基于递归分析的桥梁环境振动信号非平稳评价

Acquisition signals from bridges are essentially nonstationary random signals, because of complexity of excitation in operation and the structure's time-varying and non-linear characteristics. Currently, signals were assumed to be stationary before processing. So analysis results have uncertainty: the results in the different period are affected by level of non-stationarity and noise. And some signal processing methods are based on the known non-stationarity characteristic. Therefore, the non-stationarity assessment for signals are necessary. Based on the characteristics of bridge structures and their operational environment, this project selects the non-stationary signal analysis as a starting point, uses recurrence analysis theory, and establish recurrence plot of signals as a pawn, in order to make a in - depth research of the non-stationarity and non-stationary degree of the signals from theory, numerical simulation and experiment. It fouces on construction principle of recurrence matrix, parameters selection and huge recurrence matrix calculation. Than, it proposes a method to judge the signals are stationary or not and assess the non-stationarity degree by a exacted non-stationary feature. This method can be extensively applied to bridge health mornitoring and safety assessment, it is significant to the theoretical research and practical applications.

由桥梁环境振动响应信号处理一般基于信号平稳性的假定。由于运营中激励的复杂性和结构自身的时变或非线性特征，桥梁监测环境振动响应信号本质上是非平稳随机信号。因此，环境振动响应信号的正确处理，首先要评价信号是不是平稳的以及非平稳的程度如何，才能确定用什么方法去处理。项目结合桥梁结构及其工作环境的特点，以非平稳响应信号分析为出发点，采用递归分析方法，以刻画响应信号的递归图（RP）为突破口，从理论、数值模拟和试验三个方面，对信号是否非平稳及其非平稳程度进行深入研究。重点解决刻画信号递归图过程中递归矩阵的建立原则、递归图相关参数选取及大型递归矩阵运算等关键技术问题；提出用递归图特征判断信号是否非平稳的方法，并从信号递归定量分析（RQA）中提取出一个新的反映信号非平稳程度的特征指标，以评价信号的非平稳程度。项目成果可广泛应用于桥梁健康监测和安全评估研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。

信号平稳性假定是大多数桥梁环境振动响应信号处理方法的基本假定。但是桥梁运营中的各种复杂的外部激励和结构自身时变或非线性特征，造成桥梁环境振动响应信号本质上是非平稳随机信号。因此，要对环境振动响应信号做出正确的处理，首先要评价信号是不是平稳的及其非平稳程度如何，才能确定选用什么合适的方法去处理。本项目结合桥梁结构及其运营环境的特点，以非平稳响应信号分析为出发点，采用递归分析方法，以刻画响应信号的递归图（RP）为突破口，从理论、数值模拟和试验三个方面，对信号是否非平稳及其非平稳程度进行深入研究。首先，基于递归图理论，提出了选择合适递归阈值及重构参数的方法，在此基础上，发展了可识别实际桥梁环境振动响应信号非平稳特征及非平稳程度的技术。然后研究了基于小波分析和替代数据法的重构参数选取、递归阈值确定原则等问题，并取得了一定的研究成果，提出基于替代数据法的最优递归阈值选取准则；研究了信号递归图中表征非平稳的模式，并对其进行定性分析，判断其是否非平稳。采用递归定量分析的方法，建立了基于局部递归率分析的信号非平稳测度，能够定量表征信号的非平稳程度。项目在实际桥梁环境振动响应信号非平稳评价方面提出一种较为有效的实用方法，为更好的研究重大桥梁灾变机理、检测评定、长期健康监测和安全评估提供了基础和依据。