一种旋转机械振动信号降噪的新方法研究

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（１ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｙｔ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００３，Ｃｈｉｎａ；２ＣｈｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓ＆ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００５３，Ｃｈｉｎａ；３ＨａｒｂｉｎＴｕｒｂｉｎｅＴｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｄｅ－ｎｏｓｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｏｆｒｏｔａｔｅｍａｃｈｉｎｅｙｒ．Ｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｅｄｕｃｔｉｏｎｎｏｉｓｅｉｎｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｂｙｏｐｅｎ－ｃｌｏｓｉｎｇａｎｄｃｌｏｓｅ－ｏｐｅｎｉｎｇｃｏｍｂｉｎｅｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌｆｉｌ－ｔｅｒｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｘａｍｐｌｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈｅｅｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｉｔｉｓｍｏｅｒｅｆｅｃｔｉｖｅｔｈａｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒｓｉｎｐｏｒｃｅｓｓｔｈｅｐｕｌｓｅｄｎｏｉｓｅｓ．
０前言
振动信号分析是旋转机械状态监测与诊断中应用最广泛的方法。随着振动测试精度的不断提高，对现场数据采集的要求也相应提高。但由于现场的复杂性，实际应用中，现
状特征，通过数学形态变换将一个复杂的信号分解为具有物理意义的各个部分，将其与背景剥离，同时保持信号主要的形状特征，要比传统的线性滤波更为有效。数学形态滤波
用的数字滤波器有时域平均法、基于傅立叶变换的滤波器及小波滤波器等。时域平均方法在具体实施过程中需要对大
本文根据旋转机械振动信号的特点，采用数学形态滤波器处理含噪声的振动信号，以期在有效消除信号噪声的同时保留原信号的全局和局部特征。通过仿真计算研究了数学形态滤波器对含有不同类型、不同强度噪声信号的降噪能
（１华北电力大学机械工程学院，保定０７１００３；２中国水利电力物资有限公司，北京１０００５３；
３哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨１５００４６）
摘要：提出了采用开一闭和闭一开组合数学形态滤波器处理旋转机械振动信号的新方法。研究了数学形态滤波器对含有不同类型、不同强度噪声的振动信号的处理方法。仿真计算及实验结果表明数学形态滤波器对振动信号有很好的滤波效果，特别是对于不明原因的脉冲干扰处理，比其它数字滤波器有明显的优势。关健词：数学形态学；旋转机械；滤波器；振动；噪声分类号：ＴＨ８２５文献标识码：：Ａ文章编号：１００１－５８８４（２００５）０３０－１９３０－３
ＳｔｕｄｙｏｎａＮｅｗＭｅｔｈｏｄｏｆＤｅ一ＮｏｉｓｉｎｇＶｉｂｒａｔｉｏｎＳｉｇｎａｌｓｏｆＲｏｔａｔｉｎｇＭａｃｈｉｎｅｒｙＨＵＡｉ－ｊｕｎｔ，ＷＵＺｈｉ－ｑｕａｎ２，ＬＩＨｏｎｇ－ｗｅｉ３，ＬＩＵＧｕｉ－ｇｉａｎｇ３，ＨＡＯＬｉ３
为了同时去除信号中正、负两种噪声，通常采用形态开、形态闭的级联形式。Ｐ．Ｍａｒａｇｏ。采用相同尺寸的结构元素，通过不同顺序级联开、闭运算，定义了形态开一闭（ｏｐｅｎ－
力，实践表明该方法能取得较好的效果。
量的数据进行处理，且要求有时标信息的支持；小波降噪技Ｉ数学形态滤波的基本原理术的降噪效果则在很大程度上取决于滤波器性能的优劣，１．１数学形态基本变换即选择不同的滤波器所得的降噪效果也有所区别。另外，常用数字滤波器由于基于时域、频域或时频域（如小波）构建，数学形态学是一种非线性图像（信号）处理和分析工具。存在着诸如时滞、相移等缺点；对于信号频率和噪声干扰的数学形态学以集合来描述目标信号，其思想是设计一个称作探针” （相当于滤波窗），收集信号的信息，通过频率重叠在一起的情况，基于频域构建的所有数字滤波器，结构元素的“ 该探针在信号中不断移动，对信号进行匹配，以达到提取信包括小波滤波器都无法将两者区分开来。数学形态学［ ‘ 〕（ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）是基于积分几号、保持细节和抑制噪声的目的。形态变换一般分为二值形态变换和多值形态变换（灰度变换）。全部形态变换包括７何和随机集论建立起来的有别于基于时域、频域的数学方本运算（２），即腐蚀、膨胀、开运算、闭运算、击中、细化和法‘这友法进丘值且处理旦丑取决于待处理信号的局部形种基
第４７卷第３期
２００５年６月
汽轮机技术
ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４７Ｎｏ．３
７ Байду номын сангаас ｕｎ．２００５
一种旋转机械振动信号降噪的新方法研究
胡爱军’ ，吴智泉２，李宏伟，，刘贵强，，郝力 ’
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｎｏｉｓｅ；ｆｉｌｔｅｒ；ｏｔｒａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙ
器［（Ｚ）在图像处理、形状分析、模式识别、计算机视觉等方面己得到广泛应用，应用于电力系统的信号分析［ ’ 〕也有一定的研
究。
场采集的数据往往被各种噪声污染，在某些情况下噪声干扰甚至大于实际的真实信号，信号降噪成为动态信号测试和设备故障诊断研究的重要内容。数字滤波器是振动信号预处理的常用手段，大多数场合已代替了传统的模拟滤波器。常
期：收稿日２００５０－５－１３作者简介：胡爱军（１９７１一），男，博士研究生，主要从事旋转机械振动测试与故障诊断方面的研究。
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汽轮机技术
第４７卷
粗化等。由于在振动信号分析中一般只涉及一维图像信号，本文只讨论一维离散情况下的灰度值形态变换，包括上述前４种变换及开、闭的级联组合。以下介绍基本形态运算在一维信号处理中的定义：
在旋转机械振动信号现场采集中经常存在随机脉冲干扰，对于此类干扰，工程上一般采用测量相邻采样值，取其差值作为判断依据的限幅滤波法来剔除脉冲，但阑值选择及剔除脉冲后相应数据点的替代值的选择均会给数据带来很大误差０设原始信号ｆ（ｎ）为定义在Ｆ二（０，１，－－－，Ｎ一１）上的离为考察形态滤波器对脉冲干扰的滤波效果，在ｘ（ｔ）中间散函数，定义序列结构元素盯ｎ）为‘ 二（０，１，．．．，Ｍ一１）上的隔一定时间，加人幅值为１０的正负脉冲干扰信号，未滤波的离散函数，且Ｎ－＞Ｍ，则ｆ（ｎ）关于以ｎ）的腐蚀和膨胀分别定信号波形及频谱如图１所示，图中纵坐标为无量纲幅值，时义为：下同）。从图中可以看出，由于脉（ｆｉｇ）（ｎ）二ｍｉｎ［ｆ（ｎ＋ｍ）一ｇ（ｍ）１（１）域波形横坐标为采样点数（冲有一定的周期性，频谱图中出现了二（ ‘ ）中没有的谐波分式中，ｍｅ０，１，－－－，Ｍ一１，并有分量与基频重合，使基频幅值增大，已不能反映信号（．ｆ（Ｄｇ）（ｎ）＝ｍａｘ［ｆ（ｎ一ｍ）＋ｇ（ｍ）〕（２）量，的真实状态。对于此情况，常用的滤波器已无法得到好的滤式中，ＭＥ０，１，－－－，Ｍ一ｔｏ波效果。选择长度为４的三角形结构元素，采用（７）式构造ｆ（ｎ）关于ｇ（ｎ）的开运算和闭运算分别定义为闭和闭一开组合形态滤波器，对信号进行形态滤波处理汀ｏｇ）（ｎ）二（州ｇｅｇ）（ｎ）（３）开一所示，时域图中实线为滤波后的汀・ｇ）（ｎ）二（．ｆ田ｇ吻）（ｎ）（４）后的时域波形及频谱如图２红色虚线为原始信号ｘ（ｔ）（下同）。这里符号。和・分别表示开运算和闭运算。开运算使目波形，可以看出，滤波后的波形完整再现了原始信号的时域及标轮廓光滑，并去掉毛刺和孤立点，它可以抑制信号中的峰值（正脉冲）噪声；闭运算则填平了小沟、弥合了孔洞和裂缝，频域特征。说明形态滤波取得了满意效果。可以滤除信号中的低谷（负脉冲）噪声。开、闭运算均具有低通特性，它们的组合可以用做形态学滤波。从以上定义还可以看出，形态变换的实现一般只包含布尔运算、加减法运算而不需要做乘法，计算简单，运行速度快，这是数学形态学的又一突出优点。１．２形态开、闭组合滤波器