[發明專利]考慮傳感器性能退化的信號重構方法

有效

• 申請號: 201410623331.0
• 申請日: 2014-11-10
• 公開（公告）號: CN104462770A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 姜紹飛;麻勝蘭;陳志剛
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明涉及一種考慮傳感器性能退化的信號重構方法，特別涉及一種在長期監測過程中由于傳感器的性能退化導致采集的信號有所偏差導致誤判的問題，即可利用所提的方法進行數據重構工作。

背景技術

結構健康監測主要是在結構系統的關鍵/易損部位安裝適量的傳感器，通過對傳感器監測數據的分析來進行結構異常報警、損傷定位和損傷程度預測。這樣對SHM實測數據的分析、處理以及損傷診斷方法的好壞就成為衡量監測系統是否有效的關鍵。

然而在實際結構中，結構實測響應與變化往往受到環境（風、溫度、濕度）、工作荷載、傳感器性能退化/故障、損傷等很多因素及其耦合的影響，而目前的研究及成果多集中在考慮環境和載荷下的響應與損傷檢測方面。目前的成果對于重大土木工程結構的日常管理、維護以及防震減災提供了技術支持和保障，但他們是在假設傳感器性能良好、不考慮其性能退化和故障的基礎上取得的。而實際結構檢測/監測系統由于經費、傳感器數量巨大、外界環境影響以及長期在線工作等原因使得傳感器性能退化乃至部分發生故障和失效。而由傳感器性能退化即故障引起的結構響應變化往往與損傷引起的結構響應變化是同一數量級的，因此常錯誤地將其歸為損傷引起的，這導致很多時候錯誤預警，使得損傷檢測變化更加困難和不可靠。

雖然近來有部分學者注意到以上問題，開展了一些對傳感器性能退化數據進行重構和替換的工作，例如利用PCA、MCPCA等，但是大部分并未考慮在傳感器性能退化時其采集的信號含有一定的結構自身信息。

發明內容

本發明的目的在于提供一種考慮傳感器性能退化的信號重構方法，從而達到即保留當傳感器發生性能退化時采集的結構有效信息又摒棄采集的信號中的傳感器自身的性能退化信息。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種考慮傳感器性能退化的信號重構方法：首先，利用lp范數熵標準作為代價函數選擇小波函數和分解層數；其次，計算完好信號和傳感器性能退化信號的各層小波細節系數，并計算出完好信號和傳感器性能退化信號之間的對應各層小波細節信號的相關系數，同時定位相關系數大于閾值的層數；最后，將完好信號中的該層的小波細節系數中的相關系數用傳感器性能退化信號中的該層的小波細節系數進行替換，并利用小波重構手段進行數據重構，從而完成考慮傳感器性能退化的信號重構。

在本發明實施例中，該方法具體包括如下步驟：

步驟1：采集加速度響應信號，其中，該加速度響應信號含完好信號和傳感器性能退化信號，并識別出傳感器性能退化信號發生時刻；

步驟2：按公式(1)-(3)計算完好信號的小波能量譜lp范數熵；

假設采集到的結構加速度響應信號為x(t)，則其可表示為：

??????????????????????????????????????????????????（1）

其中：x_i,j(t)是小波包分解重構系數，i為小波包分解層數，且i=3,4,…10，j為分解階層所在的位置結點，且j=0,1,2,…,2^i-1；t是時間序列；

那么小波包在i層j節點的小波包能量譜E_i,j則可以由公式(2)表示：

??????????????????????????????????????????????????（2）

小波包能量譜lp范數熵S_k(E_i)的計算式見公式(3)：

??????????????????????????????????????????????????（3）

其中：k為db族小波函數dbN小波中的N，且N=3,4，…20；i為小波包分解層數；E為小波包能量譜；S為小波包能量譜的范數熵值；且1≤p≤2；

步驟3：依據公式(4)選擇小波函數和分解層數：

???????????????????????????????（4）