GPS-RTK數(shù)據(jù)濾波降噪識(shí)別橋梁動(dòng)態(tài)位移序列研究

房閆林 路華麗

(1.天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津 300304； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

1 概述

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，大量復(fù)雜橋梁因此快速興建。由于橋梁生命線的重要地位，橋梁的安全耐久，抗震性能受到了特別關(guān)注[1]。橋梁健康監(jiān)測(cè)是橋梁安全的重要保障，其中橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析技術(shù)引起研究者的重視[2]。GPS-RTK技術(shù)是橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一種新型方法。近年來(lái)，由于其軟件、硬件的持續(xù)發(fā)展，尤其是采樣頻率的不斷提高，使其在橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)和動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為橋梁健康監(jiān)測(cè)提供了一種可以選擇的方案。

2 研究現(xiàn)狀

GPS-RTK技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中由于周跳、振動(dòng)沖擊、多路徑效應(yīng)和儀器偶發(fā)故障以及電磁干擾等的影響，往往會(huì)出現(xiàn)非常大誤差的數(shù)據(jù)。其中消弱多路徑誤差，是使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有足夠可靠性的重要前提。消弱多路徑誤差的方法主要為：GPS天線設(shè)計(jì)[3]、接收機(jī)信號(hào)處理[4]、數(shù)據(jù)后處理[5]。本文采用數(shù)據(jù)后處理提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)后處理方法主要可以采用自適應(yīng)濾波、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸狻⑿〔ㄗ兓土Ｗ訛V波等數(shù)據(jù)降噪方法。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

3.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象

坐落于天津市中心城區(qū)的富民橋工程四周是綜合開(kāi)發(fā)與規(guī)劃的海河兩岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主橋是獨(dú)柱單塔的自錨式懸索橋，懸索為空間索面，主跨的主纜索錨固于主梁的兩側(cè)，邊跨的主纜索錨固于地錨。主跨主纜使用在立面和平面均為拋物線的三維空間線形，邊跨主纜使用不加豎向吊索形式的兩根并排一組的纜索。全橋總長(zhǎng)340.3 m，主跨157.081 m，輔跨86.4 m。河?xùn)|側(cè)引橋是三跨連續(xù)梁(19+20+19.6) m，由普通鋼筋混凝土構(gòu)成，河西側(cè)引橋38.219 m，是單跨帶懸臂的鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)?？绾拥闹鳂驑蛎娴臉?biāo)準(zhǔn)寬度為38.6 m，一側(cè)橫向布置包括：0.8 m的吊索錨固區(qū)+0.5 m的防撞護(hù)欄+3.75 m的非機(jī)動(dòng)車道+(3.75 m+2×3.5 m)的機(jī)動(dòng)車道+0.5 m的路緣帶+0.5 m的防撞護(hù)欄+5.0 m的主塔區(qū)，另一側(cè)沿著主塔區(qū)成對(duì)稱布置。其全貌圖如圖1所示。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)濾波降噪處理方法

在濾波降噪前對(duì)GPS-RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)依據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則進(jìn)行了預(yù)處理。本文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)濾波降噪處理，主要采取了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解濾波和切比雪夫?yàn)V波相結(jié)合的濾波處理。

首先設(shè)計(jì)Ⅰ型切比雪夫高通濾波器，通過(guò)有限元分析得出試驗(yàn)橋梁的自振基頻，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值以及調(diào)試情況確定濾波器的技術(shù)參數(shù)，然后計(jì)算得出濾波器的通帶實(shí)際截止頻率和階數(shù)。通過(guò)編制Matlab程序?qū)崿F(xiàn)濾波器函數(shù)，并采用Ⅰ型切比雪夫高通濾波器消除多路徑誤差。

其次采用基于自相關(guān)函數(shù)的模態(tài)分解算法(EMD)削弱隨機(jī)噪聲誤差。對(duì)信號(hào)進(jìn)行EMD分解，可以得到固有模態(tài)函數(shù)分量和殘余分量，然后對(duì)固有模態(tài)函數(shù)進(jìn)行歸一化自相關(guān)函數(shù)求解，識(shí)別符合隨機(jī)噪聲特征的分量，通過(guò)閾值降噪后與其他分量和殘余分量進(jìn)行重構(gòu)得到濾波后信號(hào)，即得到去噪后提取的橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際振動(dòng)波形。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

通過(guò)有限元分析得出試驗(yàn)橋梁的自振基頻為0.84 Hz，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值以及調(diào)試情況確定濾波器的技術(shù)參數(shù),通帶截止頻率為Ωp=4 Hz，阻帶截止頻率為Ωs=3.4 Hz，通帶衰減系數(shù)為αp=0.1 dB，阻帶衰減系數(shù)αs=20 dB。然后計(jì)算得出濾波器的通帶實(shí)際截止頻率為0.4 Hz，階數(shù)為8階。通過(guò)編制Matlab程序?qū)崿F(xiàn)濾波器函數(shù)，并采用Ⅰ型切比雪夫高通濾波器消除多路徑誤差,如圖2所示。

采用基于自相關(guān)函數(shù)的模態(tài)分解算法(EMD)削弱隨機(jī)噪聲誤差。對(duì)采用Ⅰ型切比雪夫高通濾波器消除多路徑誤差后的信號(hào)進(jìn)行EMD分解，可以得到15個(gè)固有模態(tài)函數(shù)分量和一個(gè)殘余分量，對(duì)15個(gè)固有模態(tài)函數(shù)進(jìn)行歸一化自相關(guān)函數(shù)求解，可知前8個(gè)分量符合隨機(jī)噪聲特征，說(shuō)明前8個(gè)分量信息中主要含有隨機(jī)噪聲，通過(guò)閾值降噪后與剩余的7個(gè)分量和殘余分量進(jìn)行重構(gòu)得到濾波后信號(hào)。濾波去噪后提取的橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際振動(dòng)波形圖，如圖3所示。

對(duì)濾波降噪后的位移序列信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，見(jiàn)圖4?？芍?jīng)過(guò)降噪后的GPS-RTK位移信號(hào)，提取的橋梁結(jié)構(gòu)頻率為0.83 Hz，與有限元分析得出試驗(yàn)橋梁的自振基頻0.84 Hz非常接近。

綜上所述，從濾波后提取的橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際振動(dòng)位移信號(hào)序列分析得出的功率譜中，可知GPS-RTK數(shù)據(jù)得出的橋梁振動(dòng)頻率與有限元分析得出的結(jié)果非常接近。研究結(jié)果表明，GPS-RTK數(shù)據(jù)濾波降噪識(shí)別動(dòng)態(tài)位移序列可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析可知，GPS-RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)切比雪夫?yàn)V波和模態(tài)分解算法降噪處理可以識(shí)別橋梁動(dòng)態(tài)位移序列，且識(shí)別結(jié)果進(jìn)行功率譜分析后，得出的橋梁振動(dòng)頻率與有限元分析得出的結(jié)果非常接近。因此通過(guò)GPS-RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別橋梁動(dòng)態(tài)位移序列可行可靠。