快速Myriad濾波方法的混凝土壩動力響應(yīng)信號去噪研究

甘聲玄　鄭東健，2

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京　210098； 2. 河海大學(xué) 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心， 南京　210098)

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快速Myriad濾波方法的混凝土壩動力響應(yīng)信號去噪研究

甘聲玄1鄭東健1，2

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京210098； 2. 河海大學(xué) 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心， 南京210098)

環(huán)境激勵下混凝土壩動力響應(yīng)信號具有明顯的非線性特征，常規(guī)的信號去噪方法不能適用于非線性信號的去噪．本文研究了快速Myriad濾波方法對環(huán)境激勵下混凝土壩動力響應(yīng)信號的去噪，討論了一種對Myriad濾波器中線性度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選的新方法．仿真信號的去噪測試分析驗證了本文對線性度參數(shù)優(yōu)選方法的合理性．本文最后將快速Myriad濾波方法應(yīng)用于對振動臺上采集到的混凝土壩動力響應(yīng)模擬信號的去噪處理，取得了較好的去噪效果．

大壩安全監(jiān)測；信號去噪；快速Myriad濾波；線性度參數(shù)

水工結(jié)構(gòu)是國家水利經(jīng)濟建設(shè)和人民生產(chǎn)生活的重要組成部分．混凝土壩結(jié)構(gòu)作為水工結(jié)構(gòu)中最為重要的一類壩體結(jié)構(gòu)，歷經(jīng)長期的服役過程，在水動力荷載、溫度荷載和施工荷載的聯(lián)合作用下不可避免地會產(chǎn)生各種損傷和缺陷，甚至發(fā)生破壞，因此應(yīng)對混凝土壩結(jié)構(gòu)實施行之有效的安全監(jiān)測來確?；炷翂谓Y(jié)構(gòu)的安全運行[1]．

環(huán)境激勵誘發(fā)混凝土壩結(jié)構(gòu)振動是一種復(fù)雜的環(huán)境因素與結(jié)構(gòu)相互耦合作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象．大壩安全監(jiān)測所獲取的環(huán)境激勵下混凝土壩動力響應(yīng)信號可能既含有因結(jié)構(gòu)非線性和激勵非線性所產(chǎn)生的非線性的甚至是混沌的動力響應(yīng)分量，也可能含有由隨機激勵所引起的隨機動力響應(yīng)，同時還帶有監(jiān)測噪聲，由此帶來了環(huán)境激勵下混凝土壩動力響應(yīng)信號的的非線性與復(fù)雜性．常規(guī)的信號去噪方法不能適用于非線性信號的去噪，因此對具有明顯非線性特征的數(shù)據(jù)信號需要采用非線性的去噪方法，才能有效地去除噪聲的干擾[2]．

Myriad濾波方法是對于α穩(wěn)定分布而研究開發(fā)出的一種濾波去噪方法．α穩(wěn)定分布是一種更加廣義的高斯分布，高斯分布屬于α穩(wěn)定分布的特例．因此，Myriad濾波方法對處理高斯/非高斯噪聲亦或兩者的混合噪聲都能適用．快速Myriad濾波方法作為對基本Myriad濾波方法的改進(jìn)，簡化了原始Myriad濾波方法的計算步驟，使得運算過程更加流暢快捷，同時也提高了計算的穩(wěn)定性．本文將研究快速Myriad濾波方法對環(huán)境激勵下混凝土壩動力響應(yīng)信號的去噪處理．

1　快速Myriad濾波方法

1.1快速Myriad濾波方法的計算

Myriad濾波方法采用滑動窗口作為計算單元，選取窗口中的數(shù)值進(jìn)行計算，并將當(dāng)前窗口的計算結(jié)果作為濾波結(jié)果輸出．

參照文獻(xiàn)[3-5]，對Myriad濾波作出如下定義：假設(shè)X=[x1，x2，…，xN]T是一組包含有噪聲的離散數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采樣點數(shù)為N，Myriad濾波即為

(1)

式中，[M/2]為取整運算；M為窗口長度，取為奇數(shù)值；K是線性度參數(shù)．

濾波器的運算就是尋找一個β，使得窗口內(nèi)的M級連乘式取得最小值，濾波器的輸出YK即為尋找到的β，亦即數(shù)據(jù)點xn的濾波計算結(jié)果．

采用改進(jìn)的快速Myriad濾波方法[6]，最終計算得到

(2)

其中

(3)

(4)

1.2Myriad濾波器中線性度參數(shù)K的優(yōu)選方法

本文將采用廣義信噪比來衡量快速Myriad濾波方法的去噪效果，由此來對Myriad濾波器中線性度參數(shù)K進(jìn)行優(yōu)選．

信噪比SNR由下式定義

(5)

(6)

2　快速Myriad濾波方法的去噪仿真測試

2.1仿真信號去噪測試

圖1　仿真測試信號對比

圖2　仿真測試關(guān)系曲線

2.2仿真信號去噪測試結(jié)果分析

Myriad濾波器在處理非高斯性越明顯的信號時，其線性度參數(shù)的取值越小，若信號的高斯性越強，則線性度參數(shù)的取值越大．仿真測試加噪信號所設(shè)定添加的是高斯白噪聲，最后去噪測試所計算得到的線性度參數(shù)的取值為30，符合Myriad濾波器在處理高斯噪聲信號時對線性度參數(shù)的取值要求．

綜上所述，仿真信號的去噪測試結(jié)果表明本文所研究的快速Myriad濾波方法是一種科學(xué)合理、快速高效的信號去噪方法，可以嘗試應(yīng)用于對混凝土壩動力響應(yīng)信號的去噪處理．

3　混凝土壩動力響應(yīng)信號去噪實例

本文采用河海大學(xué)結(jié)構(gòu)抗震實驗室內(nèi)的地震模擬振動臺上的拱壩模型在地震工況下，由加速度傳感器對壩體的動力響應(yīng)進(jìn)行采集所獲得的信號作為去噪實例信號．在激勵量級為8 m/s2的人工模擬地震波的水平激振下，由加速度傳感器采集得到的AI C-9測點的動力響應(yīng)信號如圖3(a)所示．

由圖4可知，曲線斜率在K=50時最接近于0，故選擇線性度參數(shù)的取值為50，由此計算得到的去噪后的AI C-9測點動力響應(yīng)信號如圖3(b)所示．

圖3　AIC-9測點動力響應(yīng)信號對比

圖4　AIC-9測點動力響應(yīng)信號關(guān)系曲線

由圖3可看出，去噪后的信號與去噪之前相比，信號過程更加清晰光滑，更接近地震工況下混凝土壩模型AI C-9測點的加速度響應(yīng)的實際情況，可認(rèn)為本文快速Myriad濾波方法對混凝土壩動力響應(yīng)信號的去噪處理取得了較好的效果．

4　結(jié)　語

去噪是混凝土壩動力響應(yīng)信號處理的關(guān)鍵技術(shù)之一．考慮到混凝土壩動力響應(yīng)信號的非線性與復(fù)雜性，本文對將快速Myriad濾波方法運用于混凝土壩動力響應(yīng)信號去噪進(jìn)行了研究．仿真信號的去噪測試中，通過計算比較“線性度參數(shù)-信噪比關(guān)系曲線”與“線性度參數(shù)-廣義信噪比關(guān)系曲線”的相關(guān)系數(shù)，驗證了對Myriad濾波器中線性度參數(shù)取最優(yōu)值時所作出的假定是合理的，說明提出的對線性度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選的方法是適用的．混凝土壩動力響應(yīng)信號以及仿真信號的去噪結(jié)果都表明，快速Myriad濾波方法運算過程流暢快捷、計算穩(wěn)定，取得了較好的去噪效果，能夠運用于混凝土壩動力響應(yīng)信號的去噪處理．

在運用快速Myriad濾波方法對信號進(jìn)行去噪處理時，本文選取的計算窗口長度為5，這樣的做法過于主觀，有失偏頗，因此對計算窗口長度的優(yōu)選還有待進(jìn)一步研究．混凝土壩動力響應(yīng)信號作為進(jìn)行混凝土壩結(jié)構(gòu)模態(tài)識別的主要計算資料，運用快速Myriad濾波方法對混凝土壩動力響應(yīng)信號進(jìn)行去噪處理所取得的效果，也有待后續(xù)混凝土壩結(jié)構(gòu)模態(tài)識別的計算結(jié)果來進(jìn)一步檢驗．

[1]顧沖時，吳中如．大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應(yīng)用[M]．南京：河海大學(xué)出版社，2006．

[2]程琳．基于環(huán)境激勵振動的水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷診斷方法研究[D]．南京：河海大學(xué)，2013．

[3]Shao M， Nikias C L． Signal Processing with Fractional Lower Order Moments： Stable Processes and Their Applications[J]．Proceeding of the IEEE，1993，81(7)；986-1010．

[4]張安清，邱天爽，章新華．α穩(wěn)定分布的水聲信號處理方法[J]．電子與信息學(xué)報，2005，27(8)：1201-1204．

[5]Jia W，Kuruoglu E E，Zhou T．Alpha-stable channel capacity[J]．IEEE Communication Letters， 2011，15(10)：1107-1109．

[6]岳碧波，彭真明．基于快速Myriad濾波方法的地震數(shù)據(jù)去噪[J]．石油物探，2014，53(5)：516-522．

[7]付天暉，王永斌，蘇敏．一種Myriad濾波器中線性度參數(shù)的計算方法[J]．海軍工程大學(xué)學(xué)報，2014，26(2)：91-94．

[責(zé)任編輯王康平]

Research of Signal Denoising in Dynamic Response of Concrete Dam Based on Fast Myriad Filter Method

Gan Shengxuan1Zheng Dongjian1,2

(1. College of Water Conservancy & Hydropower Engineering，Hohai Univ., Nanjing 210098，China； 2. National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization & Engineering Safety，Hohai Univ., Nanjing 210098，China)

The dynamic response signal of concrete dam under environment excitation has obvious nonlinear characteristics; conventional methods used in signal denoising can not be applied to the denoising of nonlinear signals. In this paper, the method of fast Myriad filter is researched for denoising the dynamic response of concrete dam under environment excitation; and a new approach to optimizing the linearity parameter of the Myriad filter is discussed. The tests and analysis of the simulation signals verify that this approach is reasonable and suitable for the optimization of the linearity parameter. Finally, the method of fast Myriad filter has been applied to denoising the dynamic response analog signal of concrete dam which collected from the shaking table; and the denoising effectiveness is satisfactory.

dam safety monitoring;signal denoising;fast Myriad filter;linearity parameter

2016-04-08

國家自然科學(xué)基金重點項目(41323001)；國家自然科學(xué)基金重點項目(51139001)；國家自然科學(xué)基金項目(51279052)；水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室研究項目(20145028312)；江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”科研項目(B1307101)

甘聲玄(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為大壩安全綜合評價和大壩安全監(jiān)控理論與方法．E-mail：xmueanngsmile@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.006

TV698.1

A

1672-948X(2016)04-0027-04