改进的EMD方法及大坝强震反应信号应用分析-中国水利水电科学.PDF

第9 卷 第3 期 中国水利水电科学研究院学报 Vol.9 No.3 2011 年9 月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research September ，2011 文章编号：1672-3031（2011 ）03-0229-08 改进的EMD 方法及大坝强震反应信号应用分析 1 ，2 1 2 许亮华 ，郭永刚 ，杜修力 （1. 中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 100048；2. 北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124） 摘要：基于经验模态分解（EMD ）的希尔伯特黄变换（HHT ）方法能够较好地分析非平稳和非线性的信号。在EMD 分解过程中易产生模态混淆现象，影响了信号分析结果的准确性。本文通过对EMD 分解过程进行改进，在分解 进程中增加滤波手段有效抑制了模态混淆现象，应用仿真信号实例进行对比分析表明抑制效果明显。最后，应用 该改进方法对大坝强震反应信号进行分析，研究大坝在强震下特性变化规律。 关键词：强震反应信号；经验模式分解；滤波处理；模态混淆 中图分类号：TV323 文献标识码：A 1 研究背景 ［1-2 ］ HHT（Hilbert-Huang transform ）信号分析方法 是Norden E. Huang 在1998 年提出的一种全新的数 据处理方法，方法核心由两部分构成，即经验模式分解方法（EMD ）和Hilbert 变换。Hilbert 变换得到 的瞬时频率、振幅以及时频分布图等可以反应出数据的非平稳变化规律。虽然HHT 方法在非平稳数 据分析中得到广泛应用，但其方法本身仍然存在许多问题，如包络线拟合以及边界问题，没有确切 公式理论支持，模态混淆等。这些问题需要得到解决才能推动HHT 方法的进一步发展和应用。大坝 ［3~5 ］ 强震反应信号是研究大坝结构特性的珍贵数据 ，可以从中获得大坝的强震下非平稳反应规律、特 性变化规律和损伤信息等有价值的信息，从而检验和改进大坝抗震设计，验证大坝抗震性能，保证 大坝安全。大坝强震反应数据是一种非平稳数据，作者在应用HHT 方法分析处理中发现，常规的 EMD 方法对频谱密集的数据分解不可避免产生模态混淆现象，导致HHT 分析结果与实际偏差很大， 分析结果无法作为结论进行应用。因此，应用HHT 方法首先必须抑制模态混淆现象发生。 2 常规EMD 方法 ［1-2 ］ 信号的EMD 过程 是一个将非平稳信号进行平稳化处理的过程，分解目的是得到有近似窄带特 ［6 ］ 征且尽量满足单分量函数 特征的固有模式函数（IMF ），为下一步Hibert 变换提供准备。 EMD 过程是一个筛选获得IMF 的过程，通过时间序列上下包络的平均值确定瞬时平衡位置，进 而提取IMF 。目前学者采用的EMD 方法（为了与本文改进方法名称上区分，本文称之为常规EMD 方 法）步骤为：首先有哪些信誉好的足球投注网站查找出信号x（t）的局部极大值和极小值，利用三次样条曲线插值连接局部极大 值和极小值点，分别得到极大值包络线和极小值包络线；其次对极大值包络线线和极小值包络线取 平均，得到瞬时平均值m（t）；最后用原始数列x（t）减去瞬时平均值m（t），得到一个去掉低频的新数 列h（t）。 检查h（t）是否满足IMF 的2 个条件：（1）极值点数目和过零点数目相等或最多相差1个；（2 ）在任 意点，上下包络线的平均值为0 。 收稿日期：2011-02-14 项目基金：地震行业科研专项（201008005 ） 作者简介：许亮华（1978-），男，工程师，博士生，主要从事水工结构抗震分析、损伤识别方法和强震监测系统开发等研究。 E-mail ：shepherd2008@126.com