[发明专利]一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法

说明书

本发明涉及一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法，所述方法包括：根据结构响应的多时间尺度特性，定义响应中的缓变和瞬变成分；计算实测结构响应实值信号的复值解析信号，并将结构响应中缓变和瞬变成分的分离问题，等效转换为基于模态估计带宽的约束变分最优化问题；运用交替方向乘子法对其进行求解，实现对结构响应中缓变和瞬变成分的同步分离。本发明提供的方法具有自适应、非递归、非线性等特点；交替方向乘子法的运用确保了对各响应分量的非线性分离；内嵌的维纳滤波可有效滤除响应分量中的潜在噪声，从而确保了响应分离结果的保真性。进而为结构状态评估等进一步的健康监测手段提供所需的、准确的、独立的缓变和瞬变响应数据。

技术领域

本发明属于土木工程结构健康监测、信息处理领域，具体涉及一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法。

背景技术

土木工程结构在服役期间遭受着各种荷载作用，这使得通过传感器获得的结构响应信息中存在有多种荷载作用引起的响应分量。以大跨空间结构为例，其外围结构构件的响应主要由结构或构件自身质量引起的重力、由太阳辐射(日温差)、骤然降温和年温差引起的温度响应以及由风荷载引起的活载响应构成。在上述各荷载作用中，自重的时间尺度最长；年温差的时间尺度次之；骤然降温过程通常需几天才能完成，故其时间尺度略长于日温差的时间尺度；日温差的时间尺度较短，其以天为单位呈周期变化趋势；风荷载的时间尺度最短，且其引起的活载响应具有明显的随机性。以日温差引起的响应分量的频率成分作为界限，定义低于该频率成分的响应分量为缓变成分，高于该频率成分的响应分量为瞬变成分，则缓变成分主要由温度作用引起，瞬变成分主要由风载等作用时间短随机性强的荷载引起。响应分离便是运用信号分离的手段，将实测响应信息分解为互无干扰的缓变温度响应成分和瞬变活载响应成分。

信号分离方法中最常用的是主成分分析，该方法将实测响应的第一主成分作为温度作用引起的响应分量所在之子空间，通过对第一主成分的数据重构实现对实测响应中缓变温度成分的分离。但是，考虑到主成分分析的本质是一种线性工具，故该方法可有效分离实测响应中缓变成分和瞬变成分的必要前提是环境温度对其影响为线性，则当主成分分析用于处理复杂结构响应的非线性问题时，主成分分析将无法充分发挥作用。

近年来，一些用于处理非线性问题的非线性信号分离方法应运而生，如小波包分解和经验模态分解。这些方法的问题在于：小波分析作为一种信号时频分析方法，虽具有可变的时频窗口，但实际上是对时频平面的机械格型分割，其本质上不是一种自适应的信号处理方法。经验模态分解属递归模式类型的高自适应信号分离方法，它通过循环筛选的方式进行信号的逐层分离，故该方法无法同时提取不同本征模态，这使其计算效率较低；同时，经验模态分解缺乏完善的理论基础支撑，其对时间序列的平稳化处理完全基于信号的时域特性展开，这使其不可避免的存在有端点效应、样条函数拟合的合理性以及模态混叠等问题。

通过分析现有的信号分离方法，发现目前的方法在实现响应信号中缓变和瞬变成分的有效分离上仍有不足，故有必要设计一种抗噪能力强的自适应非递归非线性信号分离方法，以实现对获取于传感器的实测响应信息中缓变和瞬变成分的同步且非线性的高效分离，进而为结构状态评估等进一步的健康监测手段提供所需的、准确的、独立的缓变和瞬变响应分量数据。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法，该方法包括：

根据传感器实测结构响应的多时间尺度特性，对结构响应中的缓变和瞬变成分进行定义；

针对传感器获得的结构响应实值信号，计算其相应的复值解析信号；

将结构响应中缓变和瞬变成分的分离问题，等效转换为基于模态估计带宽的约束变分最优化问题；

运用交替方向乘子法求解该约束变分最优化问题，实现对结构响应中缓变和瞬变成分的同步分离。