摘要

　　目前，基于 Matlab 開(kāi)發(fā)的時(shí)頻分析軟件在大數據容量處理時(shí)存在計算顯示速度慢、執行效率低、界面延滯等問(wèn)題，比較適合算法研究和理論驗證，難以滿(mǎn)足實(shí)際工程分析需求。為了適應現場(chǎng)大容量數據的快速高效分析和參數識別，本文應用多線(xiàn)程、雙緩沖等高級編程技術(shù)，基于 Visual C++研制開(kāi)發(fā)了一款時(shí)頻分析軟件，實(shí)現了小波時(shí)頻濾波、小波模態(tài)參數識別及主頻分析等功能，該軟件系統具有運算速度快、執行效率高、操作簡(jiǎn)單靈活、性能穩定可靠等特點(diǎn)。

　　使用軟件分析現場(chǎng)實(shí)際數據，取得了較好的效果，為時(shí)頻分析理論成果轉化為實(shí)際工程應用提供了有力工具。

　　本文的主要研究工作如下：

　　（1）分析比較了現有常用的數值計算庫；應用多線(xiàn)程編程技術(shù)實(shí)現了大數據量長(cháng)時(shí)間計算時(shí)可以同時(shí)處理軟件界面操作響應，提高了軟件的操作實(shí)時(shí)交互性和友好性。

　　（2）采用雙緩沖技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于 Visual C++實(shí)用的快速圖形顯示控件 CPlotChartControl，該控件能實(shí)現大數據量圖形的快速顯示，可以顯示曲線(xiàn)圖、二維時(shí)頻圖及散點(diǎn)圖三種類(lèi)型的圖形，并提供了圖形拷貝、選取極值等輔助功能。

　　（3）根據軟件開(kāi)發(fā)流程，首先進(jìn)行了軟件需求分析，明確軟件的開(kāi)發(fā)目標和性能等要素；其次進(jìn)行總體結構設計，確定軟件開(kāi)發(fā)平臺、界面設計及功能模塊劃分；然后分別設計實(shí)現各功能模塊，最終形成具有正確高效、人機交互能力良好等特點(diǎn)的分析軟件；最后采用仿真信號分別對各模塊功能、運行速度和識別精度進(jìn)行測試，驗證了各功能模塊的正確性及高效性。

　　（4）軟件應用于現場(chǎng)大噪聲數據時(shí)頻濾波、半圓環(huán)拱形結構模態(tài)參數識別及實(shí)際軸承的工況分段，證明了軟件的技術(shù)實(shí)用性。

　　關(guān)鍵詞：時(shí)頻分析，Visual C++，IT++，軟件研制，多線(xiàn)程技術(shù)，雙緩沖技術(shù)

ABSTRACT

　　At present, time frequency software based on Matlab have many problems in the processing of large data capacity, such as slow calculation, low efficiency of implementation, interface delay issues,more suitable algorithm research and theory verification, it is difficult to meet the actual demand for engineering application. In order to adapt to fast analysis of large amounts of data and parameter identification, on the basis of studing real-time data processing and display key technologies, this paper uses multithreading and double buffering advanced programming techniques to develop the time frequency software based on Visual C++. The software implements wavelet time frequency filtering, wavelet modal parameter identification and main frequency analysis function, with fast alculation, high efficiency of inmplemetation, simple and reliable performance. Each functional module is effectiveness and practicality which is validated through actual data, to provide a powerful toll for time frequency analysis. The main contents of this paper are as follows:

　　（1）Analysis and comparision of the existing common numerical calculation library. In order to solve the problem of lost response to software interface for a long time calculation, multi-threading technology is adopted. The method improves the interactivity and friendlinesss.

　　（2）A practical fast graphics display control CPlotChartControl is developed using double buffering technology based on Visual C++, the control is able to plot a large amount of data rapidly and display curve graph, tow dimensional time frequency diagram and scatter diagram, with graphic copy, coordinate selection and other functions.

　　（3）According to the software development process, firstly, this paper describes software requirements analysis, to determine the software development goals and performance factors. Secondly, determine interface design and functional modules division for overall structural design, and then design the various functional modules, eventurally forming a correct and efficient, good human-computer interaction capability analysis software. Finally, applied to testing data, the results show that various functional modules are valid and effective.

　　（4）Applied to big noise data filtering, modal parameter identification of semi-circular arch structure model and analysis of bearing conditions, the results verifies that the software is practicality.

　　Keywords: Time Frequency Analysis, Visual C++, IT++, Software Development, Multi-threading Technology, Double Buffering Technology

　　信號處理的目的就是要揭示信號的本質(zhì)特征。傅里葉變換是信號時(shí)域與頻域分析的基礎，在信號處理中有著(zhù)廣泛應用，但是，傅里葉變換只能得到信號的時(shí)域或者頻域信息，反應不出信號頻率隨時(shí)間變換的行為，缺乏時(shí)間和頻率的定位功能[1]。例如，采用傅里葉變換來(lái)診斷軸承故障，我們雖然能得到整個(gè)時(shí)間段范圍內所具有的故障頻率的統計特性，卻無(wú)法確定故障特征頻率是何時(shí)出現的，因此，傅里葉變換的局限性決定了它只適合于處理平穩信號。然而，現實(shí)生活中的信號往往都是非平穩信號，例如飛機飛行時(shí)的振動(dòng)信號，其頻譜是隨時(shí)間變化的，以傅里葉變換為基礎的傳統信號處理方法對此已經(jīng)無(wú)能為力，因此研究并開(kāi)發(fā)適合非平穩信號的分析方法及軟件對生產(chǎn)實(shí)踐有著(zhù)重要的意義。

　　時(shí)頻分析方法是一種重要的信號處理方法，提供了時(shí)域與頻域的聯(lián)合分布信息，清楚地描述了信號隨時(shí)間變化的關(guān)系，是處理非平穩信號的有力工具。目前，時(shí)頻分析理論已經(jīng)比較成熟，在故障診斷、試驗模態(tài)分析、語(yǔ)音信號分析等領(lǐng)域得到廣泛應用。例如，黃穩研究了連續小波變換方法及其邊緣效應，應用時(shí)頻-脊線(xiàn)方法來(lái)分析軸流壓氣機動(dòng)態(tài)測試信號的特征，并基于 Matlab 開(kāi)發(fā)了小波脊線(xiàn)重構軟件，在分析過(guò)程中取得了較好的效果[2]；賈天嬌論述了改進(jìn)Morlet 小波及小波模態(tài)參數辨識方法的原理，詳細研究了影響模態(tài)參數識別精度的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，提出確定小波參數的優(yōu)化選取原則，并在此基礎上使用 Matlab 語(yǔ)言編寫(xiě)了適合模態(tài)參數識別的軟件[3]。然而，這些分析軟件在每次分析數據超過(guò) 8000 個(gè)點(diǎn)時(shí)都會(huì )出現比較明顯的界面延滯，而且軟件的執行效率低、擴展性和可維護性差，難以滿(mǎn)足實(shí)際工程分析需求。產(chǎn)生這些問(wèn)題的主要原因是：Matlab 是解釋性語(yǔ)言，其執行效率低、實(shí)時(shí)性差，對系統要求高且無(wú)法使用多線(xiàn)程技術(shù)編寫(xiě)程序，比較適合算法研究和理論驗證[4]。因此，為了適應現場(chǎng)大容量數據的快速高效分析和參數識別，本文采用執行效率高且面向對象的 C++語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，以 VisualC++[5]

　　作為開(kāi)發(fā)工具，應用模塊化編程技術(shù)設計開(kāi)發(fā)了一款時(shí)頻分析軟件 WMPI，實(shí)現了小波時(shí)頻濾波、小波模態(tài)參數識別及主頻分析等功能的快速運算，該軟件系統具有運算速度快、執行效率高、性能穩定可靠、操作簡(jiǎn)單靈活、可維護性強等優(yōu)點(diǎn)。

　　從 1932 年 Wigner 提出時(shí)間-頻率聯(lián)合分布的概念到現在，幾十年間，時(shí)頻分析方法獲得了迅速發(fā)展，各種時(shí)頻聯(lián)合分析方法得到了廣泛研究及應用，逐步形成了一套獨特的理論。目前，常用的時(shí)頻分析方法主要包括：短時(shí)傅里葉變換、Wigner-Ville 分布、Cohen 類(lèi)時(shí)頻分布、小波變換等，本文涉及到的時(shí)頻分析方法包括：短時(shí)傅里葉變換和小波變換這兩種時(shí)頻分析方法。

　　短時(shí)傅里葉變換（STFT）由 Gabor 于 1946 年提出，并用以測量聲音信號的頻率定位，其主要思想為：取一固定寬度的窗函數，用該窗函數沿信號時(shí)間軸滑動(dòng)，將信號截取成多段長(cháng)度相等的短時(shí)信號，并假設截取的短時(shí)信號是平穩的，然后對每一小段短時(shí)信號分別作傅里葉變換，得到時(shí)間-頻率平面上的二維頻譜。

　　信號的短時(shí)傅里葉變換能有效地反映信號的頻譜隨時(shí)間的變化情況，實(shí)現了對信號的時(shí)間和頻率定位，但其時(shí)頻分辨率是折中的結果，無(wú)法兼顧信號的緩變和瞬變部分。為了使信號的高頻部分具有好的時(shí)間分辨率，而低頻部分有高的頻率分辨率，實(shí)現在時(shí)頻平面不同位置有不同的時(shí)頻分辨率，法國地球物理學(xué)家 Morlet 于 20 世紀 80 年代初提出了小波變換的概念。

　　在實(shí)現時(shí)頻分析算法的過(guò)程中，涉及到大量的矩陣及數值計算，例如傅里葉變換、矩陣分解、特征值及特征向量的計算等，倘若自己采用 C++編寫(xiě)這些數值計算程序，不僅難度大，費時(shí)費力，而且程序的效率和可靠性也很難得到保證。因此，為了降低編程的工作量，減少時(shí)頻分析軟件的開(kāi)發(fā)難度，同時(shí)提高軟件的效率和可靠性，使用已有且經(jīng)過(guò)長(cháng)期實(shí)踐檢驗的數值計算庫函數是一個(gè)不錯的選擇。

　　FFTW（the Fastest Fourier Transform in the West）是一個(gè)快速計算離散傅里葉變換的 C 語(yǔ)言程序集。由 MIT 的 Matteo Frigo 博士和 Steven G. Johnson 博士于 1997 年開(kāi)發(fā)并發(fā)布的開(kāi)源軟件包，支持任意大小、任意維數數據的離散傅里葉變換，且還支持離散余弦變換、離散正弦變換和離散哈特萊變換。FFTW 支持包含對共享和分布式存儲系統的并行變換，能自動(dòng)適應硬件配置，從而根據具體的硬件配置和變換參數來(lái)構造不同的計算方案（plan），以達到最佳效果。因此，使用 FFTW 進(jìn)行傅里葉變換被分成兩個(gè)步驟。第一步：FFTW 針對機器配置和變換數據大小規劃出最優(yōu)的計算方案（plan），并生成一個(gè)特定的數據結構，來(lái)存儲包含和該計算方案相關(guān)的配置信息，如內存大小、寄存器個(gè)數等；第二步：對輸入數據進(jìn)行變換。當然，在執行相同參數條件任務(wù)下，該計算方案是可以重復多次使用的，這樣就可以省去費時(shí)的初始化過(guò)程。總的來(lái)說(shuō)，FFTW 對于某一參數類(lèi)型的單次變換優(yōu)勢不明顯，而對于參數相同的多次變換具有更快的計算速度。

　　根據測試結果表明，FFTW 在計算速度方面比目前其他免費的傅里葉變換程序都要快，甚至能與收費的傅里葉變換庫相媲美；不僅如此，FFTW 還提供了 C 和 Fortran 接口，能夠輕松地移植到不同平臺上，因此，FFTW 已在故障診斷、地震預報、數值計算軟件開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛應用，如數值計算軟件 Matlab 中的快速傅里葉變換就調用 FFTW 庫來(lái)實(shí)現的。目前 FFTW的最新正式版本為 3.3.2，在其官網(wǎng)可下載已預編譯好的動(dòng)態(tài)鏈接庫供用戶(hù)使用。

　　時(shí)頻分析軟件功能演示：

小波時(shí)頻分析結果和提取脊線(xiàn)圖

小波變換

飛機模型掃頻激勵信號波形圖

半圓環(huán)拱形結構

模態(tài)頻率初始估計

目 錄

　　第一章 緒論
　　　　1.1 時(shí)頻分析軟件的研究背景
　　　　1.2 課題的來(lái)源
　　　　1.3 時(shí)頻分析軟件中涉及的時(shí)頻分析方法介紹
　　　　　　1.3.1 短時(shí)傅里葉變換
　　　　　　1.3.2 小波變換
　　　　1.4 常用數值計算庫介紹
　　　　　　1.4.1 BLAS 庫和 LAPACK 庫
　　　　　　1.4.2 FFTW 庫
　　　　　　1.4.3 IT++庫
　　　　1.5 本文主要研究工作
　　第二章 數據實(shí)時(shí)處理與顯示關(guān)鍵技術(shù)
　　　　2.1 多線(xiàn)程技術(shù)
　　　　　　2.1.1 線(xiàn)程的類(lèi)型
　　　　　　2.1.2 創(chuàng )建輔助線(xiàn)程
　　　　　　2.1.3 線(xiàn)程間的通信
　　　　2.2 快速圖形顯示控件的實(shí)現
　　　　　　2.2.1 基本步驟及相應快速實(shí)現算法
　　　　　　2.2.2 控件使用及輔助功能介紹
　　　　　　2.2.3 控件測試
　　　　2.3 本章小結
　　第三章 時(shí)頻分析軟件系統分析、設計及實(shí)現
　　　　3.1 軟件需求分析
　　　　　　3.1.1 設計目的
　　　　　　3.1.2 術(shù)語(yǔ)說(shuō)明
　　　　　　3.1.3 功能需求
　　　　　　3.1.4 性能需求
　　　　　　3.1.5 運行環(huán)境
　　　　3.2 軟件總體設計
　　　　　　3.2.1 軟件總體結構設計
　　　　　　3.2.2 主要功能模塊設計
　　　　3.3 軟件各功能模塊的實(shí)現
　　　　　　3.3.1 數據加載與顯示模塊
　　　　　　3.3.2 小波時(shí)頻濾波模塊
　　　　　　3.3.3 小波模態(tài)參數識別模塊
　　　　　　3.3.4 主頻分析模塊
　　　　　　3.3.5 分析結果顯示與保存模塊
　　　　3.4 本章小結
　　第四章 軟件主要模塊測試
　　　　4.1 小波時(shí)頻濾波模塊測試
　　　　　　4.1.1 功能測試
　　　　　　4.1.2 性能測試
　　　　4.2 小波模態(tài)參數識別模塊測試
　　　　　　4.2.1 功能測試
　　　　　　4.2.2 性能測試
　　　　4.3 主頻分析模塊測試
　　　　　　4.3.1 功能測試
　　　　　　4.3.2 性能測試
　　　　4.4 本章小結
　　第五章 時(shí)頻分析軟件的應用
　　　　5.1 大噪聲信號數據時(shí)頻濾波
　　　　5.2 半圓環(huán)拱形結構模態(tài)參數識別實(shí)驗
　　　　　　5.2.1 實(shí)驗設備與過(guò)程
　　　　　　5.2.2 實(shí)驗數據分析
　　　　5.3 軸承工況分析
　　　　　　5.3.1 軸承基本信息
　　　　　　5.3.2 工況分析方法
　　　　5.4 本章小結
　　第六章 總結與展望
　　　　6.1 全文內容總結
　　　　6.2 后續研究展望
　　參考文獻
　　致 謝

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