基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的橋梁應(yīng)變信號降噪方法
【專利摘要】本發(fā)明提出基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法的橋梁應(yīng)變信號降噪方法，首先通過橋梁關(guān)鍵部位上設(shè)置的應(yīng)變信號采集單元進行數(shù)據(jù)采集，提取出橋梁關(guān)鍵部位的應(yīng)變信號；其次是對提取出的應(yīng)變信號做經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD處理，具體分析經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解得到的本征模函數(shù)IMF分量，對IMF分量中含噪較大的分量進行相對應(yīng)的閾值濾波；最后將通過閾值濾波后的IMF分量與原始IMF分量中含噪較小的IMF分量以及殘余分量一起進行EMD信號重構(gòu)，從而得到降噪后的橋梁應(yīng)變信號。
【專利說明】
基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的橋梁應(yīng)變信號降噪方法 一、
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種信號降噪方法，涉及到橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，具體是一種基于經(jīng)驗 模態(tài)分解的橋梁應(yīng)變信號降噪方法。 二、
【背景技術(shù)】
[0002] 橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測在橋梁的管理和養(yǎng)護中發(fā)揮著不可替代的作用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 數(shù)據(jù)是分析橋梁結(jié)構(gòu)損傷以及外界激勵作用的重要參考。而獲得結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的一個 重要途徑是則通過分析橋梁各關(guān)鍵部位的應(yīng)變數(shù)據(jù)得到。但是我們通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng) 得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)中總是不可避免的包含各種各樣的噪聲，甚至在某些時刻，噪聲會淹沒橋 梁應(yīng)變信號的原始特征，如果我們直接使用通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)做結(jié) 構(gòu)健康分析，則很可能導(dǎo)致我們得到的結(jié)構(gòu)健康檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，從而造成重大的安全隱 患。而現(xiàn)有的降噪方法在處理橋梁應(yīng)變信號的時候，總是不能完美地將信號中的噪聲去除。
[0003] 采用基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的閾值濾波來對橋梁應(yīng)變信號進行降噪處理，其能夠在保 留原始應(yīng)變數(shù)據(jù)基本特征的前提下，將其中的噪聲基本去除。我們可以根據(jù)不同IMF分量的 時頻特性，設(shè)計相對應(yīng)的閾值濾波器對其進行處理。最后將處理后的IMF分量與未處理的 頂F分量以及殘余分量一起進行信號重構(gòu)，得到降噪后的應(yīng)變信號。該方法對于確保橋梁結(jié) 構(gòu)健康檢測的準(zhǔn)確性有著積極作用，同時對橋梁的管理與維護也有著不可或缺的作用。 三、

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，提供一種方便高效的橋梁應(yīng)變信號降噪方法，該方法可以將 橋梁應(yīng)變信號中的噪聲基本去除，從而確保通過分析橋梁應(yīng)數(shù)據(jù)得到的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該方法還可廣泛用于大型建筑、交通隧道等會常見的重大基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)變 數(shù)據(jù)的降噪處理。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法的橋梁應(yīng)變信號降噪方法，首 先通過橋梁關(guān)鍵部位上設(shè)置的應(yīng)變信號采集單元進行數(shù)據(jù)采集，提取出橋梁關(guān)鍵部位的應(yīng) 變信號;其次是對提取出的應(yīng)變信號做經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD處理，具體分析經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解得到 的本征模函數(shù)IMF分量，對IMF分量中含噪較大的分量進行相對應(yīng)的閾值濾波;最后將通過 閾值濾波后的IMF分量與原始IMF分量中含噪較小的IMF分量以及殘余分量一起進行EMD信 號重構(gòu)，從而得到降噪后的橋梁應(yīng)變信號。
[0006] 所述的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD處理，是指對橋梁應(yīng)變信號進行從高頻段到低頻段的分 解，其步驟如下:首先，找出通過橋梁上設(shè)置的應(yīng)變信號采集單元采取的關(guān)鍵部位的原始應(yīng) 變信號X(t)的所有極大值點和極小值點，原始應(yīng)變信號通過應(yīng)變信號采集單元取得、取得 的極大值和極小值點指需要降噪信號的整個時間段內(nèi)的;并用三次樣條函數(shù)對所有極大值 點和極小值點進行擬合，分別對應(yīng)得到上包絡(luò)線m(t)和下包絡(luò)線u 2(t)，并求出"仂與仍 (t)的均值&1(〇，即&1(〇 = (1!1(〇+1!2(〇)/2;接著用原始信號乂(〇減去&1(〇后得到一個除 去低頻的新信號nu(t)，即nuUhXUhadt);通常情況下nu(t)并不滿足本征模函數(shù)頂F分 量的要求，即信號的極大值點與極小值點的數(shù)目和過零點的數(shù)目相等或最多相差一個以及 由局部極大值構(gòu)成的上包絡(luò)線和由局部極小值構(gòu)成的下包絡(luò)線的平均值為零。因此對Hl1 (t)重復(fù)進行上述操作，即找出m(t)的所有極大值與極小值點，然后求出兩者平均a2(t)，再 用m(t)減去a 2(t)得到m2(t)，如果m2(t)仍然不滿足MF分量的要求，則繼續(xù)重復(fù)上述操作， 直到得到的某一級m n(t)符合頂F分量的要求，這樣就得到了第一級MF分量C1(t)，C1(t)表 示原始應(yīng)變信號中頻率最高的部分;接下來用X(t)減去 C1(t)得到n(t)，并對n(t)重復(fù)上 述操作得到第二級頂F分量c2(t);不斷重復(fù)上述步驟，得到其余所有的頂F分量以及殘余分 量;橋梁應(yīng)變原始信號X(t)經(jīng)過EMD分解后可以用如下的公式表示：
[0007]
[0008] 其中X(t)代表橋梁應(yīng)變原始信號，Cl(t)代表所有的IMF分量，rn(t)代表殘余分量。 取得的極大值和極小值點指需要降噪信號的整個時間段內(nèi)的。
[0009] 所述的閾值通過如下公式計算：
[0010]
[0011] 其中var為頂F分量的方差，L為頂F分量的長度，ThrValue為每級頂F分量所對應(yīng)的 閾值。
[0012] 所述的閾值濾波是指對含噪大的IMF分量進行相對應(yīng)的閾值濾波，最常見的一種 通過如下公式來實現(xiàn)：
[0013]
[0014] 其中，cn(t)為原始各級頂F分量，ThrValue為各級頂F分量對應(yīng)的閾值，average為 各級IMF分量的平均值，q (t)為閾值濾波后的各級IMF分量。
[0015] 所述的EMD信號重構(gòu)是指將經(jīng)過閾值濾波后的MF分量，含噪較小的MF分量以及 殘余分量進行信號重構(gòu)，從而得到降噪后的橋梁應(yīng)變信號，通過如下公式計算實現(xiàn)：
[0016]
[0017]其中ci(t)代表未經(jīng)過閾值濾波的MF分量，即原始信號經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后含噪較小 的頂F分量，％⑴代表經(jīng)過閾值濾波后的MF分量，rn(t)為殘余分量，又⑴代表降噪后的橋 梁應(yīng)變信號。
[0018] 本發(fā)明的有益效果包括：
[0019] (1)采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，從實際數(shù)據(jù)中得出橋梁應(yīng)變數(shù)據(jù)的獨特 性，解決了模擬數(shù)據(jù)的不精確問題；
[0020] (2)采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法對橋梁應(yīng)變信號進行處理，只對含噪較大的MF分量進行 處理，解決了一般降噪方法對整個信號進行處理而帶來的橋梁應(yīng)變信號原始特征丟失問 題；
[0021] (3)采用針對各頂F分量設(shè)計專門的閾值濾波器對其進行濾波，解決了使用同一種 閾值濾波方法對不同的IMF分量進行濾波而帶來的IMF分量原始特征丟失問題；
[0022] (4)通過本發(fā)明創(chuàng)造，可以方便高效地對橋梁應(yīng)變信號進行降噪處理，從而提高橋 梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；
[0023] (5)可根據(jù)本發(fā)明對建筑物以及其他基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)變信號進行降噪處理；
[0024] (6)通過對橋梁應(yīng)變信號做檢驗?zāi)B(tài)分解，結(jié)合特定的針對橋梁應(yīng)變信號的閾值 濾波器，提供一種效率高，降噪效果好的橋梁應(yīng)變信號降噪方法。該方法可以針對橋梁關(guān)鍵 部位應(yīng)變信號的特點，對其進行降噪處理，基本上消除橋梁應(yīng)變原始信號中的噪聲。該方法 還可以廣泛應(yīng)用于大型建筑、交通隧道等常見的重大基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)變信號的降噪處理。 四、
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)采集到的橋梁應(yīng)變數(shù)據(jù)；
[0026] 圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖；
[0027] 圖3是橋梁應(yīng)變數(shù)據(jù)進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解得到的頂F分量以及殘余分量圖；
[0028] 圖4是對含噪較大MF分量進行相對應(yīng)閾值濾波前后對比圖；a、b分別對含噪較大 IMF分量進行相對應(yīng)閾值濾波前后對比圖。
[0029] 圖5是進行EMD信號重構(gòu)后得到的降噪信號(b)與原始橋梁應(yīng)變信號對比圖(a)。 五、
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明做詳細闡述，但本發(fā)明應(yīng)用范圍不限于此例。
[0031] 結(jié)合圖1為某大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)測到的大橋箱梁內(nèi)某結(jié)點的應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以 看到原始應(yīng)變數(shù)據(jù)中含有較大的噪聲，甚至在某些時刻，噪聲淹沒了信號的原始特征。
[0032] 結(jié)合圖2,為本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖，其具體過程為先將原始應(yīng)變信號進行經(jīng)驗 模態(tài)分解，找出分解后得到的IMF分量中含噪較大的IMF分量進行相對應(yīng)的閾值濾波處理， 再用濾波處理后得到的IMF分量與含噪較小的IMF分量以及殘余分量進行EMD信號重構(gòu)，從 而得到降噪后的信號。
[0033] 結(jié)合圖3,為將原始橋梁應(yīng)變信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解之后得到的MF分量以及殘余 分量，原可以看出原始信號被分解成從高頻到低頻段的12個IMF分量以及1個殘余分量，如 以下公式所示：
[0034]
[0035] 其中X (t)代表橋梁應(yīng)變原始信號，Ci (t)代表所有的IMF分量，rn (t)代表殘余分量。 通過進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，噪聲基本分布在前6級IMF分量中，即imfl~imf6,所以只需要對 前6級IMF分量進行相對應(yīng)的閾值濾波就可以將原始信號中的噪聲全部去除。
[0036] 結(jié)合圖4,為將原始信號經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后的前6級MF分量進行如下式所示的閾值 濾波前后的對比：
[0037]
[0038] 其中，cn⑴為原始各級IMF分量，average為各級IMF分量的平均值，尤⑴為閾值濾 波后的各級頂F分量，ThrValue為各級頂F分量對應(yīng)的閾值，通過以下公式算出：
[0039]
[0040] 其中var為頂F分量的方差，L為頂F分量的長度，ThrValue為每級頂F分量所對應(yīng)的 閾值。
[0041]通過對比圖4中（a)和(b)可以看出，經(jīng)過特定設(shè)計的閾值濾波后，原始信號前6級 頂F分量中的噪聲基本被去除，也就意味著原始橋梁應(yīng)變信號中的噪聲基本被去除。
[0042]結(jié)合圖5,為用濾波后的前6級IMF分量以與后6級IMF分量以及殘余分量進行如下 式所示的信號重構(gòu)后得到的降噪后的橋梁應(yīng)變信號與原始信號的對比圖：
[0043]
[0044] 其中Cl(t)代表未經(jīng)過閾值濾波的頂F分量，即原始信號經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后含噪較小 的IMF分量，Kt)代表經(jīng)過閾值濾波后的IMF分量，rn(t)為殘余分量，X(t)代表降噪后的橋 梁應(yīng)變信號。
[0045] 通過對比圖5中（a)和(b)可以得出，經(jīng)過該基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法的橋梁應(yīng)變信號 降噪方法后，原始橋梁應(yīng)變信號中的噪聲基本被去除，且很好的保留了信號的原始特征。 通過該方法可以對橋梁應(yīng)變信號以及一些大型建筑物的應(yīng)變信號進行降噪處理，從而使得 通過這些應(yīng)變信號得出的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠，有助于相關(guān)部門對橋梁進 行根號的管理和維護。
【主權(quán)項】
1. 基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法的橋梁應(yīng)變信號降噪方法，其特征是首先通過橋梁關(guān)鍵部位上 設(shè)置的應(yīng)變信號采集單元進行數(shù)據(jù)采集，提取出橋梁關(guān)鍵部位的應(yīng)變信號；其次是對提取 出的應(yīng)變信號做經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD處理，具體分析經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解得到的本征模函數(shù)IMF分 量，對IMF分量中含噪較大的分量進行相對應(yīng)的闊值濾波;最后將通過闊值濾波后的IMF分 量與原始IMF分量中含噪較小的IMF分量W及殘余分量一起進行EMD信號重構(gòu)，從而得到降 噪后的橋梁應(yīng)變信號。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降噪方法，其特征是所述的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD處理，是指對橋 梁應(yīng)變信號進行從高頻段到低頻段的分解，其步驟如下:首先，找出通過橋梁上設(shè)置的應(yīng)變 信號采集單元采取的關(guān)鍵部位的原始應(yīng)變信號X(t)的所有極大值點和極小值點，原始應(yīng)變 信號通過應(yīng)變信號采集單元取得、取得的極大值和極小值點指需要降噪信號的整個時間段 內(nèi)的；并用Ξ次樣條函數(shù)對所有極大值點和極小值點進行擬合，分別對應(yīng)得到上包絡(luò)線m (t)和下包絡(luò)線U2(t)，并求出m(t)與U2(t)的均值ai(t)，即ai(t) = (山(t)+U2(t))/2;接著 用原始信號X(t)減去ai(t)后得到一個除去低頻的新信號mi(t)，即mi(t)=X(t)-ai(t);通 常情況下mi(t)并不滿足本征模函數(shù)IMF分量的要求；因此對mi(t)重復(fù)進行上述操作，即找 出mi(t)的所有極大值與極小值點，然后求出兩者平均a2(t)，再用mi(t)減去a2(t)得到m2 (t)，如果m2(t)仍然不滿足IMF分量的要求，則繼續(xù)重復(fù)上述操作，直到得到的某一級mn(t) 符合IMF分量的要求，運樣就得到了第一級IMF分量ci(t)，ci(t)表示原始應(yīng)變信號中頻率最 高的部分;接下來用X(t)減去ci(t)得到ri(t)，并對ri(t)重復(fù)上述操作得到第二級IMF分量 C2(t);不斷重復(fù)上述步驟，得到其余所有的IMF分量W及殘余分量;橋梁應(yīng)變原始信號X(t) 經(jīng)過EMD分解后可W用如下的公式表示：其中X (t)代表橋梁應(yīng)變原始信號，ci (t)代表所有的IMF分量，rn( t)代表殘余分量。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的橋梁應(yīng)變信號降噪方法，其特征是所述的IMF分量闊值，通過 如下公式來計算：其中var為IMF分量的方差，L為IMF分量的長度，ThrValue為每級IMF分量所對應(yīng)的闊 值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的橋梁應(yīng)變信號降噪方法，其特征是所述的對含噪IMF分量進行 針對橋梁應(yīng)變信號設(shè)計的闊值濾波，針對不同的IMF分量的性質(zhì)設(shè)計不同的闊值濾波器，從 而將噪聲信號濾除，其中常見的一種濾波通過如下公式實現(xiàn)： 其中，Cn(t)為原始各級IMF分量，Thr化lue為各級IMF分量對應(yīng)的闊值，average為各級 IMF分量的平均值，常(巧為闊值濾波后的各級IMF分量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的橋梁應(yīng)變信號降噪方法，其特征是將闊值濾波得到的IMF分 量，未經(jīng)闊值濾波處理的IMF分量W及殘余分量進行EMD重構(gòu)，通過如下公式實現(xiàn)：其中ci(t)代表未經(jīng)過闊值濾波的IMF分量，即原始信號經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后含噪較小的IMF 分量，τ',·(〇代表經(jīng)過闊值濾波后的IMF分量，rn(t)為殘余分量，X(t)代表降噪后的橋梁應(yīng)變 信號。
【文檔編號】G06Q50/08GK105938542SQ201610150664
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月16日
【發(fā)明人】張暉, 丁華平, 魯明明, 耿朋, 李錦 , 謝兆金, 陳紅梅
【申請人】南京大學(xué), 江蘇金曉電子信息股份有限公司