[发明专利]基于滑动平均与能量归集的海洋结构时频分析方法

说明书

本发明公开一种基于滑动平均与能量归集的海洋结构时频分析方法，在时间轴上施加滑动窗口以考虑信号的非平稳、非线性特征；频率轴上应用复指数分解技术获取平稳信号的极值、留数，通过能量归集技术得到整个时间段内的固有模态函数，进而以Hilbert变换为桥梁，得到时频分布图。本发明既解决了传统复指数分解成分为单一模态的不足，又克服了经验模态分解的模态混叠的问题，显著提升了时频分析精度；在工程上，为包括浮式平台以及浮式风电在内的浮式海洋结构物的时频分析提供了一种新的分析方法，能够为相关结构的设计、检测等工作提供新的技术手段，具有较广的工程应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于滑动平均与能量归集的海洋结构时频分析方法。

背景技术

目前针对海洋结构的时频分析方法主要分为线性时频分析方法和非线性时频分析方法，通过对信号进行时频分析，可以构造一个合适的时间和频率的分布，既可以表示信号的能量或强度，也可以用以估计信号的特征参量。传统线性时频分析方法包括短时傅里叶变换，小波变换等，是由傅里叶频谱分析转换得到的，但它们均以傅里叶变换为其最终理论依据，因而用它们分析非线性信号容易产生虚假信号和假频等矛盾现象。

针对非线性信号的时频分析，目前最重要的方法是希尔伯特黄变换(HHT变换)，它赋予了瞬时频率合理的定义、物理意义和求法，这一方法创造性地提出了固有模态函数的概念以及将任意信号分解为固有模态函数的方法——经验模态分解方法，初步建立了以瞬时频率为表征信号交变的基本量，以固有模态函数为基函数的新时频分析方法体系。但是，经验模态分解是一种经验性的分解方法，缺乏严格的数学推理，难以得到固有模态函数的表达式，同时，当信号中各成份频率相近时，极易发生模态混叠的现象。

发明内容

本发明提出一种对海洋结构进行时频分析的新方法，即基于滑动平均与能量归集的海洋结构时频分析方法，利用基于滑动平均的复指数分解技术得到固有模态函数的极值和留数表达式，从而通过Hilbert变换得到时频图，既解决了传统复指数分解成分为单一模态的不足，又克服了经验模态分解的模态混叠的问题，显著提高了时频分析精度。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于滑动平均与能量归集的海洋结构时频分析方法，包括以下步骤：

步骤A、对于实测的海洋结构信号y(t)，在时间轴上施加滑动窗口，将实测信号y(t)分解为若干个小段信号，施加滑动窗口是基于信号的非平稳、非线性特征的考虑，将每小段内信号近似为时不变信号，保留了信号的时变信息；

步骤B、对于每一小段内的信号，在频率轴上利用复指数分解技术获取平稳信号的极值和留数；

步骤C、在海洋结构物频率范围内对频率进行分段，并对每个频率窗口内的信号进行平均，经能量归集得到整个时间段内的固有模态函数，通过基于滑动平均的的复指数分解技术而非经验模态分解方法得到固有模态函数，克服传统希尔伯特黄变换易发生模态混叠的不足，并给予了固有模态函数表达式；

步骤D、对获得的每一个固有模态函数进行Hibert变换，分析得到海洋结构信号的时频分布图，既解决了传统复指数分解成分为单一模态的不足，又克服了经验模态分解的模态混叠的问题，显著提升了时频分析精度。

进一步的，所述步骤A中，在时间轴上施加的滑动窗口的步长设置为1，以保证分析海洋结构物时信号的连续性，则当滑动窗口滑动第m次时的小段信号就可以表示为：

y_m，n＝y_m+n-1 (1)

式中，m＝0，1，2，…，N-1，n表示第m段信号的第n个点，n＝0，1，…，L-1，L为每小段信号包含的点数。

进一步的，所述步骤A还包括以下步骤：

将获得的海洋结构信号中的每小段信号y_m，n分解为实数或复数的指数形式，即为复指数序列：