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摘 要：本文介绍了一种数据处理的方法：FFT-FS频谱细化方法。该方法在不增加采样点数的前提下，对所关心的频带进行细化，能够得到准确的所关心的频率值。给出了运用振动测量数据频谱分析进行某飞行器结构故障判断的方法。通过一个结构故障判断应用案例，说明了该方法在工程中的应用。
关键词：频谱分析；频谱细化；故障诊断
1 引言
在飞行器的研制试验中，结构强度是考核的一个重点。试验后分析中常需要判断飞行器的结构是否发生了破坏并确定破坏的时机。测量的振动参数直接反映了结构对飞行器飞行环境激励的响应，是结构故障诊断的直接依据。当结构发生破坏后，由于刚度和受力状态的变化，局部和整体的固有频率以及对环境激励的响应都会发生变化。通过分析振动参数的频谱特性，对比不同时间段、不同物理过程的频谱数据，找到特征频率的变化，就可以确定结构是否发生了破坏，以及在哪个物理过程发生的破坏。频谱分析最常用的方法是FFT。FFT计算得到的频谱的频率分辨率？驻f等于采样频率fs与采样点数N的比值，对于试验后数据，采样频率和数据长度都是固定的，而且实际飞行器飞行过程中，许多物理过程持续的时间非常短，得到的振动数据点数较少，造成FFT频谱的频率分辨率较差。在结构故障诊断中，希望频率间隔越小越好，以分辨结构频率的变化，所以需要对频谱做频率细化处理。本文采用连续化频谱细化方法。
2 频谱细化
2.1 频率细化方法的选择
频谱细化方法主要有复调制Zoom-FFT、相位补偿细化、AR谱局部表示法和FFT-FS法等。复调制Zoom-FFT以及相位补偿细化可以在一定程度上提高频率分辨率，但所需的数据量也成倍的增加。飞行器试验数据的采样频率是固定的，数据长度也是有限的，而且有些物理过程本身持续的时间也很短，数据有限，所以这两种方法并不适用。AR谱等现代谱分析方法，由于是连续谱图，故不受采样点数的影响，在理论上频率分辨率可以达到无穷小，但由于建模方法和模型阶次确定的差异会产出谱线偏移和谱线分裂现象，得不到非常准确的频率值。FFT-FS频谱细化技术， 在不增加数据长度的前提下，利用傅立叶级数的原理能得到连续的频谱曲线，可以消除频率的限制。本文即采用该方法。
2.2 FFT-FS频率细化
3 某飞行器结构破坏故障判断实例
某飞行器飞行过程中测量的振动参数见图1。
从图中可以看出飞行器的过载在7.5s时开始发散，说明此时，该飞行器出现了故障。为了分析从故障开始后飞行器频率的变化情况，对振动数据进行分析。振动数据的采样率为6400Hz。
用一般的FFT傅里叶幅值谱进行分析，分析长度7.5s～8.9s，分析的频率分辨率为0.66Hz，分析结果见图2。
要想减小分析长度，每0.2s时间段的数据进行分析，由于受到采样率和采样长度的限制，传统的FFT傅里叶幅值谱不能进行。用FFT-FS频谱细化技术，在不增加数据长度的前提下，利用傅立叶级数的原理能得到连续的频谱曲线，可以消除频率的限制。采用FFT-FS频谱细化技术分析7.5s～8.9s的数据，每0.2s时间段为一个数据长度，频率分辨率可以根据需要定任意的精度，本次分析取0.5Hz，分析结果见图3。
对比图2、图3可以看出，传统FFT方法只能得到7.5s～8.9s时间段飞行器的一个固有频率，用频率细化的方法可以得到在7.5s～8.9s时间段内飞行器固有频率的变化情况，而飞行器固有频率的变化情况就能直接反应飞行器本身的故障情况和破坏时机。对比正常时间段的频率分析见图4，与飞行器的一阶固有频率24Hz一致，故障时间段飞行器的一阶固有频率有22.5Hz降到了17.5Hz。因此可以判断在7.5s～8.9s，飞行器刚度发生了变化，导致固有频率发生了变化，结构出现了损伤。
4 结束语
FFT-FS频率细化技术采用连续的傅立叶变换进行频谱计算，在不增加数据采样长度的前提下，能够得到准确的频率值，大大增加了频率分辨力，非常适合于试验数据的事后分析。通过比较某飞行器飞行试验中不同时段的振动频谱，找出频谱的变化，可以确定飞行器结构是否发生了故障，以及破坏的时机。多次实践的分析表明，该方法是有效的。
参考文献
[1] 刘进明，应怀樵. FFT谱连续化分析的傅立叶变换法[J]. 振动工程学报，1995，8（2）.
[2] 郭仕剑，王宝顺等. MATLAB 数字信号处理. 人民邮政出版社，2006.
关键词：频谱分析；频谱细化；故障诊断
1 引言
在飞行器的研制试验中，结构强度是考核的一个重点。试验后分析中常需要判断飞行器的结构是否发生了破坏并确定破坏的时机。测量的振动参数直接反映了结构对飞行器飞行环境激励的响应，是结构故障诊断的直接依据。当结构发生破坏后，由于刚度和受力状态的变化，局部和整体的固有频率以及对环境激励的响应都会发生变化。通过分析振动参数的频谱特性，对比不同时间段、不同物理过程的频谱数据，找到特征频率的变化，就可以确定结构是否发生了破坏，以及在哪个物理过程发生的破坏。频谱分析最常用的方法是FFT。FFT计算得到的频谱的频率分辨率？驻f等于采样频率fs与采样点数N的比值，对于试验后数据，采样频率和数据长度都是固定的，而且实际飞行器飞行过程中，许多物理过程持续的时间非常短，得到的振动数据点数较少，造成FFT频谱的频率分辨率较差。在结构故障诊断中，希望频率间隔越小越好，以分辨结构频率的变化，所以需要对频谱做频率细化处理。本文采用连续化频谱细化方法。
2 频谱细化
2.1 频率细化方法的选择
频谱细化方法主要有复调制Zoom-FFT、相位补偿细化、AR谱局部表示法和FFT-FS法等。复调制Zoom-FFT以及相位补偿细化可以在一定程度上提高频率分辨率，但所需的数据量也成倍的增加。飞行器试验数据的采样频率是固定的，数据长度也是有限的，而且有些物理过程本身持续的时间也很短，数据有限，所以这两种方法并不适用。AR谱等现代谱分析方法，由于是连续谱图，故不受采样点数的影响，在理论上频率分辨率可以达到无穷小，但由于建模方法和模型阶次确定的差异会产出谱线偏移和谱线分裂现象，得不到非常准确的频率值。FFT-FS频谱细化技术， 在不增加数据长度的前提下，利用傅立叶级数的原理能得到连续的频谱曲线，可以消除频率的限制。本文即采用该方法。
2.2 FFT-FS频率细化
3 某飞行器结构破坏故障判断实例
某飞行器飞行过程中测量的振动参数见图1。
从图中可以看出飞行器的过载在7.5s时开始发散，说明此时，该飞行器出现了故障。为了分析从故障开始后飞行器频率的变化情况，对振动数据进行分析。振动数据的采样率为6400Hz。
用一般的FFT傅里叶幅值谱进行分析，分析长度7.5s～8.9s，分析的频率分辨率为0.66Hz，分析结果见图2。
要想减小分析长度，每0.2s时间段的数据进行分析，由于受到采样率和采样长度的限制，传统的FFT傅里叶幅值谱不能进行。用FFT-FS频谱细化技术，在不增加数据长度的前提下，利用傅立叶级数的原理能得到连续的频谱曲线，可以消除频率的限制。采用FFT-FS频谱细化技术分析7.5s～8.9s的数据，每0.2s时间段为一个数据长度，频率分辨率可以根据需要定任意的精度，本次分析取0.5Hz，分析结果见图3。
对比图2、图3可以看出，传统FFT方法只能得到7.5s～8.9s时间段飞行器的一个固有频率，用频率细化的方法可以得到在7.5s～8.9s时间段内飞行器固有频率的变化情况，而飞行器固有频率的变化情况就能直接反应飞行器本身的故障情况和破坏时机。对比正常时间段的频率分析见图4，与飞行器的一阶固有频率24Hz一致，故障时间段飞行器的一阶固有频率有22.5Hz降到了17.5Hz。因此可以判断在7.5s～8.9s，飞行器刚度发生了变化，导致固有频率发生了变化，结构出现了损伤。
4 结束语
FFT-FS频率细化技术采用连续的傅立叶变换进行频谱计算，在不增加数据采样长度的前提下，能够得到准确的频率值，大大增加了频率分辨力，非常适合于试验数据的事后分析。通过比较某飞行器飞行试验中不同时段的振动频谱，找出频谱的变化，可以确定飞行器结构是否发生了故障，以及破坏的时机。多次实践的分析表明，该方法是有效的。
参考文献
[1] 刘进明，应怀樵. FFT谱连续化分析的傅立叶变换法[J]. 振动工程学报，1995，8（2）.
[2] 郭仕剑，王宝顺等. MATLAB 数字信号处理. 人民邮政出版社，2006.