LabVIEW中的信号处理从时域、频域到空域

s2(t)
M3 s3(t)
延时-叠加
y (t ) = ∑ sm (t + τ m ) ≈ Ms0 (t )
m =0
M −1
τ
M0 s0(t)
θ
M1 r M2
d s1(t)
s2(t)
M3 s3(t)
麦克风越多, 空间分辨率越高
5 个麦克风
9 个麦克风
空间混叠原理
r
θ
M0 d M1 M2 M3
d≤
STFT: 傅里叶变换加一个 滑动的“时间窗” ， 使得傅里叶变换有 了时间轴。
应用实例——雷达信号处理
信号完全被干扰淹没
应用实例——雷达信号处理(续)
ms
重构信号
frequency
time
应用实例——多普勒超声血液流速测量
血管中不同部位血液流速不同，并随时间变化； 多普勒超声和血流速度成正比。
说明
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小波分析
• 小波变换对信号或图 像进行多尺度多分辨 率分析，获得信号或 图像的特征，特别是 短时瞬态特征，如峰、 谷、边缘、隐藏于稳 态信号中的突变等
恢复的失调信号 失调的引擎点火信号被淹没
应用实例——原油管道监测系统
准确定位漏油点
更多小波分析的应用
• 信号、图像压缩 • 非连续点检测 • 峰(谷)值检测 • • • • 信号降噪 图像边缘检测 信号、图像融合 ….
LabVIEW中的信号处理 从时域、频域到空域
DSP工程师 倪斌
议程
• 常用信号处理、分析方法 • 时变信号的时频分析以及LabVIEW实 现 • 空域信号处理
– 原理 – 应用
数字信号处理
从抽象的数字中提取感兴趣的事物的特征
1. 选择最合适的表达方式（映射） 2. 特征提取（各类参数法）
时域的信号处理、分析方法
20mph，2kHz噪声分布
磁悬浮列车
运动中高速磁浮列车的噪声分布
速度: 16km/h 测量距离: 6.8m SM Instruments Co., Ltd
运动中高速磁浮列车的噪声分布
波音公司对于飞机噪声的测量
• 323 个麦克风 • 499 航次 • 测试了几乎所有的机型
波音技术研究中心，西班牙分部 (由荷兰国家航空实验室测量)
变换域的信号处理、分析方法
频率域
时间域 小波 时频联合域
传统频域处理方法的局限性
• 只适合处理时不变信号，不适合时变信号分析 • 不能分离出在不同时间点的相同频率 • 忽略突变信号，比如一次瞬时振动等
时变信号的典型处理方法
类型 I
信号特征：
类型 II
信号特征：
频率
频率
时间
分析方法： 分析方法：
787
1950
1960 Entry into service
1970
1980
1990
2000
2010
2020
• 噪声分布
2000 Hz
95 dB
• 空域信号处理
– 确定噪声源 – 区分不同类型的噪声
90 dB
空域信号处理的基础 —— 麦克风阵列
• 什么是麦克风阵列? • 它是如何工作的? • NI麦克风阵列的应用
空域信号处理 —— 噪声源定位
噪声越来越小，油耗越来越少
B-52 720 707-100 Comet 4 CV990A CV880-22 DC8-20 BAC-11
DC8-61 707-300B
Sound level
DC9-10 737-100 737-200 727-200 727-100 747-100 747-300 MD-80 A320-100 747-200 A321 A300B2 DC10-10 A310-300 747-400 A330 DC10-30 A340 737-300 MD-11 BAe L-1011 777 146-200
λmin
2
=
1 2 f max
λ s0(t0) s1(t0) s2(t0) s3(t0)
空间混叠实例
beam pattern
90 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 180 -40
beam pattern
90 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 180 -40
噪声源分布
改进后的整流罩
机翼的改进
NI为麦克风阵列试验提供了强大的 解决方案
• 易于使用 • 基于LabVIEW平台 • • • • 集成数据采集部分 集成照片对齐与麦克风校正工具 集成完整的空域分析工具 自定义算法
基于 LabVIEW 的设计模版 （一）
基于 LabVIEW 的设计模版 （二）
时间
联合时频分析
小波分析
LabVIEW信号处理工具包(ASPT)
• 功能
– 联合时频分析(JTFA) – 小波分析 – 时间序列分析
联合时频分析
—— 短时傅立叶变换 (STFT)
STFT: 傅里叶变换加一个 滑动的“时间窗” ， 使得傅里叶变换有 了时间轴。
联合时频分析
—— 短时傅立叶变换 (STFT)
试验步骤
设计与仿真
配置与调试
数据采集
分析与验证
例子: 旋转机械故障仿真器
旋转机械故障仿真器可以 模拟各种机械故障。 在旋转的圆盘上放置了几 个螺帽来模拟不平衡的轴 承旋转。
麦克风阵列系统配置
z
总结
提问
270
270
信号频率: 3kHz 波长: 0.11m
信号频率: 6kHz 波长: 0.057m
使用16个麦克风的线性阵列, 间隔0.05m
麦克风阵列 –声音像机
• • • • • 减少车辆产生的噪声 识别不同设备中的主要噪声源 减少低空飞行引起的噪声 超标监测 ……
保时捷911经过时的噪声
40mph，1kHz噪声分布
一维麦克风阵列
一维线性定位
二维麦克风阵列
二维平面定位
空间滤波实例-烘干机噪声源
麦克风阵列 —— 一维等间距阵列
M0
sm (t ) ≈ s0 (t − τ m ) τ 0 = 0
τ m = mτ τ = γ sound speed ≈ d sin θ 340
τ
s0(t)
θ
M1 r M2
d s1(t)
小结
• 传统的信号处理方式
– 时域 – 频域
频率域
• 时频联合分析 • 小波分析
时间域 小波 时频联合域
空域信号处理
频率域 频率域 频率域 时间域 时间域 时间域 小波 时频联合域 小波 时频联合域 小波 时频联合域
道 通 （
频率域
时间域 小波 时频联合域
空
域 间
）
多
单通道的时频域信号处理
多通道的时频域信号处理 空域信号处理
小波分析小波变换对信号或图像进行多尺度多分辨率分析获得信号或图像的特征特别是短时瞬态特征如峰谷边缘隐藏于稳态信号中的突变等恢复的失调信号失调的引擎点火信号被淹没应用实例原油管道监测系统准确定位漏油点更多小波分析的应用小波分析频率域时频联合域时间域空域信号处理频率域时频联合域时间域频率域时频联合域时间域频率域时频联合域时间域频率域时频联合域单通道的时频域信号处理多通道的时频域信号处理空域信号处理空域信号处理噪声源定位b52707100dc820cv990acv88022bac11dc910dc861737100737200727100727200747100747200dc1010l1011a300b2md80747300747400737300a320100a321a330a340md11777a310300bae146200dc1030comet720entryservice19501960197019801990200020102020707300bsoundlevel787噪声越来越小油耗越来越少2000hz95db90db区分不同类型的噪声空域信号处理的基础麦克风阵列ni麦克风阵列的应用一维麦克风阵列一维线性定位空间滤波实例烘干机噪声源二维麦克风阵列二维平面定位麦克风阵列一维等间距阵列340sinspeedsound麦克风越多空间分辨率越高个麦克风空间混叠原理maxmin信号频率