[發(fā)明專利]一種適用于工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)的在線遞推譜分析方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910550173.3
• 申請(qǐng)日: 2019-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN110243562B
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 淡丹輝;余學(xué)文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M7/02
• 分類號(hào): G01M7/02
• 代理公司: 上海科律專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 劉瑩

本發(fā)明公開一種適用于工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)的在線遞推譜分析方法，先估計(jì)出初始時(shí)刻具有一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)序列的頻譜；然后用新采樣的數(shù)據(jù)塊更新初始數(shù)據(jù)序列；再根據(jù)前一步和后一步的頻譜之間的遞推關(guān)系，利用前一步的估計(jì)結(jié)果估計(jì)出下一步的頻譜，并更新接下來(lái)用到的相關(guān)變量；通過(guò)新采樣的樣本持續(xù)地更新數(shù)據(jù)序列并不斷地向前進(jìn)行譜估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了譜的在線連續(xù)分析。本發(fā)明能從數(shù)據(jù)數(shù)列中連續(xù)地識(shí)別出具有高精度和高分辨率的頻譜，基于此，可識(shí)別工程結(jié)構(gòu)的時(shí)變頻率以及基于時(shí)變頻率的其他時(shí)變參數(shù)，并據(jù)此以來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的在線遞推譜分析方法，特別涉及一種適用于在線監(jiān)測(cè)環(huán)境下的工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)的在線遞推譜分析方法。

背景技術(shù)

譜估計(jì)是工程監(jiān)測(cè)信號(hào)處理的重要內(nèi)容，其本質(zhì)是從有限長(zhǎng)度的信號(hào)記錄中，估計(jì)信號(hào)能量在頻率域上的分布。譜分析方法分為兩大類型，一種是非參數(shù)分析方法，另一種是參數(shù)分析方法。前者統(tǒng)一解釋為通過(guò)一組頻率相關(guān)的窄帶濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，并估計(jì)濾波器輸出的功率；后者需要預(yù)先對(duì)數(shù)據(jù)假設(shè)一個(gè)模型，從而將譜估計(jì)問題簡(jiǎn)化為對(duì)假設(shè)模型中參數(shù)的估計(jì)問題。當(dāng)數(shù)據(jù)確實(shí)滿足所假設(shè)的模型時(shí)，參數(shù)化方法比非參數(shù)化方法的譜估計(jì)更為準(zhǔn)確。然而，實(shí)際情況下，假設(shè)的模型形式和真實(shí)情況并不能總是符合，這將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的估計(jì)結(jié)果。而非參數(shù)化方法由于其不需要任何先驗(yàn)知識(shí)，魯棒性更好。

目前，應(yīng)用最廣泛的非參數(shù)譜分析方法是傅里葉變換及其變體。眾所周知，傅立葉變換的缺點(diǎn)在于：它的頻率分辨能力有限，旁瓣較高。近年來(lái)，一類具有高分辨率能力的非參數(shù)自適應(yīng)濾波器組譜估計(jì)方法被提出并加以成功應(yīng)用，這類方法不需要對(duì)譜結(jié)構(gòu)做任何強(qiáng)制性假設(shè)，也不依賴于傅立葉變換，因此可以適應(yīng)任意平穩(wěn)信號(hào)的高分辨率譜估計(jì)。這類方法包括Capon法、APES法以及它們的變體。已經(jīng)證明，Capon法是向下有偏差的，通常低估了實(shí)際長(zhǎng)度樣本的譜值；而APES幾乎沒有偏差。

目前，監(jiān)測(cè)信號(hào)的譜估計(jì)多為離線批處理的方式，一個(gè)值得解決的問題是，如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)力監(jiān)測(cè)信號(hào)的連續(xù)、在線譜分析。再此基礎(chǔ)上，進(jìn)行時(shí)變譜以及其他基于時(shí)變譜的、能反應(yīng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的時(shí)變參數(shù)(索力，結(jié)構(gòu)模態(tài)等)的識(shí)別。在線分析的一種實(shí)現(xiàn)途徑是遞推化算法。已有的遞推APES算法每次計(jì)算更新的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1。當(dāng)信號(hào)采樣頻率較大，比如工程上傳感器常用的100Hz，這就意味著一次計(jì)算必須在0.01s內(nèi)完成才能保證連續(xù)計(jì)算，現(xiàn)有算法的計(jì)算效率通常難于滿足這一要求。因此，迫切需要一種針對(duì)在線監(jiān)測(cè)環(huán)境設(shè)計(jì)的，能夠?qū)y(cè)量信號(hào)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)譜分析的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是要提供一種滿足在線分析實(shí)時(shí)性要求的適用于工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)的在線遞推譜分析方法。

為了解決以上的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種適用于工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)的在線遞推譜分析方法，該方法先估計(jì)出初始時(shí)刻具有一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)序列的頻譜；然后用新采樣的數(shù)據(jù)塊更新初始數(shù)據(jù)序列；再根據(jù)前一步和后一步的頻譜之間的遞推關(guān)系，利用前一步的估計(jì)結(jié)果估計(jì)出下一步的頻譜，并更新接下來(lái)用到的相關(guān)變量；通過(guò)新采樣的樣本持續(xù)地更新數(shù)據(jù)序列并不斷地向前進(jìn)行譜估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了譜的在線連續(xù)分析。該方法包括以下步驟：

(1)輸入用戶參數(shù)

a)確定采樣頻率F_s，初始步的離散數(shù)據(jù)序列x_N(t)：

x_N(t)＝(x(t-N+1)，x(t-N+2)，…，x(t))^T t≥N (1)

式中，x(n)是n時(shí)刻的采樣值，為表示方便，時(shí)間n的單位為采樣間隔，(·)^T表示轉(zhuǎn)置；

b)選定計(jì)算幀長(zhǎng)度N，采樣幀長(zhǎng)度S，快照長(zhǎng)度M，快照個(gè)數(shù)L。其中L、M和N有如下關(guān)系：

L＝N-M+1 (2)

c)確定考慮的頻率范圍和頻率分辨率：