[发明专利]一种结构动态位移非积分重构方法

说明书

本发明提出了一种结构动态位移非积分重构方法，具有较高的位移重构精度。本发明通过将结构实测加速度信号表示成具有普罗尼信号特征的拟合信号，实现了对实测加速度信号中基线漂移项、结构振动项、噪声项的有效剥离，得到了不包含基线漂移项的剩余加速度的普罗尼信号序列。本发明推导、建立了基于普罗尼信号参数的加速度‑位移关系，实现了基于剩余普罗尼信号序列的结构速度与位移的精准重构。本发明在位移重构上继承了普罗尼信号对于非周期性信号表征的优势，避免了漂移项误差。本发明是通过加速度信号特征参数建立加速度和位移之间的转换关系来实现位移重构，避免了传统的基于积分和高通滤波法所存在的信号低频项损失。

技术领域

本发明涉及一种结构动态位移非积分重构方法。

背景技术

动态位移是描述结构工程动力特性最重要的测量指标之一，可以直接转化为结构的应变和变形，提供结构运行的有效信息。特别是当结构具有非线性特性或永久变形时，结构的动态位移至关重要。除传统应用外，结构振动引起的动态位移也被广泛应用于工程之中，如结构振动控制、健康监测和系统识别等领域。虽然位移是非常有用的，但是对位移的直接测量通常是困难且具有挑战性的。这是因为位移是一个相对量，在使用传统的设备，如激光位移传感器、线性可变差动变压器等进行位移测量时，通常需要一个静态的参考点来支持设备，这在实际环境中往往很难实现。虽然全球定位系统(GPS)在测量时不需要固定的参考点，但它的采样频率较低(通常为1hz至20hz)且精确度有限(约为1.0cm)。此外，GPS的使用也会带来高昂的成本。此外，GPS记录的信号在某些情况下可能会丢失必要的信息。

与结构动态位移的测量相比，加速度的测试不需要固定的参考点，测试更加成熟准确，在结构测试中得到了广泛的应用。基于加速度测试的优点，目前更倾向于从实测加速度中重构结构的真实动态位移信息。理论上，由于加速度与速度之间存在严格的数学变换关系，可以通过二次积分重构结构的位移信息。然而由于结构在运行过程中其初始速度和初始位移未知，重构的动态位移中会存在严重的漂移项，因此直接对加速度积分通常是不可行的。

目前针对积分后得到的位移中的漂移项这一问题，主要有两大类方法。第一类方法是采用对加速度信号进行傅里叶变换转换到频域，并在频域进行积分，最后通过传递函数和傅里叶逆变换将积分后的位移转换到时域。由于实测的加速度信号通常难以满足傅里叶变换的周期性假设，因此使用频域积分方法得到的位移不可避免的会产生较大的截断误差。时域积分法直接在时域内对加速度进行处理，避免了傅里叶变换带来的误差，但是由于未知的初始条件的影响，不可避免的会在重构位移中产生漂移项。因此目前大部分的研究都集中于时域重构位移中漂移项的去除。Trifunac和Lee(1973)结合基线校正和高通滤波，提出了时域的位移重构方法。Converse和Brady(1992)在加速度信号的开始和结束阶段进行填补，并采用最小二乘线性拟合和高通滤波对位移进行了重构。Chiu(1997)通过对加速度进行最小二乘拟合和高通滤波，并减去其中的初始速度，实现了位移重构。Boore等人(2002)对速度进行最小二乘拟合，对调整函数进行微分并从加速度中去除，从而实现了基线的调整。Darragh等人(2004)采用线性拟合、双线性分段拟合和二次拟合三种函数分别对速度进行拟合，并在不适用高通滤波的情况下对位移进行重构。Park等人(2005)通过减去加速度和速度的均值调整基线，有效地实现了桥梁位移的重构。但是上述方法都是采用基线拟合和高通滤波相结合的方法实现位移重构，然而在滤波过程中，不可避免地会滤除信号中的低频分量，会导致重构位移的不准确。

发明内容

本发明的目的是提供了一种结构动态位移非积分重构方法，基于加速度信号的分解与重构，将实测的加速度信号表征为满足普罗尼信号特征的形式，并去除其中会引起漂移的成分。然后通过利用剩余的普罗尼信号参数重构结构的真实速度和位移，并计算结构的初始速度和位移。对于速度和位移的重构，本发明基于加速度的分解与重构，使用普罗尼信号参数建立了加速度与速度和位移之间的数学关系，避免了积分引起的误差，同时也克服了传统基于高通滤波方法会带来的信号中低频项损失的问题，最终实现结构位移的高精度重构。

本发明采用以下技术方案予以实现：