旋转机械振动信号压缩小波基优化选取方法

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旋转机械振动信号压缩小波基优化选取方法

第3 3卷第 3期 2 0 1 3年 6月

振动、测试与诊断 J o u r n a l o f Vi b r a t i o n. Me a s u r e me n t& Di a g n o s i s

Vo 1 . 3 3 NO . 3

J u n .2 0 1 3

旋转机械振动信号压缩小波基优化选取方法 翁浩， 高金吉 ( 1 .北京化工大学信息学院北京， 1 0 0 0 2 9 ) ( 2 .北京化工大学机电学院 北京， 1 0 0 0 2 9 )

摘要旋转机械在线状态监测和故障诊断系统中振动数据的实时存储和远程传输对数据压缩提出了较高的要求。 小波分析做为数据处理的常用方法，已被广泛地应用于数据压缩并取得了良好的效果。给出了振动信号的小波通用压缩方法，通过分析旋转机械振动信号的特点和小波函数几种重要属性对小波压缩的影响，提出了旋转机械振

动信号压缩过程中最优小波基的选择方法，并根据旋转机械实际故障信号比较了相应小波的压缩效果。结果表明，通过选择合适的小波基函数，可以有效提高重构信号的信噪比。对于旋转机械复杂突变类故障信号应选择低 分解消失矩，高重构正则性的双正交小波进行压缩。本研究方法和结论对旋转机械振动信号小波压缩的进一步研究有一定的参考作用。

关键词

旋转机械；振动信号；小波压缩；小波属性；最优小波基 TN9 1 1 . 4;TH1 6 5 . 3

中图分类号

械振动信号压缩过程中小波基的选取方法。

引言 1基于小波的阈值压缩方法 随着计算机网络的发展及企业设备管理水平的

提高，大型旋转机械振动信号的在线监测和诊断系 统正朝着多机网络化和远程诊断的方向发展 _ 1]。由于振动信号的数据量非常大，会对网络传输构成很大的压力，所以在传输前对旋转机械振动信号进行数据压缩，无论对减少传输时所用的带宽或减少存储容量，还是减少传输和存储时的出错，都具有重要意义。对于旋转机械振动信号的压缩，目前常用的压缩方法主要有数据稀化、正交变换和预测编码等]。其中，因为小波变换具有非常好的刻画时频 局部特

征的能力，所以特别适用于旋转机械振动信号的压缩。但是，可以用于小波变换的小波基有很多，旋转机械故障信号也是多种多样的，特别是复杂的突变类信号，含有丰富的高频分量。如何通过选

信号压缩编码的通用流程分为以下 3步：采样、

量化、编码。其中如果采样满足乃奎斯特定理，则每秒取样数已确定，那么数据率或信噪比将主要取决 于每个样值的量化过程。通过小波变换，最大化地

去除时域信号的相关性，并根据信号在不同子带内 的能量特点，分配不同比特以达到压缩总比特数的 目的。

2 0世纪 9 0年代初， D o n o h o提出了非线性小波

阈值的概念_ 5],其中心思想是在含噪信号小波分解后的各层系数中，对大于和小于某一阈值的小波系 数分别进行处理，然后再利用处理后得到的小波系

数重构原信号。阈值主要包括硬阈值和软阈值，其中阈值函数的选择十分关键，大量的文献给出了阈 值函数的选择方法 l 6 ],主要可分成以下 4种口：

择一个合适的小波基，在保证一定压缩比的前提下， 尽可能保留原始振动信号中完备的故障特征信息就 非常关键。紧支撑、消失矩、正则性、对称性及正交

a .固定阈值； b . S t e i n无偏似然估计阈值； e .启发式 阈值； d .极大极小阈值。 近年来，随着小波理论的不断发展，，又出现了很

性是小波的重要属性，也是进行小波基选取所参考的基本要素_ 4]。因此，笔者将首先给出小波压缩的通用方法，然后分析旋转机械振动信号的特点及小 波基的几个重要属性。通过以上分析，给出旋转机

多创新性的阈值压缩思想，如 B i r g e— Ma s s a r t策 略_】、均衡稀疏标准口引、去近零值口、保留特定能

量阈值法等_ 1、能量相关性阈值口 以及分层阈

* 国家自然科学基金资助项目( 5 1 1 3 5 0 0 1 ) 收稿日期： 2 0 1 1 - 0 9— 2 O;修改稿收到日期： 2 0 1 1 - 1 2— 2 3

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