基于循环平稳盲源分离技术的潜艇柴油机主要振源信号提取方法研究

柴油机作为是潜艇的主要动力源，较低的振动噪声以及良好的安全性是保证潜艇战斗力有效发挥的重要保障。通过获取柴油机的振源，可以改进设计，降低其振动、噪声；根据振源信号的性质，可以对柴油机实施状态监测和故障诊断，提高其安全性以及实行视情维修。本项目通过理论分析和实验研究，对柴油机振源的循环平稳性质进行系统深入的研究，揭示振源信号的固有规律。同时对柴油机振动响应与激振源之间的时变特性进行分析、仿真，揭示传递函数的特殊时变性- - 传递函数具有的循环平稳特性，从而为柴油机主要振源的分离提供新的方法。根据振源及传递函数的特点，利用盲分离的优势，构建循环平稳盲源分离算法。通过仿真和实机实验研究，提出一种分离效果好的循环平稳盲分离算法，并获取柴油机的主要振源信号。开展该项目研究将对往复式机械的非平稳、非线性信号处理产生积极的推动作用，使往复式机械振动噪声控制以及故障诊断应用技术研究取得突破。

柴油机作为潜艇的主动力源，较低的振动噪声及良好的安全性是保证潜艇战斗力有效发挥的重要保障。通过获取柴油机的振动源，可以改进设计、降低振动噪声、进行故障诊断。项目主要研究了基于循环平稳的潜艇柴油机主要振源的分离技术，其内容主要包括了振源信号的循环平稳特性、传递系统的时变性特性、盲分离算法的优化和改进等问题。具体研究内容和结果包括：（1）柴油机主要振源的循环平稳特性研究。设计了振源测量实验，获取了气阀冲击、活塞—缸套撞击和缸内气体压力等源信号，并对其进行分析，揭示了振源信号是二阶循环平稳信号。（2）柴油机主要振源个数的确定方法研究。通过仿真和实验对比分析了各种振源个数确定方法，得到了基于EMD-SVD的振源个数确定方法比较适合柴油机振源的估计。（3）柴油机振源与响应之间的传递特性研究。从理论上分析了循环平稳信号经过线性时不变系统和循环平稳系统的特性，并实验研究了柴油机不同测试位置信号的传递特性，据此提出了将柴油机近似作为线性时不变系统时测量位置的选择原则。（4）盲分离算法的改进。根据现有盲分离模型的不足，提出了基于微分进化算法的瞬时盲分离改进方法；运用柴油机振源信号的循环平稳特性，在自然梯度算法的基础上，推导了基于循环平稳的时域瞬时和卷积混合的盲分离算法；研究了一种基于循环平稳的盲分离频域算法，并解决了频域算法中的排序和尺度不确定问题。（5）根据实际测量得到每个测量位置的由多个激励源卷积混合的响应，经盲源分离得到各个激励源（存在幅值不确定性），再计算得到单个振源在柴油机测量位置的响应，从而可以定量获得某个振源的响应，克服了盲源分离中幅值不确定性问题，在工程应用上有重要意义。（6）通过在6135柴油机上的试验研究，提取了柴油机的主要振源，证明了课题所研究的理论方法的有效性。项目研究成果发展了盲分离理论，探索了盲分离理论的应用研究，为盲分离在机械设备监测与振动领域的进一步应用提供了参考和依据。