快速Myriad滤波方法的混凝土坝动力响应信号去噪研究

甘声玄　郑东健，2

(1. 河海大学 水利水电学院， 南京　210098； 2. 河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心， 南京　210098)



快速Myriad滤波方法的混凝土坝动力响应信号去噪研究

甘声玄1郑东健1，2

(1. 河海大学 水利水电学院， 南京210098； 2. 河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心， 南京210098)

环境激励下混凝土坝动力响应信号具有明显的非线性特征，常规的信号去噪方法不能适用于非线性信号的去噪．本文研究了快速Myriad滤波方法对环境激励下混凝土坝动力响应信号的去噪，讨论了一种对Myriad滤波器中线性度参数进行优选的新方法．仿真信号的去噪测试分析验证了本文对线性度参数优选方法的合理性．本文最后将快速Myriad滤波方法应用于对振动台上采集到的混凝土坝动力响应模拟信号的去噪处理，取得了较好的去噪效果．

大坝安全监测；信号去噪；快速Myriad滤波；线性度参数

水工结构是国家水利经济建设和人民生产生活的重要组成部分．混凝土坝结构作为水工结构中最为重要的一类坝体结构，历经长期的服役过程，在水动力荷载、温度荷载和施工荷载的联合作用下不可避免地会产生各种损伤和缺陷，甚至发生破坏，因此应对混凝土坝结构实施行之有效的安全监测来确保混凝土坝结构的安全运行[1]．

环境激励诱发混凝土坝结构振动是一种复杂的环境因素与结构相互耦合作用所产生的现象．大坝安全监测所获取的环境激励下混凝土坝动力响应信号可能既含有因结构非线性和激励非线性所产生的非线性的甚至是混沌的动力响应分量，也可能含有由随机激励所引起的随机动力响应，同时还带有监测噪声，由此带来了环境激励下混凝土坝动力响应信号的的非线性与复杂性．常规的信号去噪方法不能适用于非线性信号的去噪，因此对具有明显非线性特征的数据信号需要采用非线性的去噪方法，才能有效地去除噪声的干扰[2]．

Myriad滤波方法是对于α稳定分布而研究开发出的一种滤波去噪方法．α稳定分布是一种更加广义的高斯分布，高斯分布属于α稳定分布的特例．因此，Myriad滤波方法对处理高斯/非高斯噪声亦或两者的混合噪声都能适用．快速Myriad滤波方法作为对基本Myriad滤波方法的改进，简化了原始Myriad滤波方法的计算步骤，使得运算过程更加流畅快捷，同时也提高了计算的稳定性．本文将研究快速Myriad滤波方法对环境激励下混凝土坝动力响应信号的去噪处理．

1　快速Myriad滤波方法

1.1快速Myriad滤波方法的计算

Myriad滤波方法采用滑动窗口作为计算单元，选取窗口中的数值进行计算，并将当前窗口的计算结果作为滤波结果输出．

参照文献[3-5]，对Myriad滤波作出如下定义：假设X=[x1，x2，…，xN]T是一组包含有噪声的离散数据，数据的采样点数为N，Myriad滤波即为

(1)

式中，[M/2]为取整运算；M为窗口长度，取为奇数值；K是线性度参数．

滤波器的运算就是寻找一个β，使得窗口内的M级连乘式取得最小值，滤波器的输出YK即为寻找到的β，亦即数据点xn的滤波计算结果．

采用改进的快速Myriad滤波方法[6]，最终计算得到

(2)

其中

(3)

(4)

1.2Myriad滤波器中线性度参数K的优选方法

本文将采用广义信噪比来衡量快速Myriad滤波方法的去噪效果，由此来对Myriad滤波器中线性度参数K进行优选．

信噪比SNR由下式定义

(5)

(6)

2　快速Myriad滤波方法的去噪仿真测试

2.1仿真信号去噪测试

图1　仿真测试信号对比

图2　仿真测试关系曲线

2.2仿真信号去噪测试结果分析

Myriad滤波器在处理非高斯性越明显的信号时，其线性度参数的取值越小，若信号的高斯性越强，则线性度参数的取值越大．仿真测试加噪信号所设定添加的是高斯白噪声，最后去噪测试所计算得到的线性度参数的取值为30，符合Myriad滤波器在处理高斯噪声信号时对线性度参数的取值要求．

综上所述，仿真信号的去噪测试结果表明本文所研究的快速Myriad滤波方法是一种科学合理、快速高效的信号去噪方法，可以尝试应用于对混凝土坝动力响应信号的去噪处理．

3　混凝土坝动力响应信号去噪实例

本文采用河海大学结构抗震实验室内的地震模拟振动台上的拱坝模型在地震工况下，由加速度传感器对坝体的动力响应进行采集所获得的信号作为去噪实例信号．在激励量级为8 m/s2的人工模拟地震波的水平激振下，由加速度传感器采集得到的AI C-9测点的动力响应信号如图3(a)所示．

由图4可知，曲线斜率在K=50时最接近于0，故选择线性度参数的取值为50，由此计算得到的去噪后的AI C-9测点动力响应信号如图3(b)所示．

图3　AIC-9测点动力响应信号对比

图4　AIC-9测点动力响应信号关系曲线

由图3可看出，去噪后的信号与去噪之前相比，信号过程更加清晰光滑，更接近地震工况下混凝土坝模型AI C-9测点的加速度响应的实际情况，可认为本文快速Myriad滤波方法对混凝土坝动力响应信号的去噪处理取得了较好的效果．

4　结　语

去噪是混凝土坝动力响应信号处理的关键技术之一．考虑到混凝土坝动力响应信号的非线性与复杂性，本文对将快速Myriad滤波方法运用于混凝土坝动力响应信号去噪进行了研究．仿真信号的去噪测试中，通过计算比较“线性度参数-信噪比关系曲线”与“线性度参数-广义信噪比关系曲线”的相关系数，验证了对Myriad滤波器中线性度参数取最优值时所作出的假定是合理的，说明提出的对线性度参数进行优选的方法是适用的．混凝土坝动力响应信号以及仿真信号的去噪结果都表明，快速Myriad滤波方法运算过程流畅快捷、计算稳定，取得了较好的去噪效果，能够运用于混凝土坝动力响应信号的去噪处理．

在运用快速Myriad滤波方法对信号进行去噪处理时，本文选取的计算窗口长度为5，这样的做法过于主观，有失偏颇，因此对计算窗口长度的优选还有待进一步研究．混凝土坝动力响应信号作为进行混凝土坝结构模态识别的主要计算资料，运用快速Myriad滤波方法对混凝土坝动力响应信号进行去噪处理所取得的效果，也有待后续混凝土坝结构模态识别的计算结果来进一步检验．

[1]顾冲时，吴中如．大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用[M]．南京：河海大学出版社，2006．

[2]程琳．基于环境激励振动的水工混凝土结构损伤诊断方法研究[D]．南京：河海大学，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]张安清，邱天爽，章新华．α稳定分布的水声信号处理方法[J]．电子与信息学报，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滤波方法的地震数据去噪[J]．石油物探，2014，53(5)：516-522．

[7]付天晖，王永斌，苏敏．一种Myriad滤波器中线性度参数的计算方法[J]．海军工程大学学报，2014，26(2)：91-94．

[责任编辑王康平]

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

国家自然科学基金重点项目(41323001)；国家自然科学基金重点项目(51139001)；国家自然科学基金项目(51279052)；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室研究项目(20145028312)；江苏省“333高层次人才培养工程”科研项目(B1307101)

甘声玄(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为大坝安全综合评价和大坝安全监控理论与方法．E-mail：xmueanngsmile@163.com

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

TV698.1

A

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