目的，設(shè)計(jì)功能模塊完成對(duì)信號(hào)分析處理。為后續(xù)震動(dòng)信號(hào)的定位提供了良好的前提。

參考文獻(xiàn)

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[3]唐進(jìn)元，等.一種新的小波閾值函數(shù)及其在振動(dòng)信號(hào)去噪分析中的應(yīng)用[J].振動(dòng)與沖擊，2009（28）：118-121.

作者簡介：宋璐（1990-），女，山西太原人，碩士研究生，主要從事通信與信息系統(tǒng)方向的研究。