基于分布传感和小波解析技术的实时基线及去噪处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于分布传感的实时基线及去噪处理方法，尤其涉及针对土木工程结构的基于光纤或碳纤维应变传感技术的实时基线及去噪处理方法。
【背景技术】
[0002]随着我国城市建设的高速发展，工程结构安全受到了社会各界的广泛关注。为了解决工程结构的安全评估和安全运营问题，结构健康监测系统及其相关技术，越来越多的被应用在重大或复杂土木工程结构中。由于光纤和碳纤维应变传感器件适合于分布式传感布设和优越耐久性能等特点，越来越多的工程师和研究人员提出利用光纤和碳纤维应变传感技术，为实施有效的结构健康监测提供解决方案。现在光纤和碳纤维应变传感技术已达到了有效的动静态应变要求，但因为受外界环境的变化和测量仪器的限制，连续测量中的测量误差会严重影响到测量信号准确性和精度。为了不影响结构损伤有关的突变应变信号的测量，一种自调整和自适应功能的去噪方法显得尤为重要。
[0003]目前在无限非平稳信号处理中，小波分析技术得到越来越多的应用。通过小波多尺度分解，可以将原信号划分多个频域段，分别进行处理，保留敏感频域段的特征信号。但是在传统的信号基线处理过程中，因为缺乏有效目标信号的中心基线样本，信号基线处理仅凭经验和理想值决定，从而丢失缓慢变形引起的静态应变信号失真。反观在高频动态信号处理中，往往出现阈值设定不当，造成信号过于平滑，丢失动态应变测量中关键频谱值的问题。
[0004]基于布里渊散射的光纤应变传感技术，目前已经趋于成熟。其特点是通过一根光纤，兼顾信号传输和测量的功能，实现大范围的分布式测量。结合防滑移、增敏及长标距封装等光纤传感技术，目前已经可以实现50微应变10Hz的动态测量要求。在光纤应变传感技术中，测量区域以外的光纤仅具有光导作用。基于碳纤维的应变传感技术的特点是通过I个固定封装的测量芯线和I个自由封装的补偿芯线构成一组测量单元，将多个单元串联，实现结构分布式传感。在碳纤维的应变传感技术中，补偿芯线仅具有温度补偿作用，与光导纤维同样一般不作为测量的采样对象。虽然光纤应变传感中的光导纤维和碳纤维应变传感中的补偿芯线，不直接承当测量功能，当在测量过程中与测量单元一样，承受着因外界环境影响和测量设备带来的系统误差。因此可以利用二者对长期测量中无规律的系统误差和随机误差进行校正。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是在综合光纤和碳纤维分布式应变传感理论和小波分析方法，提供一种实时基线及去噪处理方法，实现对长期测量过程中的测量误差的修正，以达到连续结构动静态应变测量的目的。
[0006]本发明为实现上述目的，采用如下技术方案:一种基于分布传感的实时基线及去噪处理方法，包括以下步骤: 步骤1:基于光纤或碳纤维分布式应变传感特性，获得与结构应变参数有关的实测区和与测量过程中可能产生的噪音有关的参考区；
步骤2:将参考区包含的多个测量点的实时信号逐层小波分解，获得各个测量点的近似系数，并建立误差修正模型，处理步骤如下:
(1)将参考区包含的多个测量点，分别逐层分解至第N层，获得各个测量点的近似系数，N为正整数；
(2)通过回归拟合算法，整合各个测量点的近似系数，获得与测量过程中系统误差有关的误差修正模型；
步骤3:将实测区包含的多个测量点的实时信号逐层小波分解，获得各个测量点的近似系数和细节系数，再通过误差修正模型修正各个测量点的近似系数，并与自适应滤波的细节系数重构，获得修正后实测区应变信号，处理步骤如下:
(I)将实测区包含的多个测量点，分别逐层分解至第N层，获得各个测量点的近似系数和细节系数；
(2 )通过误差修正模型，对各个测量点的近似系数进行修正，获得抵消了系统误差的近似系数；
(3)通过小波相关性去噪算法，对各个测量点的细节系数进行滤波处理，获得抵消了随机误差的细节系数；
(4)对修正后的实测区的各个测量点的近似系数和细节系数进行重构计算，获得高精度和高准确度的实时应变分布。
[0007]本发明的有益效果是:
本发明的实时基线及去噪处理方法，大幅改善了光纤或碳纤维等分布式应变测量过程中的测量误差，提升了传感器的测量性能，实现了高准确度和高精度的结构动静态应变测量。
【附图说明】
[0008]图1是本发明实时基线及去噪处理方法的总体流程图。
[0009]图2是本发明示例中参考应变和实测应变。
[0010]图3是本发明示例中实测区中实测应变，近似系数，和细节系数。
[0011]图4是本发明示例中参考区中3个参照点的实测应变。
[0012]图5是本发明示例中参考区中3个参照点的近似系数。
[0013]图6是本发明示例中实测区中参考应变，实测应变，和修正后应变。
[0014]图7是本发明示例中小应变范围实测区中参考应变，和修正后应变。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实例对本发明的技术方案进行详细说明:
请参照图1所示，步骤1:基于光纤或碳纤维分布式应变传感特性，将与待测对象直接接触、承担应变测量功能的传感单元覆盖区域定义为实测区，实测区的范围由监测对象及传感区域数目决定；并将不与待测对象直接接触、承担信号传输或温度补偿功能的单元覆盖区域定义为参考区。
[0016]步骤2:通过树形小波分解，将参考区包含的L个测量点的实时信号分别逐层分解，当分解至最高层所包含的最大频率小于监测对象结构第一阶固有频率时停止分解，令该最高层为第N层，N为正整数；并将获得L个测量点的近似系数，L的数目不能小于3 ;再建立误差修正模型，其处理步骤如下:
(1)将参考区包含的L个测量点分解至第N层的近似系数，根据L个近似系数对应的谱值归一计算；
(2)通过回归拟合算法，整合各个测量点的近似系数，获得与测量过程中系统误差有关的误差修正模型，当获得的误差修正模型与近似系数差异过大时增加参考区的测量点数目。
[0017]步骤3:将实测区包含的M个(M大于等于3)测量点的实时信号通过树形小波逐层分解，再通过误差修正模型修正各个测量点的近似系数，并与自适应滤波的细节系数重构，获得修正后实测区应变信号，其特征在于处理步骤如下:
(I)将实测区包含的M个测量点，分解至与参考区同样的第N层，获得M个测量点的近似系数和细节系数；
(2 )通过误差修正模型，对各个测量点的近似系数进行修正，获得抵消了系统误差的近似系数；
(3)通过小波相关性去噪算法，对M个测量点的细节系数进行滤波处理，获得抵消了随机误差的