[发明专利]基于递归最小二乘法的实时加速度积分算法的动位移监测方法

说明书

本发明公开一种基于递归最小二乘法的实时加速度积分算法及的动位移监测方法，该方法提出了基于递归最小二乘法的加速度在线基线纠正，并结合递归高通滤波器和递归积分器，经多轮基线校正、滤波和积分的组合使用，形成在线实时的加速度积分，依此算法计算所得的位移与实测位移在时域和频域上都十分接近，通过安装加速度传感器得到加速度、速度和位移三组数据，实现了加速度传感器的多功能化。本发明的优点是提供了一种可靠、便捷、低成本的监测方法；使用低成本的加速度传感器，实现了精确的动位移监测。

技术领域

本发明涉及一种土木结构健康监测领域，特别涉及一种基于递归最小二乘法的实时加速度积分算法的动位移监测方法。

背景技术

对土木工程结构健康监测而言，位移既是重要的设计控制参量，又是反映运营技术状况的重要指标，对位移的测量，是服役结构监测、检测的重要的内容。不同于结构试验室环境，对户外的实际结构的位移测量是很困难的，其主要原因在于，在实际的土木工程结构中，多数情况下是找不到用于固定位移计另一端且绝对静止的参照点的，因此，包括激光干涉仪、光栅尺、线性可变差动变压器(LVDT)、模拟电路等在内的位移测量该当，均不适用于实际土木工程结构的位移监测。全球定位系统(GPS)虽然不需要在结构上寻找固定的参照点，但由于至今为止依然昂贵的价格和较差的精度，限制了只能将测点布置在结构的少数几个重要位置上，而且该位置实际发生的位移大小与GPS测量精度相比有较大的差异，如桥梁的跨中或塔顶。与位移监测方法形成对比的是加速度监测，它技术成熟，精度足够，成本低廉，单点固定即可，因此成为大型土木结构监测不可或缺的监测内容。通过对加速度测量数据的事后积分运算，可以得到结构以前的运动速度与位移，是获取大型土木工程结构的相对位移信息的一种最方便和节约成本的方法。

在结构监测环境下，对积分结果的实时性要求很高，这就需要进行积分算法的在线化，早些年地震工程研究中提出的批处理积分算法大都不可行。近年来，针对这一需求，不少研究给出了实时在线积分算法，但这些方法均未能实现直流分流的最佳估计方式——最小二乘估计法的在线化，因此积分结果的质量不佳。这是本申请需着重改善的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种可靠、精确监测动位移的基于递归最小二乘法的实时加速度积分算法的动位移监测方法。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种基于递归最小二乘法的实时加速度积分算法的动位移监测方法，包括以下的步骤：

第一步：确定土木结构中需要监测动位移的测点，及相应监测振动的方向；

第二步：安装加速度传感器；

第三步：采集一小段记录组成加速度采样帧，动态更新加速度计算帧；

所述第三步中的加速度采样帧，其定义是设在加速度监测环境下，一加速度传感器采集得到的第k个采样数据帧是由一系列连续采样得到的加速度信号序列{x_i}组成，i＝1,2,…,n_k，k表示采样帧的序号，记为该采样帧的帧长度为n_k。

所述第三步中的动态更新加速度计算帧，是指动态更新加速度计算帧的数据序列，是一种有进有出的计算帧动态更新模式，即每新进一个采样帧同时退出一个最早进入计算帧的采样帧，保持采样帧的数目l保持不变，也保持所有采样帧的长度不变，即n₁＝…＝n_k＝n，则计算帧的数据长度也保持不变，为N＝l·n。

所述加速度计算帧为l个连续的采样帧按先后顺序组成的集合j＝k-l+1,…,k。它是动态更新的数据序列，其序号由最晚进入的采样帧的序号k表示，将该计算帧记为X_k。

第四步：以递归最小二乘法拟合校正基线；

所述第四步的以递归最小二乘法拟合校正基线包括如下的步骤：

1)输入新的采样帧并动态更新计算帧；