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为了克服传统时频分析中信号特征频谱提取技术中参数敏感问题，设计了一种基于谱图和约束NMF的特征频谱提取算法。该算法首先对振动信号进行归一化预处理和短时Fourier分析，获得代表原始非平稳信号特性的瞬时参数即谱图；然后对谱图进行约束NMF分解；最后由基矩阵获得原始振动信号的特征频谱。理论分析、仿真和工程试验验证了该算法的可行性和有效性。