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时域分析——有量纲特征值含义一网打尽
1、时域特征值 是衡量 信号特征 的重要指标 ,时域特征值通常分为有量纲参数与无量纲
参数。
2、所谓“量纲”,简单地理解就是“单位”。有量纲的参数就是有单位的,比如平均值,
一段温度信号(单位℃)的平均值依旧是℃;无量纲 的参数没有单位 ,无量纲量常写
作两个有量纲量之积或比,但其最终的量纲量互相消除后会得出无量纲量,比如,应
变是量度形变的量,定义为长度差与原先长度之比。
3、有量纲的特征值往往具有直观的物理含义,是最为常用的特征指标。有量纲特征值
主要包括:最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、标准差、均方值、均方根值
( RMS )、均方误差( MSE )、均方根误差( RMSE )、方根幅值 等。
4、均值、方差、均方值、均方根值之间有内在的联系。
5、均值:
均值是信号的 平均 ,是一阶矩 。
第一个均值的公式是不是写错了,应该有个 xi 的连加才对啊
6、均方值:
均方值是信号的 平方的平均 (信号→平方→平均值),代表了信号的 能量 ,
是二阶矩。
7、方差:
方差是每个样本值与全体样本值的 平均数之差的平方值的平均数 ,代表了信
号 能量的动态分量 (均值的平方是静态分量),反应数据间的离散程度,是二阶
中心距 。
注:方差的几种理解方式:
由上式第一行可以看出:方差描述的是信号的离散程度,也就是变量离其期
望值的距离。
由上式第二行可以看出:方差即平方的期望(均方值)减掉期望的平方。
8、从物理含义上讲,均方值 代表信号的 能量 ,期望的平方 代表信号的 直流分量 ,而方
差 代表信号的 交流分量 。
9、标准差:
标准差又叫均方差,是方差的算数平方根。标准差反应的是数据的离散程度。
10、既然有了方差,为什么还要有标准差?——为了和原始信号统一量纲。
举个例子,假设北京一年的平均气温是 20℃,气温标准差是 10℃;乌鲁木
齐一年的平均气温是 20℃,气温标准差是 15℃。这样会对气温的离散程度有一
个直观理解,但如果说北京的气温方差是 100,乌鲁木齐是 225,就很不方便理
解了。
11、均方根:
均方根( RMS ) 又叫有效值。将所有值平方求和,求其均值,再开平方,就
得到均方根值。或者说均方根值 等于 均方值的算数平方根 。
物理含义可以这样理解:让交流电与直流电分别通过同一电阻,若两者在相
同的时间内所消耗的电能相等(或产生的焦耳热相同),那么该直流电的数值就
叫做交流电的有效值。
12、均方误差:
均方误差( MSE ) 是某种意义上的方差,均方误差是指参数估计值与参数真
值之差平方的数学期望值。如果我们把随机变量的数学期望
E
认为是参数估计值
(未来的),把随机变量本身作为参数真值,那么均方误差就是普通方差。
均方误差
MSE
可以评价数据的变化(偏离)程度,MSE 的值越小(相互之
间的比较,而不是跟参数真值的比较),说明预测模型描述实验数据具有更好的
精确度。
均方误差在机器学习中常作为一种误差量度。
13、均方根误差:
均方根误差( RMSE ) 就是均方误差的算术平方根:
14、既然有了均方误差,为什么还要有均方根误差?
均方误差与均方根误差,正如方差与标准差一样,是量纲上的区别,应用不
同场合。
15、总结:
时域分析——无量纲特征值含义一网打尽
1、有量纲指标虽然对信号特征比较敏感,但也会因工作条件(如负载)的变化而变化,
并极易受环境干扰的影响,具有表现不够稳定的缺陷。相比而言,无量纲指标能够排
除这些扰动因素的影响,因而被广泛应用于特征提取的领域当中。
2、无量纲指标主要包括峰值因子,脉冲因子,裕度因子,峭度因子,波形因子以及峭
度因子和偏度因子等。
3、峰值因子:
峰值因子是信号峰值与有效值( RMS )的比值 ,代表的是峰值 在波形中的 极
端程度,用来检测信号中 是否存在冲击 的 统计指标 。峰值是一个时不稳参数,不
同的时刻变动很大。由于峰值的稳定性不好,对冲击的敏感度也较差,因此在故
障诊断中,该指标逐渐被峭度指标取代。
4、脉冲因子:
脉冲因子是信号峰值与整流平均值(绝对值的平均值)的比值。脉冲因子和
峰值因子的区别在分母上,由于对于同一组数据整流平均值小于有效值,所以脉
冲因子大于峰值因子。脉冲因子也同样用以检测信号中是否存在冲击。
5、裕度因子:
裕度因子是信号峰值与方根幅值的比值。与峰值因子类似,方根幅值和均方
根值(有效值)是对应的,均方根的公式是信号平方和的平均值的算术平方根,
方根幅值是算术平方根的平均值的平方(有点绕)。裕度因子可以用于检测机械
设备的磨损情况。
6、波形因子:
波型因子是有效值( RMS )与整流平均值的比值 。在电子领域其物理含义可
以理解为直流电流相对于等功率的交流电流的比值,其值大于等于
1 。说到这儿
也许你已经发现了,波形因子 = 脉冲因子 / 峰值因子 。
7、峭度因子:
峭度因子是表示 波形平缓程度 的 ,用于描述变量的分布。正态分布的峭度等
于
3 ,峭度小于
3
时分布的曲线会较“平”,大于
3
时分布的曲线较“陡”。
8、偏度因子:
偏度也叫偏斜度、偏态。偏度 和 峭度 是有 一定的相关性 的 ,峭度因子是四阶
中心矩和标准差的四次方的比值;偏度因子是三阶中心矩和标准差的三次方的比
值。偏度与峭度相同,描述的是分布。物理含义简单理解的话,对于单峰分布,
负偏度代表分布图线的“头”在右侧,“尾”在左侧;正偏度反之。参看下图:
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