低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)研究

■ 劉 超 劉召慶 雒 俊 趙 博 張丹惠

本文介紹了一種嶄新的低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)。該技術(shù)屬于涉及信號(hào)檢測、濾波器技術(shù)、直升機(jī)自控等技術(shù)的交叉研究領(lǐng)域。其核心是提取關(guān)鍵低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)特征向量，以數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)處理，從而研制成振動(dòng)主動(dòng)控制計(jì)算機(jī)。進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的真正自動(dòng)飛行控制。本文提出了低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)的原理、方法、研究思路，介紹了其成果，并對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)情況進(jìn)行了對比。

1．前言

1.1.研究背景

低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)來源于某振動(dòng)主動(dòng)控制計(jì)算機(jī)。它是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)主動(dòng)控制計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，其主要目的是解決直升機(jī)飛行過程中飛機(jī)振動(dòng)過大，只能依靠飛行員操控，無法進(jìn)行真正自動(dòng)駕駛的問題。其目的就是讓飛行員進(jìn)行“傻瓜化”的智能操作。筆者基于這樣的目的和國內(nèi)相關(guān)研究所開展了多方合作，中航工業(yè)計(jì)算所為大量基礎(chǔ)性研究提供了硬件保證，調(diào)撥相關(guān)研究人員與作者共同對飛行員進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和走訪，初步研究了需要解決的關(guān)鍵問題，并確定了相關(guān)的研究方向。后協(xié)調(diào)機(jī)關(guān)、602所等相關(guān)單位，以631所為研究班底研究了低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)，以及振動(dòng)主動(dòng)控制計(jì)算機(jī)，并完成了相關(guān)研制協(xié)議書的簽訂。最終，啟動(dòng)了上述兩大專項(xiàng)研究并取得了豐碩的成果，研究了振動(dòng)主動(dòng)控制計(jì)算機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)。目前，研究成果不僅滿足有關(guān)的研制協(xié)議書的要求，其它相關(guān)指標(biāo)均優(yōu)于最初的設(shè)計(jì)。

1.2.應(yīng)用領(lǐng)域和主要用途

振動(dòng)信號(hào)的采集、分析與處理是工程師常常遇到的問題。通過對振動(dòng)信號(hào)的采集與分析，可以為產(chǎn)品的品質(zhì)鑒定、發(fā)動(dòng)機(jī)故障的檢查和預(yù)警、飛機(jī)輪船或汽車的結(jié)構(gòu)健康分析提供重要的數(shù)據(jù)支撐。振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)精確采集可以有效并及時(shí)了解產(chǎn)品的工作狀態(tài)，對產(chǎn)品的健康和品質(zhì)做出即時(shí)的狀態(tài)判斷。尤其在航天航空領(lǐng)域，產(chǎn)品狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌握，有助于對產(chǎn)品存在安全隱患的地方進(jìn)行即時(shí)反饋，做出實(shí)時(shí)判斷，對影響飛行器安全的產(chǎn)品做出即時(shí)的更換和維修。

直升機(jī)振動(dòng)信號(hào)具有低頻和窄帶特性。此類信號(hào)一般具有多噪聲的特點(diǎn)，因此對有效振動(dòng)信號(hào)的精確提取具有重要意義。本文對低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)進(jìn)行研究，該技術(shù)可用于航天航空等工程領(lǐng)域，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

2.性能預(yù)期及目標(biāo)

在直升機(jī)應(yīng)用方面，目前國內(nèi)尚沒有類似的研究和產(chǎn)品，國外也無類似的研究和技術(shù)報(bào)道，因此只能根據(jù)實(shí)際情況來預(yù)期并確定研究目標(biāo)。

振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)是飛機(jī)的重要組成，振動(dòng)信號(hào)的采集與處理尤為重要，精確性高、實(shí)時(shí)性高、容錯(cuò)性高的振動(dòng)信號(hào)采集是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。由于直升機(jī)的振動(dòng)頻率常處于低頻窄帶范圍，低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理及濾波處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)該功能的重要手段。

需要注意的是，直升機(jī)、飛機(jī)等重大裝備的研究，往往是以機(jī)械功能和需求為研發(fā)目標(biāo)的。而振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是人——飛行駕駛者，這從根本上改變了直升機(jī)和飛機(jī)的研發(fā)思路，不難理解，駕駛者更好的感受或機(jī)械裝備更“傻瓜化”的智能操作是發(fā)揮人最大化利用裝備的技術(shù)保障。如果人的操作較為不便或機(jī)上環(huán)境較差，這將極大的影響飛行員及操作員實(shí)際的應(yīng)用效果。振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)即是考慮了這種“人”的需求，針對振動(dòng)信號(hào)特性，該技術(shù)可處理的性能指標(biāo)為：

8路振動(dòng)傳感器信號(hào)（基于飛行員座椅）同步采集，采集頻率為200Hz；

信號(hào)通過帶通濾波提取21.5±3Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)；

實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳感器的信號(hào)采集，接口類型為IEPE接口，電流源4mA，輸入電壓范圍為+5～+15V，電壓采集誤差不大于滿量程的±1%。

自檢測：具有對采集電路狀態(tài)檢測、傳感器電路狀態(tài)檢測功能。

3.思路原理及關(guān)鍵技術(shù)

3.1關(guān)鍵技術(shù)

在振動(dòng)信號(hào)的采集過程中，本文設(shè)計(jì)了一種多路振動(dòng)信號(hào)振幅實(shí)時(shí)精確采集電路，具有檢測振動(dòng)傳感器狀態(tài)和線路狀態(tài)的功能，能夠方便可靠的應(yīng)用于振動(dòng)信號(hào)的采集。該技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

振動(dòng)信號(hào)的多路同步采集，F(xiàn)PGA邏輯對多路采集電路進(jìn)行同步控制，將采集結(jié)果保存到內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由于FPGA邏輯控制輪詢采集速度較快，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放的是最新數(shù)據(jù)。

軟硬件協(xié)同濾波技術(shù)，在硬件低通濾波的基礎(chǔ)上，采用軟件帶通濾波有效去除外部其它干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)中低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)的有效提取，彌補(bǔ)單純硬件電路處理的不足。

圖1 低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)采集調(diào)理電路

振動(dòng)信號(hào)采集電路狀態(tài)檢測技術(shù)。采集電路處于工作狀態(tài)時(shí)，使用激勵(lì)電壓電路完成電路狀態(tài)的檢測；采集電路處于非工作狀態(tài)時(shí)，使用激勵(lì)源信號(hào)電路完成電路狀態(tài)的檢測。振動(dòng)傳感器狀態(tài)檢測，通過電壓采集電路和A/D轉(zhuǎn)化電路對振動(dòng)傳感器與恒流源電壓之間的電壓進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)電壓值的不同判斷振動(dòng)傳感器狀態(tài)。

3.2研究核心思路

所研究的技術(shù)中，必定要將軟硬件濾波方法相結(jié)合才可以有效的提取低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)。其中通過硬件濾波電路獲取窄帶信號(hào)成本高，并且不易實(shí)現(xiàn)，通過軟件濾波算法彌補(bǔ)硬件濾波的不足，使提取的振動(dòng)信號(hào)具有較高的精度，該方法具有較高的抗干擾能力。

圖2 振動(dòng)傳感器接口電路框圖

表1 低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)與工程化應(yīng)用的國內(nèi)外同類技術(shù)比較

該方法中多路振動(dòng)信號(hào)可以實(shí)時(shí)同步采集，且具有自測試功能。采集電路實(shí)時(shí)性強(qiáng)，采集精度高，傳感器故障或者采集電路故障均能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，及時(shí)的更新和檢修。

初步確定以上思路的可行性。按照以上的設(shè)計(jì)思路，應(yīng)采用以下技術(shù)：

直升機(jī)振動(dòng)信號(hào)具有低頻和窄帶特性，低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)包含振動(dòng)信號(hào)采集調(diào)理電路和振動(dòng)信號(hào)帶通濾波處理技術(shù)。其關(guān)鍵是振動(dòng)傳感器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高效和有效性。

3.3振動(dòng)傳感器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)信號(hào)采集調(diào)理電路包括振動(dòng)信號(hào)的接口采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、遲滯比較電路、二階濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、正弦激勵(lì)源信號(hào)電路、激勵(lì)源電壓電路、恒流源電路以及可編程邏輯電路，如調(diào)理電路圖1所示。接口采集和信號(hào)調(diào)理相接，信號(hào)調(diào)理分別和遲滯比較電路及二階濾波電路相連，二階濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路相連，遲滯比較電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路結(jié)果經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化進(jìn)入FPGA中，F(xiàn)PGA將處理結(jié)果送到PCI總線中，以上電路流程即完成了振動(dòng)信號(hào)的頻率和振幅采集。同時(shí)FPGA控制正弦激勵(lì)源信號(hào)電路、控制激勵(lì)源電壓電路對采集電路施加激勵(lì)，測試采集電路的狀態(tài)；恒流源電路為振動(dòng)傳感器提供工作電流、同時(shí)回采恒流源與傳感器之間的電壓，用來檢測傳感器的工作狀態(tài)。

從圖1中提取振動(dòng)信號(hào)幅值采集調(diào)理電路，該電路的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示：

在接口電路中用瞬態(tài)抑制管對振動(dòng)傳感器輸入的一對差分信號(hào)進(jìn)行過壓保護(hù)，并通過RC一階濾波去除干擾和直流分量，再將經(jīng)過初次濾波后的信號(hào)在信號(hào)調(diào)理電路中放大，信號(hào)調(diào)理后進(jìn)行高階低通濾波，有效的避免了高頻信號(hào)的干擾，該技術(shù)采用了二階濾波，其衰減可達(dá)到-40dB/十倍頻程。每路模數(shù)轉(zhuǎn)化電路相互獨(dú)立，具有16位分辨率，采集精度較高，單通道采樣率可達(dá)到100k/s，依據(jù)采樣定理，完全滿足振動(dòng)采樣要求。電平轉(zhuǎn)換完成A/ D采集電路信號(hào)和可編程邏輯器件直接電壓的轉(zhuǎn)化?？删幊踢壿嬈骷褂肞CI總線的時(shí)鐘對A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行邏輯控制，采集結(jié)果保存到內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)?？删幊踢壿嬈骷刂艫/D采集，不占用CPU的資源，大大提高了CPU的工作效率。

4.與國內(nèi)外同類技術(shù)比較

該研究的國內(nèi)狀況：有類似報(bào)道，振動(dòng)聲窄帶信號(hào)采集與分析（魚雷技術(shù)期刊），比較結(jié)果見表1；國外狀況：有類似產(chǎn)品，有通用數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品及模塊，比較結(jié)果見表1。

該技術(shù)通過方便的系統(tǒng)構(gòu)型和成熟的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了窄帶振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)精確采集，已應(yīng)用于國內(nèi)某型飛機(jī)振動(dòng)主動(dòng)控制計(jì)算機(jī)中（如圖3所示），并順利通過了系統(tǒng)地面聯(lián)試，實(shí)施效果良好。

5.結(jié)束語

圖3 振動(dòng)主動(dòng)控制計(jì)算機(jī)

本文研究的低頻窄帶振動(dòng)信號(hào)同步采集提取技術(shù)已應(yīng)用于國內(nèi)某型飛機(jī)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)中，順利通過了系統(tǒng)地面聯(lián)試，實(shí)施效果良好。該技術(shù)通用性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)成本低、適用范圍廣，使用方便，不僅可用于飛機(jī)的振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)，還可推廣到工業(yè)領(lǐng)域，具有較高的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

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（作者單位：劉超、雒俊、張丹惠,陸軍航空兵軍代局駐西安地區(qū)軍代室；劉召慶、趙博，西安應(yīng)用光學(xué)研究所。）