CN114112013B - 古建筑安全性测定方法和装置、电子设备和存储介质 - Google Patents

古建筑安全性测定方法和装置、电子设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及古建筑安全性测定方法和装置、电子设备和存储介质。该古建筑安全性测定方法，包括以下的步骤：获得古建筑的振动信号，作为原始信号；将该原始信号进行经验模态分解，得到多个固有模式分量；利用所获得的固有模式分量重构所述原始信号；利用经重构的原始信号和所述固有模态分量获得去除噪声后的重构信号；通过计算去除噪声后的重构信号与原始信号的相关系数，获得的相关系数分布图；根据相关系数分布图，确定固有模式分量指数；利用固有模式分量指数，根据能量守恒原理识别判断虚假固有模式分量；去除固有模式分量中存在的虚假固有模式分量，得到有效的固有模式分量；利用该有效的固有模式分量，重构信号。

Description

古建筑安全性测定方法和装置、电子设备和存储介质
技术领域
本发明涉及古建筑的安全测定。
背景技术
目前古塔等古建筑的非接触监测方法主要以地基雷达系统(Image byInterferometric Survey，IBIS)为主。针对IBIS采集古塔的非平稳信号进行信号分析，主要应用的信号分析方法为希尔伯特-黄变换法(Hilbert-Huang Transform，HHT)，其不需要先验信息，可根据信号的自适应性进行分解，但在分解信号过程中容易出现虚假分量，叠加计算过程中容易出现模态混叠现象，不能准确反应和确定古塔非平稳信号的振幅和频率。
发明内容
本发明鉴于现有技术的以上情况做出，用于克服或者缓解现有技术中存在的一个或更多个问题，至少提供一种有益的选择。
根据本发明的一个方面，提供了一种古建筑安全性测定方法，包括以下的步骤：获得古建筑的振动信号，作为原始信号；将该原始信号进行经验模态分解，得到多个固有模态分量；利用所获得的固有模态分量重构所述原始信号；利用经重构的原始信号和所述固有模态分量获得去除噪声后的重构信号；通过计算去除噪声后的重构信号与原始信号的相关系数，获得的相关系数分布图；根据相关系数分布图，确定固有模态分量指数；利用固有模态分量指数，根据能量守恒原理识别判断虚假固有模态分量；去除固有模态分量中存在的虚假固有模态分量，得到有效的固有模态分量；利用该有效的固有模态分量，重构信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种古建筑安全测定装置，其包括：
原始信号获得装置，用于获得古建筑的振动信号，作为原始信号；原始信号重构单元，用于将该原始信号进行经验模态分解，得到多个固有模态分量，利用所获得的固有模态分量重构所述原始信号；去噪单元，利用经重构的原始信号和所述固有模态分量获得去除噪声后的重构信号；固有模态分量指数确定单元，通过计算去除噪声后的重构信号与原始信号或经重构的原始信号的相关系数，获得的相关系数分布图；根据相关系数分布图，确定固有模态分量指数；虚假固有模态分量去除单元，用于利用固有模态分量指数，根据能量守恒原理识别判断虚假固有模态分量，去除固有模态分量中存在的虚假固有模态分量，得到有效的固有模态分量；信号重构单元，利用该有效的固有模态分量，重构信号。
根据本发明的一个方面，还提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行所述指令，以实现本发明所述的方法。
根据本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储设备控制程序，当所述设备控制程序被处理器执行时，可实现本发明所述的方法。
根据本发明的又一个方面，提供了一种计算机程序产品(例如包括计算机程序)，所述计算机程序被处理器执行时，可实现本发明所述的方法。
附图说明
图1示出了依据本发明的一种实施方式的古建筑安全性测定方法的示意性流程图；
图2示出了相关系数分布图的一种示例；
图3示出了依据本发明的一种实施方式的古建筑安全性测定装置的示意性流程图。
具体实施方式
图1示出了依据本发明的一种实施方式的古建筑安全性测定方法的示意性流程图。本发明的古建筑安全性测定方法也可称为利用根据能量守恒原理进行安全性测定的方法。如图1所示，依据本发明的一种实施方式，首先在步骤S100，采用地基雷达监测的古塔(古建筑的一种示例)振动信号，作为原始信号。可以将仪器布设在能够获取测量范围内的物体的动态位移的位置上，通过调节仪器位置与瞄准角度等参数，对古塔整体的沿仪器视线方向的位移进行动态监测，得到位移信号序列，作为原始信号。然后在步骤S200，对该原始信号进行经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)，得到多个IMF分量(固有模态分量)。根据一种实施方式，经验模态分解使用两个约束条件，即经验模态分解后的IMF分量满足两个约束条件：1)在整个数据段内，极值点的个数和过零点的个数必须相等或相差最多不能超过一个；2)在任意时刻，由局部极大值点形成的上包络线和由局部极小值点形成的下包络线的平均值为零，上下包络线相对于时间轴局部对称。
根据一种实施方式，经验模态分解步骤如下：
①根据原始信号上下极值点，分别确定出上、下包络线；
②计算上、下包络线的均值，确定出均值包络线；
③原始信号减去均值包络线，得到中间信号；
④判断该中间信号是否满足IMF的两个约束条件，若满足，则该信号为一个IMF分量；若不满足，则以该IMF分量作为基础，重复①-④的分析，IMF分量的获取通常需要若干次的迭代计算；
⑤用上述方法获得第一个IMF(记为IMF1)后，从原始信号减去IMF1，作为新的信号再通过①-④的分解，得到第二个IMF(记为IMF2)。依次类推，完成经验模态分解。
完成经验模态分解后，或获得IMF分量和IMF噪声序列。
然后在步骤S300，利用所获得的固有模态分量重构原始信号。
根据一种实施方式，首先获得残差，即，将原始信号减去所有IMF分量的和，获得差值，该差值即为残差。然后将各IMF分量与残差之和重构原始信号。
如式(1)所示：
Figure BDA0003337493970000051
式中：L为IMF分量的个数，hi(n)为第i个IMF分量，r(n)为残差，x(n)表示重构的原始信号。
然后，在步骤S400，利用所述固有模态分量获得去除噪声后的重构信号。
如式(2)所示：
Figure BDA0003337493970000052
式中：m为IMF噪声序列的个数(m＝1,2,…L-1)。Zi(n)为第i个IMF噪声序列。
然后在步骤S500，通过计算去噪后的重构信号与原始信号(或重构后的原始信号)的相关系数，获得的相关系数分布图。
根据一种实施方式，可以如下判定相关系数，如式(3)所示：
Figure BDA0003337493970000053
式中：x(n)为原始信号，
Figure BDA0003337493970000054
为去除噪声后的重构信号，h＝1，2，3，…(h为IMF的数量，从IMF1开始计算，IMF1，IMF1+IMF2，IMF1+IMF2+IMF3，…)。
然后，在步骤S600：根据相关系数分布图，确定IMF分量指数。
根据一种实施方式，如下地确定IMF分量指数kth：IMF分量指数kth如公式(4)所示：
Figure BDA0003337493970000055
其中ρ(m)一直减小直至到最小值，kth是相关系数ρ(m)开始小于某个常数C的IMF分量指数，通常C取值范围为[0.75,0.85]，在上面的公式4中，C取值为0.8。arglast表示迭代计算(kth1＝ρ(m)1,kth2＝ρ(m)2,…)。ρ(m)＞C的第kth模态分量则为高频噪声虚假分量。
图2示出了相关系数分布图的一种示例。本领域技术人员应该清楚，这仅仅是相关系数分布图的一种示例，也可以是表格或者其他的形式。每一个IMF都有一个相关系数分布图。
接着，在步骤S700中，利用IMF分量指数kth，根据能量守恒原理识别判断虚假IMF分量。
根据一种实施方式，信号分解应基于能量守恒原理，当EMD分解中派生出虚假分量时，信号分解则不服从能量守恒原理，各分量信号的能量相加将大于原始信号能量。基于上述IMF分量指数kth及能量守恒原理来检测并剔除IMF分量中的虚假分量，在数字信号处理中，用信号的均方值
Figure BDA0003337493970000061
代替信号能量。
根据一种实施方式，首先检测EMD分解中是否存在虚假分量，如果存在，则能量不守恒，即，如果满足了式(5)，则存在虚假分量。
Figure BDA0003337493970000062
式中：
Figure BDA0003337493970000063
为原始信号均方值，/>
Figure BDA0003337493970000064
为EMD分解出的各个IMF分量均方值。L为IMF分量的个数。
在发现存在虚假分量时，确定虚假分量。根据一种实施方式，利用公式(6)确定虚假分量。纯伪分量和混合伪分量均为虚假分量。
Figure BDA0003337493970000071
式中：
Figure BDA0003337493970000072
为第kth阶本征模态分量信号的均方值，/>
Figure BDA0003337493970000073
为高阶本征模态分量hi(n)信号的均方值，/>
Figure BDA0003337493970000074
为第kth阶本征模态分量信号与高阶本征模态分量hi(n)相加后的均方值。
满足以上公式(6)的模态分量信号分量为虚假分量。
然后，在步骤S800中，去除模态分量中存在的混合伪分量。
根据一种实施方式，如下地进行虚假分量的去除。
第hkth本征模态分量可表示为式(7)所示：
Figure BDA0003337493970000075
而含有伪模态分量的第i阶本征模态分量表达式，如式(8)所示:
hi＝IMFi+pi+ei (8)
式中pi为伪分量，ei为其他计算错误，例如结束错误，内插错误和残留物错误等。根据能量守恒各本征模态分量正交原理，伪分量pi能量如式(9)所示：
Figure BDA0003337493970000076
误差ei的能量如式(10)所示：
Figure BDA0003337493970000077
将判断为高频噪声的IMF分量和低频虚假IMF分量去除(例如可以根据公式(7)和(8)减去)，得到有效的IMF分量。
最后，在步骤S900中，利用该有效IMF分量，重构信号。
根据一种实施方式，利用以下的公式11，使用该IMF分量和残差获得重构的信号。
Figure BDA0003337493970000081
本发明能够剔除误差，获得有效的IMF分量。在获得重构信号之后，可以利用重构信号，进行古建筑的安全测定。可以利用现在知悉和未来获知的各种方法来利用该重构信号，进行古建筑的安全测定。
地基雷达可通过无接触、长期、动态测量方式获取得到的古塔位移数据，能够避免接触性测量手段与古建筑本身需要保护的需求产生冲突；通过长期数据能够分析检测目标古建筑的周期性变化特征；通过对EMD的改进方法可根据相关系数和能量守恒定律进行去噪，将信号中的高频噪声和伪虚假分量有效剔除，保留有效的低频的古塔振动信号，实现对古塔振动特性的提取和分析，满足对古建筑安全检测的需求。
如图3所示，根据本发明的一个方面，提供了一种古建筑安全测定装置，其包括：
原始信号获得装置100，用于获得古建筑的振动信号，作为原始信号；原始信号重构单元200，用于将该原始信号进行经验模态分解，得到多个固有模态分量，利用所获得的固有模态分量重构所述原始信号；去噪单元300，利用经重构的原始信号和所述模态分量获得去除噪声后的重构信号；固有模态分量指数确定单元400，通过计算去除噪声后的重构信号与原始信号的相关系数，获得的相关系数分布图；根据相关系数分布图，确定固有模态分量指数；虚假固有模态分量去除单元500，用于利用固有模态分量指数，根据能量守恒原理识别判断虚假固有模态分量，去除固有模态分量中存在的虚假固有模态分量，得到有效的固有模态分量；信号重构单元600，利用该有效的固有模态分量，重构信号。
虚假固有模态分量去除单元500可以如下地根据能量守恒原理识别判断虚假固有模态分量：
如果满足了下式(5)，则判断存在虚假分量；
Figure BDA0003337493970000091
式中：
Figure BDA0003337493970000092
为原始信号均方值，/>
Figure BDA0003337493970000093
为所述经验模态分解所分解出的各个固有模态分量均方值；
将满足以下公式(6)的模态分量信号分量确定为虚假分量，所述虚假分量包括纯伪分量和混合伪分量；
Figure BDA0003337493970000094
式中：
Figure BDA0003337493970000095
为第kth阶本征模态分量信号的均方值，/>
Figure BDA0003337493970000096
为高阶本征模态分量hi(n)信号的均方值，/>
Figure BDA0003337493970000097
为第kth阶本征模态分量信号与高阶本征模态分量hi(n)相加后的均方值。
原始信号重构单元200可以如下地进行经验模态分解：
①根据原始信号上下极值点分别确定出上、下包络线；
②计算求上、下包络线的均值，确定出均值包络线；
③原始信号减去均值包络线，得到中间信号；
④判断该中间信号是否满足IMF的两个约束条件，若满足，则该信号为一个IMF分量；若不满足，则以该IMF分量作为基础，重复①-④的分析，IMF分量的获取通常需要若干次的迭代计算；
⑤用上述方法获得第一个IMF(记为IMF1)后，从原始信号减去IMF1，作为新的信号再通过①-④的分解，得到第二个IMF(记为IMF2)。依次类推，完成经验模态分解。
原始信号重构单元200可以如下地利用所获得的固有模态分量重构所述原始信号：
获得残差，将原始信号减去所有IMF分量的和，获得差值，该差值即为残差；
根据以下公式(1)，通过将各IMF分量与残差求和来重构原始信号；
Figure BDA0003337493970000101
式中：L为IMF分量的个数，hi(n)为第i个IMF分量，r(n)为残差，x(n)表示重构的原始信号。
以上对方法以及方法步骤的描述，可以用来理解和描述本发明的装置的操作，在此不予赘述。
本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行所述指令，以实现本发明的方法。
本发明还涉及一种计算机软件，该计算机软件在被计算装置(例如单片机、电脑、CPU等)执行时，可以实现本发明的方法。
本发明还涉及一种计算机软件存储装置，例如硬盘、软盘、闪存等，该计算机软件存储装置存储有上述的计算机软件。
本发明对方法的说明可以用于理解对装置、单元和设备的说明，对装置、单元和设备的说明也可以用于理解本发明的方法。
上的说明仅仅是示意性的，不是对本发明的保护范围的限制，在本发明的权利要求范围内的任何改变、替换均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种古建筑安全性测定方法，包括以下的步骤：
获得古建筑的振动信号，作为原始信号；
将该原始信号进行经验模态分解，得到多个固有模态分量；
利用所获得的固有模态分量重构所述原始信号；
利用经重构的原始信号获得去除噪声后的重构信号；
根据所述重构信号，确定固有模态分量指数；
利用所述固有模态分量指数，根据能量守恒原理识别判断虚假固有模态分量；
去除固有模态分量中存在的虚假固有模态分量，得到有效固有模态分量；
利用该有效固有模态分量，重构信号，
其中，如下地利用所获得的固有模态分量重构所述原始信号：
获得残差，将原始信号减去所有固有模态分量的和，获得差值，该差值即为残差；
根据以下公式，通过将各固有模态分量与残差求和来重构原始信号；
Figure FDA0004217002810000011
式中：L为固有模态分量的个数，hi(n)为第i个固有模态分量，r(n)为残差，x(n)表示重构的原始信号，
其中，根据以下公式，使用有效固有模态分量和残差获得重构的信号：
Figure FDA0004217002810000021
其中，IMFi表示第i个有效固有模态分量，L为有效固有模态分量的个数
其中，固有模态分量指数如下所示：
Figure FDA0004217002810000022
其中，相关系数ρ(m)一直减小直至到最小值，kth是相关系数ρ(m)开始小于常数C的固有模态分量指数，C取值范围为[0.75，0.85]，arglast表示迭代计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如下地进行经验模态分解：
①根据原始信号上下极值点分别确定出上、下包络线；
②计算求上、下包络线的均值，确定出均值包络线；
③原始信号减去均值包络线，得到中间信号；
④判断该中间信号是否满足固有模态分量的两个约束条件，若满足，则该信号为一个固有模态分量；若不满足，则以该中间信号作为基础，重复①-④的分析，固有模态分量的获取需要若干次的迭代计算；
⑤用前述步骤获得第一个固有模态分量，记为IMF1，然后，从原始信号减去IMF1，作为新的信号再通过①-④的分解，得到第二个固有模态分量，记为IMF2，依次类推，完成经验模态分解。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下公式利用所述固有模态分量获得去除噪声后的重构信号：
Figure FDA0004217002810000031
式中：m为IMF噪声序列的个数(m＝1，2，…L-1)，
其中，通过计算去除噪声后的重构信号与原始信号或经重构的原始信号的相关系数，获得的相关系数分布图；根据相关系数分布图，确定固有模态分量指数。
4.一种古建筑安全测定装置，其包括：
原始信号获得装置，用于获得古建筑的振动信号，作为原始信号；
原始信号重构单元，用于将该原始信号进行经验模态分解，得到多个固有模态分量，利用所获得的固有模态分量重构所述原始信号；
去噪单元，利用经重构的原始信号和所述固有模态分量获得去除噪声后的重构信号；
固有模态分量指数确定单元，通过计算去除噪声后的重构信号与原始信号或经重构的原始信号的相关系数，获得的相关系数分布图；根据相关系数分布图，确定固有模态分量指数；
虚假固有模态分量去除单元，用于利用固有模态分量指数，根据能量守恒原理识别判断虚假固有模态分量，去除固有模态分量中存在的虚假固有模态分量，得到有效固有模态分量；
信号重构单元，利用该有效固有模态分量，重构信号，
其中，所述原始信号重构单元如下地利用所获得的固有模态分量重构所述原始信号：
获得残差，将原始信号减去所有固有模态分量的和，获得差值，该差值即为残差；
根据以下公式，通过将各固有模态分量与残差求和来重构原始信号；
Figure FDA0004217002810000041
式中：L为固有模态分量的个数，hi(n)为第i个固有模态分量，r(n)为残差，x(n)表示重构的原始信号，
其中，所述信号重构单元使用以下公式，用该有效固有模态分量和残差获得重构的信号：
Figure FDA0004217002810000042
其中，IMFi表示第i个有效固有模态分量，L为有效固有模态分量的个数，
其中，固有模态分量指数kth如下所示：
Figure FDA0004217002810000043
其中，相关系数ρ(m)一直减小直至到最小值，kth是相关系数ρ(m)开始小于常数C的固有模态分量指数，C取值范围为[0.75，0.85]，arglast表示迭代计算。
5.根据权利要求4所述的古建筑安全测定装置，其特征在于，所述原始信号重构单元如下地进行经验模态分解：
①根据原始信号上下极值点分别确定出上、下包络线；
②计算求上、下包络线的均值，确定出均值包络线；
③原始信号减去均值包络线，得到中间信号；
④判断该中间信号是否满足固有模态分量的两个约束条件，若满足，则该信号为一个固有模态分量；若不满足，则以中间信号作为基础，重复①-④的分析，固有模态分量的获取需要若干次的迭代计算；
⑤用前述步骤获得第一个固有模态分量后，从原始信号减去该第一个固有模态分量，作为新的信号再通过①-④的分解，得到第二个固有模态分量，依次类推，完成经验模态分解。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；
用于存储所述处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述指令，以实现如权利要求1至3中任一项所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储设备控制程序，当所述设备控制程序被处理器执行时，
实现如权利要求1至3中任一项所述的方法。
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