基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法及系统，涉及雷达观测技术领域，其中，该方法通过雷达监测桥梁振动采集回波信号，确定桥梁振点所在的距离单元，提取距离单元处的原始回波时间序列信号进行EMD分解得到一簇IMF分量，逐个进行WVD变换得到时频谱图，比较每个IMF分量对应的时频谱图能量值获取桥梁振动频率。本发明专利技术公开的桥梁振动频率获取方法避免了传统方法不能获取时间信息、时频分辨率有限、所得时频谱图可读性较差、不能分辨出有效信息的问题。本发明专利技术提出一种基于回波信号分解的桥梁雷达信号振动频率提取方法，结合WVD和EMD，在面对监测桥梁振动的复杂情况下，能够有效减少计算WVD时带来的交叉项，从而在分解的分量中提取出目标的振动频率。分量中提取出目标的振动频率。分量中提取出目标的振动频率。

【技术实现步骤摘要】
基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法及系统


[0001]本专利技术涉及雷达观测
，尤其涉及基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法及系统。

技术介绍

[0002]相比起传统传感器全站仪、GPS等监测方法，雷达监测桥梁由于具有非接触、不受天气条件影响、精度高等优势被广泛应用。在处理雷达监测桥梁获取到的振动信号时，桥梁振动会引起微多普勒现象，产生的多普勒频率是一个和时间有关的函数。在时频域分析时变的多普勒特征能够用来进行目标检测和识别，但是无法获取桥梁在某一时刻的振动频率和形变曲线。
[0003]对于桥梁的振动频率，有很多方法来提取，例如：先采用相位反演提取出形变量，之后基于提取出的形变量，做FFT(Fast Fourier transform，傅里叶变换)，计算出振动频率。但基于相位的形变反演对噪声敏感，难以直接提取出准确的形变量来计算频率，需要凭经验进行滤波等操作。又如：采用线性时频分布方法(主要包括短时傅立叶变换、小波变换等)来直接从回波提取桥梁的振动频率和形变曲线，这种方式虽然具有计算简单、不存在交叉项等优点，但是由于不确定性原理(Uncertainty Principle)，其时频分辨率有一定限制，短时傅立叶变换等手段的时频分辨率难以达到最佳，不能同时实现频率和时间的分辨率最优，无法获取桥梁在某一时刻的高分辨率的振动频率和形变曲线；再如：采用双线性时频分布(也称科恩类时频分布)来提取，其主要是利用雷达信号的二次方的积分，计算出信号能量密度随时间变化的曲线，虽然这种方式具有很好的时频聚焦性，但是其在计算过程中引入了交叉项，由于雷达获取的桥梁振动信号属于非线性非平稳信号，拥有多个频率分量，对其进行双线性时频分析会受到交叉项的影响，使得时频谱图的可读性变差，不能分辨出有效信息。可见，现有的提取桥梁的振动频率的方法均有一些缺点，导致无法获取桥梁在某一时刻较为精确的振动频率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法及系统，通过结合魏格纳威尔分布(Wigner
‑
Ville Distribution,WVD)和经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)，直接从回波信号中提取桥梁的振动频率，而不是传统方法所用的从桥梁形变量入手来获取振动频率，在面对监测桥梁振动的复杂情况下，能够有效减少计算WVD时带来的交叉项，从而在EMD分解的分量中，提取出精度较高的桥梁振动频率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法，包括：
[0007]通过雷达监测桥梁振动采集回波信号，并基于所述回波信号确定桥梁振点所在的距离单元，提取所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号；
[0008]对所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号进行EMD分解，得到
一簇IMF分量；
[0009]将所述IMF分量逐个进行WVD变换得到时频谱图，通过比较每个所述IMF分量对应的时频谱图的能量值获取桥梁振动频率。
[0010]优选地，通过雷达监测桥梁振动采集到的回波信号为：
[0011][0012]式(4)中，τ为慢时间域的时移量，f为信号频率，C为光速，R0为桥梁的距离，f
v
为桥梁振点所在距离单元的振动频率，R0+Asin(2πf
v
τ)用于描述桥梁振动；
[0013]所述回波信号为矩阵形式，包括距离向和方位向。
[0014]进一步地，基于所述回波信号确定桥梁振点所在的距离单元，提取所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号的方法包括：
[0015]对所述回波信号在距离向进行快速傅里叶逆变换，得到脉冲压缩信号；
[0016]基于所述脉冲压缩信号在距离向确定有强反射点的距离单元，所述有强反射点的距离单元中包含所述桥梁振点所在的距离单元,并且所述有强反射点的距离单元的回波幅值达到背景噪声幅值的数倍；
[0017]采用距离多普勒图的方式从所述有强反射点的距离单元中读取出桥梁振点所在的距离单元，提取所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号；其中，所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号中具有多个频率分量，且所述频率分量均为桥梁的振动频率f
v
的整数倍。
[0018]具体地，所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号为：
[0019][0020]式(5)中，为信号波长，f
c
为信号中心频率。
[0021]较佳地，对所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号进行EMD分解，得到一簇IMF分量的方法包括：
[0022]S1、获取桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号，并标记为待处理的时间序列信号；
[0023]S2、对所述待处理的时间序列信号进行局部极值识别，针对识别到的所有的极大值和所有的极小值分别进行三次样条拟合，得到上包络线和下包络线，并计算均值包络；
[0024]S3、从所述待处理的时间序列信号中减去均值包络，得到一个IMF分量；
[0025]S4、判断所述IMF分量是否满足预设的分量条件，若满足则将所述IMF分量保存为正确的IMF分量；若不满足则将所述IMF分量标记为待处理的时间序列信号，并基于步骤S2和步骤S3重新获取IMF分量，直到获取到的IMF分量满足预设的分量条件；
[0026]S5、从所述待处理的时间序列信号中减去最近一次获取到的正确的IMF分量，得到新的时间序列信号；
[0027]S6、将所述新的时间序列信号标记为待处理的时间序列信号，重复上述步骤S2至步骤S5，直至所述新的时间序列信号为单调函数或常量，将所有的正确的IMF分量从高频到低频按序排列并输出。
[0028]具体地，所述预设的分量条件为：
[0029]在IMF分量的数据集中，至少有一个极值点或过零点，且所述极值点的个数和所述过零点的个数最多相差1个；以及
[0030]针对IMF分量的数据集中的任一点，由局部极大值和局部极小值定义的包络的均值为零。
[0031]优选地，将所述IMF分量逐个进行WVD变换得到时频谱图，通过比较每个所述IMF分量对应的时频谱图的能量值获取桥梁振动频率的方法包括：
[0032]获取所有正确的IMF分量，逐个进行WVD变换；
[0033]逐一计算WVD变换后的每一个IMF分量对应的时频谱图的能量值大小，直到当前计算得到的IMF分量对应的时频谱图的能量值大小比前一个的IMF分量对应的时频谱图的能量值大小低1个数量级时，停止计算IMF分量对应的时频谱图的能量值大小，并将前一个的IMF分量提取为桥梁振动频率，同时输出所述桥梁振动频率对应的时频谱图。
[0034]一种基于雷达信号提取桥梁振动频率的系统，包括时序信号提取模块、分解模块以及频率提取模块，其中，
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法，其特征在于，包括：通过雷达监测桥梁振动采集回波信号，并基于所述回波信号确定桥梁振点所在的距离单元，提取所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号；对所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号进行EMD分解，得到一簇IMF分量；将所述IMF分量逐个进行WVD变换得到时频谱图，通过比较每个所述IMF分量对应时频谱图的能量值获取桥梁振动频率，其中，所述时频谱图的能量值为：时频谱图中最大的一行相加得到的值。2.根据权利要求1所述的基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法，其特征在于，通过雷达监测桥梁振动采集到的回波信号为：式(4)中，τ为慢时间域的时移量，f为信号频率，C为光速，R0为桥梁的距离，f
v
为桥梁振点所在距离单元的振动频率，R0+Asin(2πf
v
τ)用于描述桥梁振动；所述回波信号为矩阵形式，包括距离向和方位向。3.根据权利要求2所述的基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法，其特征在于，基于所述回波信号确定桥梁振点所在的距离单元，提取所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号的方法包括：对所述回波信号在距离向进行快速傅里叶逆变换，得到脉冲压缩信号；基于所述脉冲压缩信号在距离向确定有强反射点的距离单元，所述有强反射点的距离单元中包含所述桥梁振点所在的距离单元,并且所述有强反射点的距离单元的回波幅值高于背景噪声幅值；采用距离多普勒图的方式从所述有强反射点的距离单元中读取出桥梁振点所在的距离单元，提取所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号；其中，所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号中具有多个频率分量，且所述频率分量均为桥梁的振动频率f
v
的整数倍。4.根据权利要求3所述的基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法，其特征在于，所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号为：式(5)中，为信号波长，f
c
为信号中心频率。5.根据权利要求4所述的基于雷达信号提取桥梁振动频率的方法，其特征在于，对所述桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号进行EMD分解，得到一簇IMF分量的方法包括：S1、获取桥梁振点所在的距离单元处的原始回波时间序列信号，并标记为待处理的时间序列信号；S2、对所述待处理的时间序列信号进行局部极值识别，针对识别到的所有的极大值和
所有的极小值分别进行三次样条拟合，得到上包络线和下包络线，并计算均值包络；S3、从所述待处理的时间序列信号中减去均值包络，得到一个IMF分量；S4、判断所述IMF分量是否满足预设的分量条件，若满足则将所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彦平，林赟，张勇，陶海，李林杰，苏力，宋楠，
申请(专利权)人：铁科检测有限公司，
类型：发明
国别省市：