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算法特点:
加权软阈值奇异值分解方法:采用一种结合奇异值权重的软阈值收缩策略,克服了传统硬阈值截断的阶梯效应和重加权SVD的启发式局限性
自适应奇异值收缩机制:通过构造与奇异值大小成反比的权重向量,实现了对大奇异值(信号成分)的温和收缩、对小奇异值(噪声成分)的强收缩更符合信号稀疏与低秩特性
物理机理嵌入的故障特征增强:在RSVD中引入周期性调制强度指标,将轴承故障的物理先验知识(调制现象)融入矩阵分解过程,增强故障相关成分的识别能力
多层次验证:提供从矩阵层面(Frobenius范数变化)、时域层面(重构误差)到频域层面(包络谱分析)的全方位性能评估,确保去噪效果的可解释性
自动化汉克尔矩阵构建与重构:采用重叠分段缓冲技术实现信号到矩阵的精确转换,并通过加权平均实现矩阵到信号的无缝重构,避免了边界效应
算法步骤:
信号预处理:加载原始振动信号,截取固定时长片段,消除直流分量,进行幅度归一化。
汉克尔矩阵构造:通过指定窗长和最大重叠,将一维时间序列转换为二维汉克尔矩阵,以凸显其潜在的低秩结构。
奇异值分解:对汉克尔矩阵进行经济型SVD分解,获得左奇异矩阵、奇异值向量和右奇异矩阵。
TSVD硬阈值去噪:直接截断前t个奇异值,将其余奇异值置零,重构降秩矩阵。
RSVD调制增强去噪:计算各右奇异向量包络的周期性调制强度(PMI),用PMI对奇异值进行重加权,增强周期性故障成分。
WSSVD加权软阈值去噪:构造与奇异值成反比的权重向量,对奇异值实施加权软阈值收缩,平衡信号保留与噪声抑制。
信号重构:对去噪后的矩阵进行反汉克尔化(重叠段加权平均),恢复一维时域信号。
性能评估:计算相对重构误差,绘制时域对比图,并进行包络谱分析以凸显故障特征频率。
代码使用的是 IMS轴承数据中心数据集(Intelligent Maintenance Systems Bearing Data Center)。具体为第二次测试数据(2nd_test),文件对应2004年2月19日04:02:39采集的振动信号。该数据集是滚动轴承加速寿命试验的经典数据集,采样频率为20 kHz,包含轴承从正常状态到完全失效的全寿命周期数据,广泛应用于故障诊断与预测性维护算法验证。