通過對渦街信號特點的研究，分析FFT在渦街信號處理中的可行性，提出FFT幅值區(qū)間約束的概念，對中低頻渦街信號頻率進(jìn)行估計，并用該估計頻率設(shè)計自適應(yīng)濾波器進(jìn)行信號處理。

1 信號處理系統(tǒng)方案設(shè)計

1.2 算法設(shè)計

高頻部分可直接用施密特觸發(fā)器統(tǒng)計頻率。對于低于200Hz的流量，首先用FFT算法對各頻段的幅值進(jìn)行解析，根據(jù)幅值約束條件選出渦街信號的估計頻率；然后將此估計頻率作為自適應(yīng)濾波器的期望輸入，動態(tài)的調(diào)整自適應(yīng)濾波器；最后將濾波后的信號進(jìn)行頻率統(tǒng)計，顯示在終端上。

2 FFT頻率估計

2.1 FFT譜分析法

本文僅從頻率估計的角度應(yīng)用FFT算法。算法分析中所用頻率量程為45Hz~3000Hz（25mm口徑，氣體）。

2.2 采樣頻率fs的選擇

FFT分析只適合處理中低流速時的渦街信號。本文選取fs=5fmax=1000Hz。

2.3 采樣總時間T的選擇

本文以±2Hz誤差為依據(jù)初步選取采樣總時間為0.5s。

2.4 利用頻譜泄漏選取采樣點數(shù)

一般情況下取采樣點數(shù)N=512。利用頻譜泄漏,可以提高頻率點兩側(cè)幅值，防止頻率點幅值被平分。

2.5 渦街信號幅值的有效區(qū)間約束

選取理論幅值±99%為有效幅值區(qū)間。

3 自適應(yīng)濾波算法

本文采用基于LMS算法的開環(huán)自適應(yīng)濾波器，如圖6所示。輸入信號值采樣得到的渦街信號，期望信號指FFT輸出的估計信號。自適應(yīng)算法根據(jù)輸入信號與期望信號來設(shè)計系統(tǒng)濾波器，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以表示為

（7）

其中N為樣本點數(shù)，n為FIR濾波器階數(shù)，x為輸入信號，d為期望信號。

4 實驗仿真

本文選取采樣頻率1000Hz，300個采樣點補零至512點進(jìn)行FFT分析。自適應(yīng)算法步長為0.008，濾波器的階數(shù)將在下述仿真實驗中確定。所用信號為強(qiáng)烈震動時，在線采集的渦街信號。流量發(fā)生裝置的顯示流量為49.10Hz。

4.1 FFT頻率估計

如圖7所示渦街信號FFT分析。由式（4）各頻率點理論幅值為0.4f2mV，即渦街信號幅值上下限分別為0.2f2mV和0.8f2mV。FFT變換后，48.83Hz所在點滿足幅值要求。故經(jīng)FFT后渦街信號的估計頻率為48.83Hz。

4.2自適應(yīng)算法濾波

以d(t)=0.4·48.83·48.83·sin（2·pi·48.83·t）mV為期望信號進(jìn)行自適應(yīng)濾波，不同濾波器階數(shù)的結(jié)果如圖8~圖10所示。

可以看出，n=16時，由于系統(tǒng)階數(shù)較低，無法完整濾除噪聲。N=32與n=64均可達(dá)到濾波要求。放棄前0.05s系統(tǒng)未初始化導(dǎo)致的不穩(wěn)定時間，將得到的波形用施密特閾值翻轉(zhuǎn)法統(tǒng)計頻率可得表1。

考慮到計算復(fù)雜度選取自適應(yīng)濾波的階數(shù)n=32.此時誤差為-0.16%。

5 結(jié)束語

本算法嚴(yán)格控制了計算量，計算精度誤差不大于0.3%，抗噪聲能力強(qiáng)，適合工業(yè)現(xiàn)場儀表的使用。

文章摘自樊辰陽，陳潔，劉曉佳，黃紹峰.渦街信號處理中基于FFT幅值區(qū)間約束的自適應(yīng)濾波算法[J].工業(yè)控制計算機(jī),2015,28(4),54-56.