CN112762886A - 一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法，使用北斗卫星导航系统技术对桥梁进行动态监测，利用小波分析技术准确提取北斗卫星导航系统监测数据中的有用信息。本发明出了在小波分解北斗卫星导航系统监测数据时将分解系数量化，采取对北斗卫星导航系统监测数据分段去噪的处理手段，分尺度确定小波阈值的大小后再进行小波阈值处理，该方法理论上可以获得更为平滑且保留更多桥梁实际动态特性的去噪结果，采用多层次划分的方法对各频段进行分解，能够对在多分辨率分析中没有分解的高频段进行进一步分解，且能够根据信号自身的特征自适应的将相应频带与原始信号的频谱特性进行匹配，极大的增强了时频分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁维护和安全运营技术领域，具体为一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法。
背景技术
北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。
桥梁形变监测设备主要由传感系统、信号采集与处理系统、通讯系统和监控中心等部分组成，由于北斗卫星导航系统具有全天候、高精度、高频率和实时性等诸多优点而被广泛用于桥梁的健康监测，如何快速地处理海量北斗卫星导航系统与其它传感器的测量数据，从中提取有用的变形信息，预报与预测桥梁的健康状况成为桥梁健康监测的核心问题。
近年来，大跨径公路桥梁建设如火如荼，作为交通枢纽在跨江河湖海、高山峡谷等天然或人工屏障中被广泛采用，运营期的大跨径桥梁因长期受交通荷载、地震、船舶碰撞、风力和温度变化等外部因素影响，导致其易发生结构变形，需要进行及时的检测与修复，桥梁的北斗卫星导航系统动态监测数据由两个部分构成：一是桥梁自身和受外部环境因素而引起的实际振动；二是观测数据中含有的各种误差和噪声，桥梁的振动具有简谐性质，自身的振动变形比较缓慢，属于一种弱信号，这与小波分析理论中的低频部分相对应，而观测数据中的各种误差和噪声却属于高频变化，这与小波包分析理论中的高频部分相对应。
综上所述，如何利用小波分析理论从桥梁北斗卫星导航系统动态观测数据中提取桥梁的实际变形量是一个亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法，使用北斗卫星导航系统技术对桥梁进行动态监测，利用小波分析技术准确提取北斗卫星导航系统监测数据中的有用信息，对监测桥梁变化和保障桥梁安全运营起到至关重要的作用。
作为本发明的一种优选技术方案，分析了4种常用阈值应用于桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据的去噪，证明固定阈值却存在过度去噪的现象，而自适应阈值在去噪的同时可以保存桥梁北斗卫星导航系统监测信号丰富的实际特征。
作为本发明的一种优选技术方案，提出采用分层、分段的数据处理方法对桥梁北斗卫星导航系统监测数据进行去噪，该方法可以得到较为平滑的去噪结果且能有效的从北斗卫星导航系统动态监测数据中提取桥梁的动态特性。
作为本发明的一种优选技术方案，利用小波分析对桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据进行去噪，易出现高频信号中有用信息丢失的情况，对此提出采用小波包技术对桥梁北斗卫星导航系统监测数据进行去噪，去噪结果表明小波包法在去噪的同时能够保留高频信号中的有用信息，因此保留了更多的桥梁动态特性。
作为本发明的一种优选技术方案，采用分层、分段处理技术对桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据去噪，合理的设置分段点以及解决各阶段边缘的隔断现象。
本发明的有益效果是：该种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法，提出了在小波分解北斗卫星导航系统监测数据时将分解系数量化，采取对北斗卫星导航系统监测数据分段去噪的处理手段，分尺度确定小波阈值的大小后再进行小波阈值处理，该方法理论上可以获得更为平滑且保留更多桥梁实际动态特性的去噪结果，采用多层次划分的方法对各频段进行分解，能够对在多分辨率分析中没有分解的高频段进行进一步分解，且能够根据信号自身的特征自适应的将相应频带与原始信号的频谱特性进行匹配，极大的增强了时频分辨率，能够提取的更为全面的桥梁变形信息。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法，使用北斗卫星导航系统技术对桥梁进行动态监测，利用小波分析技术准确提取北斗卫星导航系统监测数据中的有用信息，对监测桥梁变化和保障桥梁安全运营起到至关重要的作用。
其中，分析了4种常用阈值应用于桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据的去噪，证明固定阈值却存在过度去噪的现象，而自适应阈值在去噪的同时可以保存桥梁北斗卫星导航系统监测信号丰富的实际特征。
其中，提出采用分层、分段的数据处理方法对桥梁北斗卫星导航系统监测数据进行去噪，该方法可以得到较为平滑的去噪结果且能有效的从北斗卫星导航系统动态监测数据中提取桥梁的动态特性。
其中，利用小波分析对桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据进行去噪，易出现高频信号中有用信息丢失的情况，对此提出采用小波包技术对桥梁北斗卫星导航系统监测数据进行去噪，去噪结果表明小波包法在去噪的同时能够保留高频信号中的有用信息，因此保留了更多的桥梁动态特性。
其中，采用分层、分段处理技术对桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据去噪，合理的设置分段点以及解决各阶段边缘的隔断现象。
工作时，针对运营期桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据受观测环境污染导致无法准确提取桥梁动态特性的问题，研究了利用小波分析技术从北斗卫星导航系统观测数据中提取桥梁动态特性时4种常用小波阈值的选取准则，提出了基于分层、分段的处理方法处理桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据在不同阶段产生的不同大小振幅和噪声，最后将小波包技术应用在桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据高频阶段有用信号的提取。
小波分析具有众多的去噪方法，小波阈值去噪是一种易于工程实践、应用效果较好的去噪方法，小波阈值去噪的关键问题是阈值的选取准则，不同阈值准则会得到不同的去噪结果，小波阈值确定模型主要有基于原始信号确定阈值和基于样本估计选取阈值2种，基于样本估计选取阈值主要包括4个准则：
①自适应阈值准则，该阈值准则是基于stein无偏估计理论计算给定阈值 t的似然估计，然后将似然t最小化得到所选的阈值；
②固定阈值准则，该阈值的计算公式为THR＝(2σlog(n))/2，其中n 为接收信号的长度，也是噪声的强度，因此固定阈值与信号的长度有关；
③启发式阈值准则，它是自适应阈值准则和固定阈值准则的折中，当信噪比很小时采用自适应阈值准则对信号进行处理，当信噪比很大时采用固定阈值准则对信号进行处理；
④极值阈值准则，该阈值准则是采用极小值和极大值的原理确定阈值。
小波阈值在桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据中去噪的主要步骤如下：
(1)北斗卫星导航系统监测数据的小波分解，即选择合适的小波基函数和合理的小波分解尺度N对北斗卫星导航系统监测数据进行小波分解；
(2)分解后高频系数阈值量化，即对分解后各尺度北斗卫星导航系统监测数据的高频部分选择合适的阈值δ进行处理，当小波系数＜δ时，将其视为噪声且取值为0；当小波系数＞δ时，将其小波系数的数值进行缩减重新取值；
(3)北斗卫星导航系统监测数据的小波重构，即对分解后各层北斗卫星导航系统监测数据的低频部分和经阈值处理后北斗卫星导航系统监测数据的高频部分进行小波重构，获得去噪后的信号。
桥梁的振动具有简谐性质，当受到交通荷载、地震、船舶碰撞、风力和温度变化等外部因素影响时，桥梁的振幅和频率均会发生一定程度的变化，使得桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据序列在监测周期内的不同阶段产生明显分化的现象，进而不同阶段的北斗卫星导航系统监测数据也会受到不同大小噪声的影响，若桥梁北斗卫星导航系统动态监测受到上述阶段性噪声的影响，而各阶段又采用相同的阈值准则进行去噪，则去噪结果失真且会丢失桥梁真实的动态特性，最终导致误判桥梁的真实振动规律，针对以上问题，研究提出了在小波分解北斗卫星导航系统监测数据时将分解系数量化，采取对北斗卫星导航系统监测数据分段去噪的处理手段，分尺度确定小波阈值的大小后再进行小波阈值处理，该方法理论上可以获得更为平滑且保留更多桥梁实际动态特性的去噪结果。
在利用北斗卫星导航系统技术对桥梁进行动态监测时，北斗卫星导航系统接收机采样频率较高会导致获得的北斗卫星导航系统监测数据序列数据量膨胀，因此监测数据内所蕴含的信息频段也会变宽，小波分析技术认为变形信息仅存在于缓慢变化的低频段，且只能对低频监测数据序列进行分解，如果仍简单套用小波分析技术对桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据进行处理，则监测数据中高频段所蕴含的有用信息会产生无法提取进而丢失的现象，小波包分析是小波分析理论的延伸，它是采用多层次划分的方法对各频段进行分解，能够对在多分辨率分析中没有分解的高频段进行进一步分解，且能够根据信号自身的特征自适应的将相应频带与原始信号的频谱特性进行匹配，极大的增强了时频分辨率，能够提取的更为全面的桥梁变形信息，小波包分析方法是对小波分析对于高频信号处理的有效补充。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法，其特征在于，使用北斗卫星导航系统技术对桥梁进行动态监测，利用小波分析技术准确提取北斗卫星导航系统监测数据中的有用信息，对监测桥梁变化和保障桥梁安全运营起到至关重要的作用。
2.根据权利要求1所述的一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法，其特征在于，分析了4种常用阈值应用于桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据的去噪，证明固定阈值却存在过度去噪的现象，而自适应阈值在去噪的同时可以保存桥梁北斗卫星导航系统监测信号丰富的实际特征。
3.根据权利要求2所述的一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法，其特征在于，提出采用分层、分段的数据处理方法对桥梁北斗卫星导航系统监测数据进行去噪，该方法可以得到较为平滑的去噪结果且能有效的从北斗卫星导航系统动态监测数据中提取桥梁的动态特性。
4.根据权利要求3所述的一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法，其特征在于，利用小波分析对桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据进行去噪，易出现高频信号中有用信息丢失的情况，对此提出采用小波包技术对桥梁北斗卫星导航系统监测数据进行去噪，去噪结果表明小波包法在去噪的同时能够保留高频信号中的有用信息，因此保留了更多的桥梁动态特性。
5.根据权利要求4所述的一种基于小波分析提取北斗桥梁变形监测动态特性的方法，其特征在于，采用分层、分段处理技术对桥梁北斗卫星导航系统动态监测数据去噪，合理的设置分段点以及解决各阶段边缘的隔断现象。
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Citations (1)
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| CN109059750A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-12-21 | 交通运输部科学研究院 | 一种基于组合差分gnss的桥梁形变多频动态分析方法 |
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| 颜潮勇: "基于小波分析提取大跨径公路桥梁运营期GPS变形监测中的动态特性", 《甘肃科学学报》 * |
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