【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于結構動力學，具體涉及一種基于改進盲源分離的結構模態分析方法。
技術介紹
1、結構模態分析是研究結構動力特性的重要工具，通過結構的模態參數(模態頻率、模態阻尼比及模態振型)來描述結構動力系統，在航空航天、機械、土木等領域的結構診斷和振動控制上應用廣泛。盲源分離(blind?source?separation，bss)指針對一混合信號，在源信號及混合信號參數未知的情況下，僅根據觀測的混合信號來估計源信號。實際應用時，bss方法僅通過結構的響應數據來實現模態分解，這使得其在土木工程模態分析上具備獨特優勢。由于處于工作狀態下土木結構受到的是環境激勵，通常難以獲取激勵力大小，僅能獲取受到環境因素和測試噪聲影響的響應信號。此外，實際土木結構幾何尺寸大、構件形式復雜，獲取的頻譜往往不清晰，容易出現混疊、泄露和虛假模態的現象，同時由于結構自由度大，還存在密集模態問題，給現有的盲源分離方法的實踐應用帶來了很大困難。
2、目前，模態分析涉及試驗模態分析、工作模態分析和工作變形分析三大類。試驗模態分析激勵力可測量，連同傳感器接收的響應數據，通過構建頻響函數進行結構模態參數辨識；實際服役的土木工程結構處于風、車輛和地脈動等隨機激勵作用下，激勵力難以測量，一般僅能獲取結構響應，此時稱為工作模態分析。工作變形分析直接通過疊加結構工作狀態下的響應來獲取結構的變形振型，與試驗、工作模態分析獲取模態參數的過程存在顯著不同。
3、盲源分離技術僅通過對系統響應進行分析，即可獲得系統的動力特性。它的計算效率高、非參數化，且無需動態
技術實現思路
1、針對上述現有技術的不足，本專利技術提出了一種基于改進盲源分離的結構模態分析方法，以實現復雜模態情況下的結構模態分析。在該方法中，提出了帶滑動窗的多重同步提取變換，以此替代現有稀疏分量分析方法中常用的短時傅里葉變換，提升混合矩陣的稀疏性，進而提高了模態分解精度。
2、本專利技術解決其技術問題具體采用的技術方案是：
3、一種基于改進盲源分離的結構模態分析方法，首先通過帶滑動窗的多重同步提取變換得到響應信號的稀疏矩陣及時頻系數；然后沿時間方向對所有時頻系數求和，進而得到時頻總能量；隨后采用峰值拾取法鎖定最大時頻能量散點位置；接著利用余弦距離計算與每一個峰值位置具有相同距離的能量點，從而估計每一個源頻帶；最后對每一個源頻帶進行帶滑動窗的多重同步提取逆變換，重構單模態信號。
4、1.進一步地，所述通過帶滑動窗的多重同步提取變換得到響應信號的稀疏矩陣具體為：通過對結構響應數據進行帶滑動窗的多重同步提取變換，以獲得響應信號的稀疏矩陣；所述帶滑動窗的多重同步提取變換為：首先對響應信號進行短時傅里葉變換，得到信號的時頻系數，隨后，針對時頻系數求取關于時間的偏導數，獲得信號估計的瞬時頻率。然后，對估計的瞬時頻率進行多次迭代以提升估計精度。接著，構建滑動窗口并保留窗內時頻系數的最大值來提升時頻系數矩陣的稀疏性。最后，通過同步提取變換即可得到帶滑動窗的多重同步提取變換的識別結果。
5、進一步地，滑動窗口表達式為：
6、
7、
8、式中，g(t,ω)為短時傅里葉變換后的時頻系數；gm(t,ω)為窗內時頻系數的極大值；ω為頻率，δω為窗口；ωδ為n次迭代后gm對應的估計瞬時頻率；
9、ω[n](t,ω)通過下式所示的瞬時頻率迭代算子定義：
10、
11、式中，為估計的瞬時頻率；為相位；n為迭代次數。
12、進一步地，所述時頻總能量的計算方法為：通過帶滑動窗的同步提取變換后，首先沿頻率方向計算每一時刻的時頻能量(實際上，在進行動力測試時通常會使用多個傳感器，得到的響應也為多通道信號。因此，每個通道信號都可以得到一個對應時頻能量)；在此基礎上，將所有通道信號的時頻能量疊加，求得混合信號的時頻總能量。
13、進一步地，所述采用峰值拾取法鎖定最大時頻能量散點位置的方法為；首先以時間為x軸，時頻總能量為y軸，繪制時頻總能量圖；然后，采用峰值拾取法得到時頻總能量圖中每個峰值對應的頻率位置。
14、進一步地，估計源頻帶的過程中：以時頻總能量圖中每個峰值的位置具有相同余弦距離的點為同一源點，利用余弦距離估計屬于同一個源的所有能量點及其位置，從而估計每一個源頻帶。
15、進一步地，所述重構單模態信號的具體方法為：對中估計的每一個源頻帶進行如下式所示的帶滑動窗同步提取變換的反變換，以此重構每個單模態信號；單模態信號s(t)表達式為：
16、
17、式中，s(t)為單模態信號；g為窗函數；[ω0-δ，ω0+δ]為源頻帶的范圍；te為帶滑動窗的同步提取變換識別結果。
18、以及，一種基于改進盲源分離的結構模態分析系統，包括：
19、響應信號稀疏矩陣提取模塊，用于通過帶滑動窗的多重同步提取變換得到響應信號的稀疏矩陣及時頻系數；
20、時頻總能量計算模塊，用于沿時間方向對所述響應信號稀疏矩陣提取模塊獲得的所有時頻系數求和，進而得到時頻總能量；
21、最大時頻能量散點位置提取模塊，用于根據所述時頻總能量計算模塊的計算結果采用峰值拾取法鎖定最大時頻能量散點位置；
22、源頻帶估計模塊，用于在獲取最大時頻能量散點位置的基礎上利用余弦距離計算與每一個峰值位置具有相同距離的能量點，從而估計每一個源頻帶；
23、單模態信號重構模塊，用于對所述源頻帶估計模塊估計獲得的每一個源頻帶進行帶滑動窗的多重同步提取逆變換，重構單模態信號。
24、一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執行所述程序時實現如上所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法的步驟。
25、一種非暫態計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，該計算機程序被處理器執行時實現如上所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法的步驟。
26、相比于現有技術，本專利技術及其優選方案的優點至少包括：(1)提出的帶滑動窗多重同步提取變換提升了時頻矩陣的稀疏性，提高了模態分解的精度。(2)改進盲源分離對欠定本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：首先通過帶滑動窗的多重同步提取變換得到響應信號的稀疏矩陣及時頻系數；然后沿時間方向對所有時頻系數求和，進而得到時頻總能量；隨后采用峰值拾取法鎖定最大時頻能量散點位置；接著利用余弦距離計算與每一個峰值位置具有相同距離的能量點，從而估計每一個源頻帶；最后對每一個源頻帶進行帶滑動窗的多重同步提取逆變換，重構單模態信號。
2.根據權利要求1所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：所述通過帶滑動窗的多重同步提取變換得到響應信號的稀疏矩陣具體為：通過對結構響應數據進行帶滑動窗的多重同步提取變換，以獲得響應信號的稀疏矩陣；所述帶滑動窗的多重同步提取變換為：首先對響應信號進行短時傅里葉變換，得到信號的時頻系數，隨后，針對時頻系數求取關于時間的偏導數，獲得信號估計的瞬時頻率；然后，對估計的瞬時頻率多次迭代以提升估計精度；接著，構建滑動窗并保留窗內時頻系數的最大值，進一步提升時頻矩陣的稀疏性；最后，通過同步提取變換得到帶滑動窗的多重同步提取變換的識別結果。
3.根據權利要求2所述的基于改進盲源分離的結構模態
4.根據權利要求1所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：所述時頻總能量的計算方法為：通過帶滑動窗的同步提取變換后，沿頻率方向計算每一時刻的時頻能量；將所有通道信號的時頻能量疊加，求得混合信號的時頻總能量。
5.根據權利要求1所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：所述采用峰值拾取法鎖定最大時頻能量散點位置的方法為；首先以時間為x軸，時頻總能量為y軸，繪制時頻總能量圖；然后，采用峰值拾取法得到時頻總能量圖中每個峰值對應的頻率位置。
6.根據權利要求1所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：估計源頻帶的過程中：以與時頻總能量圖中每個峰值的位置具有相同余弦距離的點為同一源點，利用余弦距離估計屬于同一個源的所有能量點及其位置，從而估計每一個源頻帶。
7.根據權利要求1所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：
8.一種基于改進盲源分離的結構模態分析系統，其特征在于，包括：
9.一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述處理器執行所述程序時實現如權利要求1-7任一項所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法的步驟。
10.一種非暫態計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，該計算機程序被處理器執行時實現如權利要求1-7任一項所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法的步驟。
...【技術特征摘要】
1.一種基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：首先通過帶滑動窗的多重同步提取變換得到響應信號的稀疏矩陣及時頻系數；然后沿時間方向對所有時頻系數求和，進而得到時頻總能量；隨后采用峰值拾取法鎖定最大時頻能量散點位置；接著利用余弦距離計算與每一個峰值位置具有相同距離的能量點，從而估計每一個源頻帶；最后對每一個源頻帶進行帶滑動窗的多重同步提取逆變換，重構單模態信號。
2.根據權利要求1所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：所述通過帶滑動窗的多重同步提取變換得到響應信號的稀疏矩陣具體為：通過對結構響應數據進行帶滑動窗的多重同步提取變換，以獲得響應信號的稀疏矩陣；所述帶滑動窗的多重同步提取變換為：首先對響應信號進行短時傅里葉變換，得到信號的時頻系數，隨后，針對時頻系數求取關于時間的偏導數，獲得信號估計的瞬時頻率；然后，對估計的瞬時頻率多次迭代以提升估計精度；接著，構建滑動窗并保留窗內時頻系數的最大值，進一步提升時頻矩陣的稀疏性；最后，通過同步提取變換得到帶滑動窗的多重同步提取變換的識別結果。
3.根據權利要求2所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：
4.根據權利要求1所述的基于改進盲源分離的結構模態分析方法，其特征在于：所述時頻總能量的計算方法為：通過帶滑動窗的同步提...
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