CN102608223A - 一种基于谱能比的数字信号分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于谱能比的数字信号分析方法，本发明通过如下三个步骤，实现了对工程质量的高效无损检测：S1，通过物探方法记录得到被检测对象的物性波形信号；S2，通过短时窗滚动频谱分析法对所述波形信号进行傅里叶变换，再得出其谱能分析图；S3，本发明通过对所述谱能分析图的分析计算得出所述被检测对象的状态。本方法可应用于预应力管道注浆、锚索、锚杆、钢筋笼和基桩等工程的施工质量检测，对其无损检测数据进行分析。随着对检测对象检测记录到的波形数字信号，提出了谱能分析方法，对预应力管道注浆、锚索、锚杆、钢筋笼和基桩的施工质量进行十分有效的分析解译。

Description

一种基于谱能比的数字信号分析方法

技术领域

本发明涉及分析及测量技术领域，尤其涉及一种基于谱能比的数字信号分析方法。

背景技术

随着预应力管道注浆、锚索、锚杆、钢筋笼和基桩等工程的广泛应用，急需一种高效的无损检测方法对以上工程的施工质量检测，但目前的检测分析方法并没有一种可以对桥梁预应力管道注浆质量进行高效精确无损检测的；目前的检测分析方法也没有可以应用于对锚索自由段长度进行高效精确无损检测的方法，从而无法确保锚固工程的质量与安全，目前的检测分析方法也没有可以应用于对钢筋笼长度进行高效精确无损检测的方法。

发明内容

为了解决以上问题并填补技术空白，本发明提供了一种基于谱能比的数字信号分析方法，本方法可应用于预应力管道注浆、锚索、锚杆、钢筋笼和基桩等工程的施工质量检测，对其无损检测数据进行分析。随着对检测对象检测记录到的波形数字信号，提出了谱能分析方法，对预应力管道注浆、锚索、锚杆、钢筋笼和基桩的施工质量进行十分有效的分析解译。

本发明提供的基于谱能比的数字信号分析方法，包括以下步骤：

S1，通过物探方法记录得到被检测对象的物性波形信号；

S2，通过短时窗滚动频谱分析法对所述波形信号进行傅里叶变换，再得出其谱能分析图；

S3，通过对所述谱能分析图的分析计算得出所述被检测对象的状态。

优选的，S1具体为：使用物探方法记录得到被检测对象的物性波形信号；所述波形信号包括相位、振幅和频率，所述相位、振幅和频率与所述被检测对象在不同时-深位置的状态成对应关系。

优选的，S2具体为：通过傅里叶变换将S1中记录得到的所述波形信号转化为频谱信号，将波形的非周期函数分解为构成被检测对象的不同介质物性波形信号的简谐函数之和，对其进行谱能分析，得出其谱能分析图。

优选的，S3具体为：在所述谱能分析图中以时窗的滚动方法进行定位，通过对时窗内信号进行傅里叶积分，利用公式计算得出被检测对象的谱能比，再结合所述谱能分析图呈现的特征分离识别出被检测对象的状态。

优选的，所述利用公式计算得出被检测对象的谱能比，具体为，通过傅里叶变换获得被检对象物性信号的频谱信息，然后利用所述公式计算被检对象物性信号的能量与总能量之比；所述能量是指频响带谱线轮廓面积，所述总能量是指全频段谱线轮廓面积。

优选的，所述被检对象物性信号的能量与总能量之比，具体为，构成被检测对象中某单一介质频响的简谐谱与被检测对象频响的复合谱的谱能比。

优选的，所述公式为：

$K=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_1}^{{\mathrm{\ω}}_2}F\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}}{{\∫}_{-\∞}^{\∞}F\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}}$

式中：K-谱能比

ω₁、ω₂-被检测物频响范围

ω-角频率

F(ω)-信号的频谱信息

优选的，所述谱能分析图呈现的特征指的是：如果所述谱能分析图呈现自由弦振的谐振谱特征时，则所述被检测对象处于自由状态；如果所述谱能分析图呈现出边坡岩体或梁板构件体系振动的复合谱特征时，则所述被检测对象处于受束状态。

优选的，所述自由弦振的谐振谱特征是指频率单一和/或所述谱能比大于预设阀值；所述边坡岩体或梁板构件体系振动的复合谱特征是指所述谱能比小于或等于预设阀值。

优选的，所述物探方法是指利用声和/或光和/或磁和/或电的特性，在不损害或不影响被检对象的前提下对被检对象进行探测的方法。

优选的，所述物探方法是指使用声波仪和/或地震仪和/或地质雷达等，采用反射法对被检对象进行探测的方法。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的基于谱能比的数字信号分析方法揭示了一种桥梁预应力管道注浆质量无损检测的方法，使得新建桥梁质量得以控制，延长其使用寿命，对我国公路、铁路桥梁的健康运营意义重大。

(2)本发明提供的基于谱能比的数字信号分析方法，可以提高锚索锚杆锚固工程检测结果的准确性，填补锚索自由段长度无损检测领域的空白，使得锚索检测工作的质量和检测评定结果具有高度可靠性，确保锚固工程的质量与安全。

(3)本发明提供的基于谱能比的数字信号分析方法，可以高精度的检测钢筋笼长度，填补钢筋笼长度无损检测领域的空白。

(4)本发明提供的基于谱能比的数字信号分析方法，可以提高基桩无损检测的精度。桩基工程属于隐蔽工程，质量检测至关重要。

附图说明

图1为边坡锚索施工示意图；

图2为预应力孔道断面示意图，其中1、2、3、4、5均为钢束；

图3为谱能分析处理过程；

图4为锚索施工质量谱能系数曲线；

图5为预应力锚索施工质量反演图；

图6为本明的步骤流程图；

图7为预应力孔道压浆质量声波检测频谱分析；

图8为单边数据采集钢束振动信号；

图9为钢束压浆包裹率(％)；

图10为预应力孔道压浆质量反演图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于谱能比的数字信号分析方法，计算自由弦振动的简谐谱(主频强度)与受束振动的复合谱(全谱强度)的谱能比，分离识别出检测对象的状态，从而达到了检测预应力管道注浆、锚索、锚杆、钢筋笼和基桩等工程施工质量的目的。

实现本发明的上述目的所采取的技术方案是：

检测记录到的波形数字信号，其相位、振幅、频率反映了检测对象在不同时-深位置的状态。通过短时窗滚动频谱分析法对波形信号进行傅里叶变换，再得出其谱能分析图。

当检测对象呈现自由弦振的谐振谱(主频)特征，其频率单一，谱能比大，说明检测对象处于自由状态(空腔)；当检测对象呈现出边坡岩体或梁板构件体系振动的复合谱(全谱)特征，其谱能比小，说明检测对象处于受束状态(密实)。通过以上处理分析，最终达到检测预应力管道注浆、锚索、锚杆、钢筋笼和基桩等工程的施工质量的目的。

本发明的数学模型如下：

物质由不同介质构成，各种介质物理特性的综合构成了物质的特征，通过物探方法记录到的物性波形信号是其物质特征的表现形式之一。

一、采样信号的波形与频谱互为傅里叶变换

f(t)的傅里叶变换F(ω)：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(t\right)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{dt}$

F(ω)的傅里叶逆变换f(t)：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}F\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ωt}}\mathrm{d\ω}$

二、采样信号的分解

傅里叶变换具有叠加性，通过傅里叶逆变换可将一个非周期信号的频谱分解为时间t连续变化的无数个周期信号的叠加：

三、物性频谱响应的分离

同样，傅里叶变换也可将一个非周期信号分解为角频率ω连续变化的无数谐波的叠加。称F(ω)为函数f(t)的频谱密度函数。

$\frac{1}{2\mathrm{\π}}F\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ωt}}\mathrm{d\ω}$

若将频谱密度函数轮廓线所圈定的面积视为介质频谱响应能量，则被测物体频谱总能量等于构成物体的不同介质频谱响应能量之和：

${\∫}_0^{\∞}F\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}={\∫}_{{\mathrm{\ω}}_1}^{{\mathrm{\ω}}_2}{F}_1\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}+{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_2}^{{\mathrm{\ω}}_3}{F}_2\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}+\·\·\·+{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_{n-1}}^{{\mathrm{\ω}}_n}{F}_n\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}$

四、谱能比分析方法

通过傅里叶变换获得检测记录信号的频谱信息F(ω)，然后计算被检对象物性信号的能量(频响带谱线轮廓面积)与总能量(全频段谱线轮廓面积)之比，为谱能比分析方法。

谱能比计算推导公式：

$K=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_1}^{{\mathrm{\ω}}_2}F\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}}{{\∫}_{-\∞}^{\∞}F\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}}$

式中：K-谱能比；ω1、ω2-被检测物频响范围；ω-角频率；t-时间

“预应力锚索孔道压浆质量分析软件”正是基于谱能比的数字信号分析方法，以申请人为第一著作权人(著作权登记号：2011SR058533)编制的专项检测软件。下面结合附图和实例，对本发明作进一步说明：

实例1：

如图1所示边坡锚索施工，使用声波仪，采用声波反射法对边坡预应力锚索施工质量进行检测。依次拾取如图2的各条钢束的声波反射后续波信号。

通过“预应力锚索孔道压浆质量分析软件”进行数据解译，其分析过程：简谐函数的傅里叶积分与非周期函数的傅里叶积分之比计算谱能系数k。采用短时窗滚动频谱分析法，即采用傅里叶变换分析钢束在不同状态下的振动特征，分离识别出钢束的赋存状态，并以谱分析时窗的滚动方法进行定位，最终达到检测锚索自由段、锚固段及总长度的目的。其具体分析过程如图3所示，绘制出锚索施工质量谱能系数曲线如图4所示。

(1)自由段呈现自由振动状态，振动函数为简谐函数，谱能系数k大于标定阀值；

(2)钢束在松散岩体中被锚固，其振动函数为非周期函数，且影响钢束振动的背景多为丰富的高频杂波信号，谱能系数k小于标定阀值；

(3)钢束在基岩岩体中被锚固，由于影响钢束振动的背景为稳定单一的基岩，所以其振动函数为相对简单的非周期函数，谱能系数大小视岩体的完整性而定：即岩体越完整，谱能系数越大；岩体越破碎，谱能系数越小；

(4)随机信号不受钢束及赋存环境的物性影响，其频谱特征无序，但可与有序信号区分识别。

根据以上四点画出预应力锚索施工质量反演图如图5所示。并得出结论：自由段长度9.46m，锚索总长度24.73m；锚固密实度83.66％，锚索锚固度质量等级II。实际计算钢束波速4300m/s，表明锚索张拉力不足。

实例2：

对于连续钢构桥梁底板预应力孔道端头，使用声波仪，采用声波反射法对波纹管压浆密实性进行检测。从预应力孔道一端(对于较长波纹管可从两端)依次拾取各条钢束的声波反射后续波信号如图7所示。

(1)钢束在自由状态(空腔)下，呈现自由弦振动的谐振谱(主频)特征；

(2)钢束在受束状态(密实)下，则呈现出梁板构件体系振动的复合谱(全谱)特征。

如图8所示采用预应力孔道压浆质量声波检测频谱分析，用傅里叶变换分析钢束在不同状态下的振动特征，分离识别出钢束的赋存状态，并以谱分析时窗的滚动方法进行定位，最终达到预应力孔道压浆质量的检测目的。

通过简谐函数的傅里叶积分与非周期函数的傅里叶积分之比计算谱能系数k根据回波的傅里叶积分谱能系数来判断钢束的状态：

(1)k≤标定阀值，则该计算窗口位置段判定为钢束处于压浆包裹中；

(2)k＞标定阀值，则该计算窗口位置段判定为钢束处于自由状态。预应力孔道钢束压浆包裹率：

$D=\frac{a-b}{a}\×100\%$

式中D为预应力孔道钢束压浆包裹率，a为钢束总根数，b为包裹不实钢束根数。

根据上式计算出如图9所示的钢束压浆包裹率；并得出如图10所示的预应力孔道压浆质量反演图。最后得出结论：预应力孔道从A端(包括外露段)计5.05m、5.35m、5.55m、5.85-6.05m、7.9m、8-8.15m、8.3-8.5m等多处钢束压浆包裹率低于60％，孔道呈压浆不饱满状态；预应力孔道压浆合格率为98.53％，质量等级A。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，通过物探方法记录得到被检测对象的物性波形信号；

S2，通过短时窗滚动频谱分析法对所述波形信号进行傅里叶变换，再得出所述波形信号的谱能分析图；

S3，通过对所述谱能分析图的分析计算得出所述被检测对象的状态。

2.根据权利要求1所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，S1具体为：使用物探方法记录得到被检测对象的物性波形信号；所述波形信号包括相位、振幅和频率，所述相位、振幅和频率与所述被检测对象在不同时-深位置的状态成对应关系。

3.根据权利要求1所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，S2具体为：通过傅里叶变换将S1中记录得到的所述波形信号转化为频谱信号，将波形的非周期函数分解为构成被检测对象的不同介质物性波形信号的简谐函数之和，对其进行谱能分析，得出其谱能分析图。

4.根据权利要求1所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，S3具体为：在所述谱能分析图中以时窗的滚动方法进行定位，通过对时窗内信号进行傅里叶积分，利用公式计算得出被检测对象的谱能比，再结合所述谱能分析图呈现的特征分离识别出被检测对象的状态。

5.根据权利要求4所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，所述利用公式计算得出被检测对象的谱能比，具体为，通过傅里叶变换获得被检对象物性信号的频谱信息，然后利用所述公式计算被检对象物性信号的能量与总能量之比；所述能量是指频响带谱线轮廓面积，所述总能量是指全频段谱线轮廓面积。

6.根据权利要求5所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，所述被检对象物性信号的能量与总能量之比，具体为，构成被检测对象中某单一介质频响的简谐谱与被检测对象频响的复合谱的谱能比。

7.根据权利要求4或5或6所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，所述公式为：

$K=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_1}^{{\mathrm{\ω}}_2}F\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}}{{\∫}_{-\∞}^{\∞}F\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}}$

式中：K-谱能比

ω₁、ω₂-被检测物频响范围

ω-角频率

F(ω)-信号的频谱信息。

8.根据权利要求4所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，所述谱能分析图呈现的特征指的是：如果所述谱能分析图呈现自由弦振的谐振谱特征时，则所述被检测对象处于自由状态；如果所述谱能分析图呈现出边坡岩体或梁板构件体系振动的复合谱特征时，则所述被检测对象处于受束状态。

9.根据权利要求8所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，所述自由弦振的谐振谱特征是指频率单一和/或所述谱能比大于预设阀值；所述边坡岩体或梁板构件体系振动的复合谱特征是指所述谱能比小于或等于预设阀值。

10.根据权利要求1所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，所述物探方法是指利用声和/或光和/或磁和/或电的特性，在不损害或不影响被检对象的前提下对被检对象进行探测的方法。

11.根据权利要求10所述的基于谱能比的数字信号分析方法，其特征在于，所述物探方法是指使用声波仪和/或地震仪和/或地质雷达，采用反射法对被检对象进行探测的方法。

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