承德地区摆式仪器观测背景功率谱密度特征分析

为获取承德地区摆式倾斜仪捕捉的地震前兆信息及仪器性能,利用功率谱密度分析方法研究3台VP型垂直摆和1台水平摆倾斜仪的噪声频谱特征。研究结果表明,正常情况下,4台仪器记录的主要背景噪声为0.2 Hz以下的低频自然环境噪声;降雨事件主要影响0.2 Hz以下的低频段;摆式仪器能较好地记录到地震波,近震为更多高频成分,远震以记录面波占主导;地震事件可导致0~0.3 Hz频段的噪声显著增加;仪器标定过程中,低频噪声会显著增加。

功率谱密度消频散变换被动估计脉冲声源距离

浅海中传播的低频声波具有多模态特征和频散效应。对接收声信号消频散变换(DDT)可以消除频散效应,实现被动估计声源距离。针对消频散变换存在的测距多值问题,该文提出一种利用功率谱密度消频散变换的被动测距方法(PSD-DDT)。首先使用声场模型KRAKEN计算模态的水平波数;其次在只知道波导不变量大概范围的情况下,估计两个模态之间的频散常数;然后对保留了模态间干涉项的功率谱密度进行消频散变换;最后获得目标距离的估计值为PSD-DDT极大值对应的自变量与频散常数的比值。另外,当海洋参数未知时,需要分别对待测声源和引导声源进行PSD-DDT,利用自变量的比值确定声源距离,这种方法不需要估计频散常数。通过仿真和海试验证了PSD-DDT方法被动测距的有效性,并分析了波导不变量、模态阶数、噪声等因素对距离估计结果的影响。基于黄海试验结果,与DDT方法相比,PSD-DDT的测距误差下降了约49.2%。在35 km范围内最优波导不变量对应的平均相对误差约2.55%,被动测距精度较高。

高速列车轴箱振动特性及功率谱密度归纳研究

针对我国动车组轴箱振动特性及实测加速度功率谱密(Power Spectral Density,PSD)不明确等问题,在我国多条线路上开展轴箱振动试验,获取各个线路轴箱振动加速度数据。通过滑窗计算并拟合峭度、偏斜度两个非高斯参数的分布形式。采用约翰逊拟合对非正态分布的PSD样本进行谱归纳,获得轴箱实测功率谱密度,与IEC 61373标准进行对比分析。结果表明:轴箱振动加速度信号有着明显的超高斯特性,其中峭度分布符合对数正态分布,且进行曲线平移后拟合效果较好;高斯混合模型对偏斜度分布有着较好的拟合。通过对5条线路实测功率谱密度的统计结果可知,标准值与实测功率谱密度差异较大,各线路在500~1000 Hz高频振动能量大于标准值;在5~300 Hz低频振动能量小于标准值。将统计结果作为轴箱附属部件的载荷输入,为轴箱附属部件进行考虑线路非高斯特性的疲劳可靠性设计和振动试验提供理论指导。

融合多工况功率谱密度函数的工作模态分析方法

频域分解(frequency domain decomposition,FDD)方法是开展环境激励下结构工作模态分析(operational modal analysis,OMA)的常用方法。但是,现有的FDD方法存在一些不足:①无法剔除非白激励及谐波激励引起的虚假模态;②无法区分结构密集模态与不相关非白激励产生的虚假模态。通过研究发现功率谱密度(power spectral density,PSD)矩阵的秩是FDD方法性能的决定性因素。在此基础上,提出一种新的工作模态识别OMA方法,该方法结合了不同激励工况下的响应PSD函数矩阵,并分别对单个激励工况下的响应PSD矩阵与多工况下的增广响应PSD矩阵进行奇异值分解,通过对比单工况PSD矩阵与增广PSD矩阵在奇异值峰值处秩的变化,识别出包括密集模态在内的结构模态参数,并消除由非白激励产生的虚假模态。采用桁架结构仿真算例和广州塔的工程数据集验证所提方法的有效性。

基于功率谱密度筛选的高海拔区背景噪声快速成像技术

真实且高信噪比的经验格林函数是准确提取面波频散和反演地下结构的前提,而实际噪声源分布与理论存在差异,且高海拔区噪声源数量少、能量弱,不仅需要长时间的数据采集,也难以获得高信噪比的经验格林函数。因此本文提出基于功率谱密度的背景噪声数据筛选方法,对某高海拔地区采集的92 h的背景噪声数据进行筛选,不仅大幅缩短了互相关计算时长,更有效提取了高信噪比的面波,减弱了高视速度干扰波,并获得了浅层0~140 m高分辨率的横波速度结构。本次研究为作业难度大的高海拔区开展周期短的水利水电勘察工作提供了新思路。

高速铁路0.01~120 m波段轨道不平顺功率谱密度函数的构建

目前国内外铁路轨道不平顺功率谱密度(power spectral density, PSD)函数的表达式多种多样,但因检测仪器有效测量范围有限,其表征波段范围往往较窄,常以短波、中波或中长波等形式呈现,因此,开展更宽波段轨道不平顺功率谱密度函数的研究对铁道工程领域的科学研究和工程应用具有参考价值。本文对波磨小车与综合检测列车测得的高速铁路轨道(面)不平顺数据进行预处理,采用改进的周期图方法计算和分析其功率谱密度,总结其宽带和周期性成分特征;基于计算所获得的中位轨道不平顺功率谱密度,提出短波[0.01,1) m、中长波[1,120] m以及更宽波段0.01~120 m的轨道不平顺功率谱密度函数的拟合公式,并将本文提出的拟合谱与既有的典型谱进行比对分析。研究结果表明:高速铁路功率谱密度存在多个周期性成分,短波不平顺周期性成分主要与钢轨接头以及波磨相关,中长波不平顺周期性成分主要与无砟轨道结构和32 m简支梁桥的构造形式有关;所提出的短、中长波以及0.01~120 m波段的拟合公式能够很好地表征轨道不平顺功率谱密度的宽带波长特性,且参数少,形式简洁,适用性强。

城市轨道交通轨面短波不平顺谱实测研究

针对城市轨道交通诱发的振动噪声问题,对轨面短波不平顺进行研究.首先,对上海市轨道交通线路轨面短波不平顺实测数据进行零均值化、剔除异常值、消除趋势项等预处理.其次,利用改进的协方差法计算得到轨面短波不平顺功率谱,分析轨道类型、曲线半径及钢轨接头对轨面短波不平顺功率谱分布规律的影响.然后,基于非线性最小二乘法对轨面短波不平顺谱进行拟合.最后,提出我国城市轨道交通轨面短波不平顺统计谱表达式.研究结果表明:直线段接头区轨面短波不平顺功率谱密度曲线在整个分析波长范围内具有较多特征峰值;直线段接头区上、下行短波不平顺功率谱密度值随波长的分布特征和数值相差不大,说明上、下行的轨面不平顺状态基本相同;钢轨的磨耗程度与曲线半径呈负相关,内、外轨面不平顺功率谱密度的差异随曲线半径的增大而减小,曲线半径是影响轨面不平顺状态的主要因素之一;线路类型对轨面短波不平顺功率谱的影响不大,不同曲线半径、焊接接头影响明显,在对轨道进行维护和养护时需关注小曲线半径区段以及焊接接头区段的不平顺状态.

基于共空间模式和功率谱密度的脑电信号分类

由于单一域缺少其他相关信息而导致运动想象分类准确率不高和泛用性差,本文研究设计了基于空间域和频域的运动想象分类方法。根据运动想象执行时的对侧映射机制以及事件相关同步和事件相关去同步的现象,对C3和C4通道数据进行共空间模式和功率谱密度特征提取和融合,然后使用网格搜索参数优化的支持向量机对运动想象的脑电信号进行分类。结果表明共空间模式和功率谱密度的融合特征,解决了共空间模式对噪声敏感以及缺少频率特征信息的缺点,实现了更高的分类结果和泛化性,分类准确率达91.3%,验证了该方法的有效性。

北武当观测站洞体形变观测功率谱密度特征分析

选取山西省北武当地震观测站洞体形变测项正常时段及干扰时段的观测数据,计算功率谱密度(PSD),分析洞体形变数据的正常背景特征和不同干扰下对应PSD值的变化特点。结果表明:(1)无干扰:正常背景下,观测数据每日PSD值变化不大,可反映最大频率为8.3×10^(-3)Hz的PSD分布;(2)曲线加粗:在10^(-3)Hz以上频段,干扰日PSD值增大,表现为高频干扰;(3)台阶、突跳和畸变:PSD值全频段明显增大;(4)趋势改变:PSD值变化不大;(5)地震波:随着同震效应增大,PSD值频段范围和变化幅度增大。

脑小血管病认知障碍患者脑电功率谱变化与中性粒细胞/淋巴细胞比值相关性及临床价值研究

目的:探索脑小血管病认知障碍(CSVCI)患者脑电功率谱变化与中性粒细胞/淋巴细胞比值(NLR)的相关性,并分析其临床价值。方法:收集脑小血管病(CSVD)患者61例,依据蒙特利尔认知评估量表(MoCA)评分,将其分为伴有认知障碍组(CSVCI组,29例)及无认知功能障碍组(CSVD组,32例),同期招募体检健康者20例为对照组(HC组)。对三组进行脑电图检查,比较全脑定量脑电图功率谱密度(PSD),并分析其与NLR的相关性。结果:CSVCI组年龄高于HC组,受教育年限低于CSVD组和HC组(均P<0.05)。CSVCI组和CSVD组高血压占比高于HC组(均P<0.05)。CSVCI组脑室旁及总脑白质Fazekas评分高于CSVD组和HC组,且CSVD组高于HC组(均P<0.05)。CSVCI组和CSVD组深部脑白质Fazekas评分高于HC组(均P<0.05)。CSVCI组δ、θ频段PSD值高于CSVD组,α频段PSD值低于CSVD组和HC组,CSVD组δ频段PSD值低于HC组(均P<0.05)。多因素Logistic回归表明α频段全脑PSD减低及受教育年限低为CSVCI发生的独立危险因素(均P<0.05)。CSVD患者α频段PSD值与MoCA评分呈正相关,δ频段PSD值与MoCA评分呈负相关,且脑室旁Fazekas评分、深部脑白质Fazekas评分及总脑白质Fazekas评分与MoCA评分呈负相关(均P<0.05)。NLR与θ频段全脑PSD呈正相关(P<0.05)。结论:CSVCI患者脑电快波活动减低而慢波活动增加。α频段全脑PSD值独立于Fazekas评分外影响CSVD患者认知障碍的发生,可能成为评估认知障碍严重程度、预测认知障碍发生的早期客观指标。NLR可能为导致脑电慢化的机制,有可能成为早期预测脑电慢化、认知障碍的客观指标。

平稳随机激励下非黏滞阻尼系统功率谱密度函数的灵敏度分析

功率谱密度(power spectral density,PSD)函数的灵敏度分析是实现结构系统在随机激励下梯度优化算法的基础。区别于黏性阻尼模型假设阻尼力正比于瞬时速度,非黏滞阻尼模型的阻尼力与质点的时间历程相关,因而能够更准确地描述黏弹性材料的耗能特性。针对卷积型非黏滞阻尼系统PSD函数的灵敏度求解问题,利用虚拟激励法(pseudo-excitation method,PEM)将平稳随机激励下非黏滞阻尼系统的随机响应问题等效转化为确定性的简谐响应问题;利用直接微分法推导出PSD函数的灵敏度表达式;分别引入基于复模态的一阶、二阶近似法和基于实模态的迭代法构建PSD函数的灵敏度算法;通过数值算例比较三种方法的计算精度和效率。结果表明,迭代法更适合大规模非黏滞阻尼系统PSD函数的灵敏度求解。

基于功率谱密度与随机配置网络的低压串联电弧故障检测

低压串联电弧电流为非平稳信号,故障特征区分度低且具有随机性,给电弧故障特征提取和准确检测带来困难,提出了基于功率谱密度与随机配置网络的低压串联电弧故障检测方法。首先,搭建了串联电弧故障发生平台,采集不同负载类型的电流数据,构建数据集。其次,采用功率谱密度对电流信号执行随机信号分析,实现对电流信号的定量化频域特征描述,增强故障电流与正常电流特征的区分度。然后,采用随机配置网络构建串联电弧故障检测模型,将功率谱密度特征用于随机配置网络的自适应训练学习,提升网络训练效率和模型故障检测能力。在本文构建的电流数据集上,串联电弧故障检测的平均准确率达到96.1567%,证明了方法的有效性。

基于谱相关密度和卷积神经网络的轴承故障诊断

针对短时傅里叶变换、小波变换等传统信号预处理方法易受噪声影响的问题,提出了一种基于谱相关密度和卷积神经网络的滚动轴承故障诊断方法(SCD-CNN)。首先,利用谱相关密度能有效抑制高斯噪声的优点,将一维振动信号转变为二维谱相关密度图,用于提高卷积神经网络输入信号的信噪比;然后,将谱相关密度图作为卷积神经网络的输入,通过二维卷积神经网络实现轴承故障特征提取和分类;最后,利用凯斯西储大学标准轴承数据集的试验结果表明,相对于STFT-CNN和CWT-CNN模型,SCD-CNN模型具有更高的故障识别准确率(98.97%)。另外,对SCD-CNN模型的诊断结果,不同阶段的特征图以及分类过程进行了可视化分析,探讨了SCD-CNN模型故障识别准确率提高的深层次原因。

中低速磁浮轨道不平顺功率谱研究

轨道不平顺作为中低速磁浮列车主要的外部激励源,是造成磁浮列车-轨道耦合振动的重要原因。由于弦测值幅频特性存在畸变,通常不能作为实际轨道不平顺应用于工程实践中。基于实测长达4 km的长沙磁浮快线F轨高低和轨向10 m弦测数据,分析实测数据的传递特性,利用“以小推大”逆推算法扩大轨道不平顺波长的有效检测范围,并采用“逆滤波”算法对轨道不平顺进行复原,得到0.5~100 m波长的轨道不平顺。结果表明:实测F轨10 m弦测数据存在畸变,总体趋势与传递函数相符,不能对实际轨道几何状态正确表达;修正后的轨道不平顺功率谱具有很好的平顺性,无明显周期性成分;对轨道不平顺功率谱进行分段拟合,确定中低速磁浮轨道不平顺表达式的各项参数;将拟合的中低速磁浮轨道谱与国内外成熟铁路轨道谱进行对比,高低轨道不平顺与德国高干扰谱较为接近,在1.5~100 m波长范围内,处于德国高干扰谱与德国低干扰谱之间,在0.5~1 m波长范围内,处于美国五级谱与美国六级谱之间;轨向不平顺与高速铁路标准谱较为接近,在波长7~100 m波长范围内,高于高速铁路标准谱,在波长0.5~7 m波长范围内,低于高速铁路标准谱。

一种基于谱分析的重力场统计特征建模方法

重力场的统计特征主要包括协方差(相关函数)、功率谱密度、球谐阶方差等参量,是从空域、频域和球谐域描述重力场变化规律的主要依据.本文以扰动位的距离倒数协方差模型为核函数,研究了一种能在不同重力场元之间自洽解析转换的统计特征建模方法.分别利用高分辨率的地面重力异常和实测航空重力梯度数据进行功率谱分析,结合EGM2008模型构建了3组重力场统计特征模型,分析了本文模型与经典模型的差异,并用于高频重力场随机模拟,验证了本文方法在不同频率区间建模的可行性和实用性.本文模型可用于重力梯度探测、高频重力场随机模拟、重力场推估等方面的定量分析,相关算法和思路也可为构建更精细的统计特征模型提供借鉴.

非道路特种车辆耐久性载荷谱的高置信度最少采集样本量

针对特种车辆的耐久性开发时服役载荷获取问题,提出服役载荷谱的特征参数服从威布尔分布的高置信度(90%以上)最少采集样本量模型。基于全面表征载荷谱能量分布和损伤分布的累积功率谱密度,开展该特征参数的威布尔分布及参数估计研究,并构建耐久性载荷谱高置信度最少采集里程模型。以非道路条件下特种车辆在两段路程下采集的轮端六分力信号为对象,基于所构建的载荷谱采集最小子样容量模型,同时指定采集载荷谱的样本与总体之间的精度指标和置信度要求,分别获取特种车辆在典型工况下载荷谱的最少采集里程,并相互验证。研究结果表明:提出的服役载荷谱特征参数服从威布尔分布的高置信度最少采集里程模型,能够有效地实现高置信度、高精度载荷谱采集的最少里程计算。

基于谱估计的微振动测试与评估方法及其应用

随着第四代同步辐射光源对束流亮度和发射度的要求日益严苛,微振动对束流品质的影响逐渐凸显。然而,国际上尚无统一的标准来全面测试和评估地基微振动的影响,对微振动的有效管理和控制变得尤为困难。本文建立基于谱估计的振动数据处理模型,并提出基于概率统计的方法来评估地基微振动位移,全面客观地评价振动位移有效值。利用该模型对武汉先进光源预研基地的实验大厅进行振动对比测试、振源分析及振动位移评估,得出垂直方向的振动位移有效值的平均值(Average Root Mean Square,Ave RMS)为8.08 nm,标准偏差σ为4.55 nm,即垂直振动位移(Ave RMS+3σ)为21.73 nm,满足40 nm的设计要求。该振动数据处理方法不仅适用于初始地块与基础隔振处理后地基的振动评估,还适用于元部件级别的振源排查分析。

遥测振动信号功率谱密度压缩算法

针对弹载飞行期间传输带宽受限的问题,设计出了一种遥测振动信号功率谱密度压缩算法,将传输遥测振动信号转化为传输功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)信号。通过比较不同窗函数的特性,选取出最适合遥测振动信号的截断函数。并且,采用频域平均法减少随机分量对谱分析结果的影响,实现对数据的压缩。Matlab仿真结果表明,选用汉宁窗能够有效抑制旁瓣电平削弱频谱泄露现象。该算法将数据量压缩至5%,大大提高了弹载飞行的传输效率。

小口径终端HTS高清视频应用中的EIRP谱密度分析

基于工业和信息化部及国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)关于动中通/移动平台地球站发射信号的等效全向辐射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power,EIRP)谱密度要求,以及高清视频应用对于传输速度的要求,以两种典型小口径终端为例,分析其使用亚太6D、中星16进行高清视频应用时对相关传输要求的满足情况。结果表明,小口径终端进行高通量卫星(High Throughput Satellite,HTS)高清视频应用时,采用扩频方式降低功率谱密度是避免邻星干扰的一种有效手段。

新疆达坂城风区顺风向脉动风功率谱

为研究新疆乌鲁木齐所处达坂城风区的复杂脉动风环境,基于实测风场风速数据分析并拟合了该风区的顺风向脉动风功率谱。结果表明:以反比例函数拟合山区峡谷地形平均风速与湍流强度的关系误差较小;山区峡谷地形湍流积分尺度分布较离散,但整体随平均风速的增大而增大;考虑地形系数的Kaimal修正谱在含能区和惯性子区间能较好地表征实测谱,在耗能区选用三参数拟合描述实测谱效果良好;选用过渡函数来描述惯性子区间与耗能区接触区域的功率谱,拟合效果较为理想。可见达坂城风区具有特殊顺风向脉动风特性,以修正谱和拟合谱分段构成的函数模型可用于表征该风区顺风向脉动风功率谱。