频谱分析中用于相位和频率校正的相位差校正法

提出了一种对连续时域信号分前后两段作傅里叶变换,利用其对应离散谱线的相位差校正出谱峰处的准确频率和相位的新校正方法——相位差校正法,通过窗谱函数的公式还可以校正其幅值,以解决离散频谱分析中由于谱峰谱线没有对正峰顶时所带来的较大误差。该方法原理简单,通用性好,运算速度快,校正精度高,可以在不知道窗谱函数表达式的情况下,直接用其相位差进行求解。仿真研究表明,对单频率成分的频率、相位、幅值进行校正,频率误差小于0.0002个频率分辨率,相位误差小于0.1 度,幅值误差小于0.02% 。     

两个密集频率成分重叠频谱的校正方法

在离散频谱分析中当频率成分比较密集时，各频率成分的谱线相互重叠，产生干涉，使谱线的幅值和相位产生误差，此时无法直接使用比值校正法对频谱的幅值、频率和相位进行校正。该文针对具有两个相互重叠频率成分的密集频谱，分析了两个重叠频率成分在复频域的叠加情况，在不增加采样长度的条件下，通过向量分解和单频率成分的识别、校正方法，推导出其校正公式。仿真研究表明，这种校正方法简单易行，可以对谱峰间距大于０．０１个频率分辨率的两个有重叠干涉的频率成分进行精确的幅值、频率和相位的校正，幅值误差小于０．０２‰，频率误差小于０．００００２个频率分辨率，相位误差小于０．００３度。     

频谱校正时谱线干涉的影响及判定方法

针对现代比例（内插）频谱校正法要求参与计算的两条谱线只包含单频率成分信号的特点，分析了包含有两个以上频率成分信号和负频率成分所产生的谱线干涉现象及由此带来的较大校正误差问题，推导并提出了离散频谱中谱干涉的相位和幅值综合判断方法以及校正的可信度，当可信度为１００％时，此离散谱峰为单频率成分，由此实现了单频率信号离散频谱的自动校正。仿真计算表明该方法简便易行、精度高     

频谱校正的复比值法

为了抑制快速傅立叶变换(FFT)栅栏效应,已经发展了多种幅值比校正法.但是研究发现:这种方法对于实信号在有些条件下,甚至会比从FFT离散谱线直接读出的误差更大.其原因是由于实信号中负频率成分对正频率谱峰的干扰.为了抑制这种干扰,给出了复比值校正方法和复合复比值法.前者直接利用复数频谱进行校正,后者根据前者在最高谱线与其左右相邻的谱线各校正出一个频率,然后对这两个频率加权平均.仿真算例表明:复比值法对负频率成分的干扰不敏感;而复合复比值法性能优于Quinn算法.     

极低频信号的一种离散频谱校正新方法

对于振动工程中常见的极低频、极短时、极高频(接近奈奎斯特频率)等极端频率信号,常用的离散频谱分析与校正方法存在较大误差.对极端频率信号的典型情形进行了分析,针对极端频率信号中的极低频信号,提出了一种计及负频率成分干涉影响的离散频谱校正新方法.该方法基于Blackman窗,利用局部谱峰附近的三条谱线,建立包含正负频率贡献的离散频谱校正模型,通过对模型的求解获得频率、幅值和相位校正公式.采用频段内扫描的方式对频谱校正公式进行了仿真验证,结果表明所提方法有效降低了负频率成分的干涉影响,对极低频信号的频率、幅值和相位校正有较高的精度.     

频谱校正理论的发展

在分析国内外各种频谱校正方法优缺点的基础上 ,系统地评述三点卷积校正法、比值 (内插法 )校正法及相位校正法等若干理论发展及应用问题。目前频谱校正理论已经能准确地自动识别出离散频谱中的单频成分和间隔较远的多频率成分 ,并自动校正其频率、幅值和相位 ;对多频成分谱线干涉中的单频成分能自动判定 ,且能用参数识别法对两个密集频谱进行校正 ;对于密集频率成分信号 ,可用频谱细化的方法 ,将发生谱线干涉的各谱峰分离开 ,再进行识别和校正。在不采长样时 ,密集频率成分和连续谱的识别和校正技术将是主要研究方向。频谱校正理论在振动信号分析和故障诊断中具有广阔的工程应用前景     

一种改进的基于相位差法的频谱校正方法

采用相位差校正法进行频谱校正,对幅值进行校正需要依赖于窗函数的谱函数。而实际上很多窗函数都十分复杂,其谱函数的解析表达式难以取得。该文提出基于相位差法取得频率修正量后,可以将原加窗序列乘以一个由频率修正量产生的复数序列,相当于进行一个小的频移,产生一个新的序列。新序列的信号频率正好对准离散频谱上的某一根谱线,不会产生泄漏。因此在幅值校正时不需要依赖窗函数的谱函数,通用性好。仿真研究和应用实例表明,采用该文提出的方法,选择合适的窗函数,即使是密集分布的频谱,也可以达到理想的校正精度     

加三角窗的频谱校正

频谱校正是抑制快速傅立叶变换的栅栏效应和频谱泄漏的有效方法,但是加三角窗的频谱校正尚无文献报导。针对三角窗,给出了两种频率校正方法。第一种方法利用主瓣内的最高和次高谱线,但是需要数值法求解非线性方程。第二种方法利用最高谱线左右两侧两条谱线,它存在显式解。利用单频实正弦的仿真信号对两种算法的频率、幅值和相位等恢复精度进行了考核。结果表明:1)两种方法都显著优于传统的简单谱线近似法;2)负频率的泄漏是影响精度的重要因素。     

离散频谱的频率抽取校正法

在对几种现有的离散频谱校正的方法作了综合分析和回顾的基础上,对现有的频谱校正方法进行了改进,提出了一种新的校正方法——频率抽取校正法,通过抽取幅值谱中最大谱线处的频率成分来确定信号分量的频率,采用最小二乘拟合法修正其幅值和相位,如此循环抽取和修正即可逼近原始信号。仿真结果表明,该方法提高了离散频谱校正的精度,且实现方便,适用于一般的工程平稳信号处理。     

离散频谱的能量重心校正法

针对离散频谱三点卷积幅值校正方法只能校正幅值,不能校正频率和相位的问题,从理论上推导了常用离散窗谱函数的能量重心就是坐标原点,由此得到了能量重心法校正频率和相位的公式。误差分析和仿真计算表明：与其它校正方法相比,此方法能对多段平均功率谱直接进行校正,算法简单,计算速度快,负频率成分和间隔较近的多频率成分产生的干涉现象所带来的误差对精度的影响小,校正方法适用于各种对称窗函数,解决了三点卷积幅值校正法不能校正信号频率和相位的缺点。在工程应用中,对噪声小的信号,推荐加Hanning窗n=1（三点卷积法）的方法进行校正,频率间隔大于等于4个频率分辨率的信号校正后的幅值误差小于1％,频率误差小于0.01个频率分辨率,相位误差小于5度,这种方法不适用于频率过于密集的分析场合或连续谱。     

FFT幅相联合的快速高精度频率估计方法

快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）常用于信号频率估计,采用填零的方法可降低幅度谱频率搜索间隔的量化误差,但是会使频率估计的计算量成倍增加。本文提出了一种FFT幅相联合的快速高精度频率估计算法,首先利用信号采样的频谱序列和尾首样本差确定幅度谱及峰值位置,然后由频谱序列在幅度谱峰值位置和信号采样的尾首样本差来确定频率搜索间隔的量化误差校正值。因此,所提方法同时利用了幅度谱峰值的位置信息与相位信息。分析结果表明,与仅基于幅度谱搜索的FFT算法相比,所提方法的计算复杂度更低,且定位精度更高。     

Tsallis Distribution-Based Fractional Derivative Method for Lamb Wave Signal Recovery

A new fractional derivative method based on the Tsallis distribution function is developed to recover the Lamb wave signals from the noisy Lamb wave signals. After the fractional derivative of the amplitude spectrum of the noisy Lamb signal at different derivative orders, the quartic polynomial function between the peak amplitude and the derivative order as well as that between the peak frequency and the derivative order is proposed based on the Tsallis distribution function. Then, the characteristic parameters of the amplitude spectrum are deduced by using the proposed polynomial relationship. Finally, the noise-free Lamb wave signal is recovered based on the characteristic parameters. Simulated results indicate that the Lamb wave signals can be recovered in the case of the white noise, the transient noise and the sine wave signal. Experimental results confirm the validity of the method. Consequently, the developed method can recover the Lamb wave signals effectively.     

Single-particle sizing from light scattering by spectral decomposition

A Fourier transform was applied to size an individual spherical particle from an angular light-scattering pattern. The position of the peak in the amplitude spectrum has a strong correlation with the particle size. A linear equation retrieved from regression analysis of theoretically simulated patterns provides a relation between the particle size and the location of the amplitude spectrum's peak. The equation can be successfully applied to characterize particles of size parameters that range from 8 to 180 (corresponding to particle sizes that range from 1.2 to 27.2 microm at a wavelength of 0.633 microm). The precision of particle sizing depends on the refractive index and reaches a value of 60 nm within refractive-index region from 1.35 to 1.70. We have analyzed four samples of polystyrene microspheres with mean diameters of 1.9, 2.6, 3.0, and 4.2 microm and a sample of isovolumetrically sphered erythrocytes with a scanning flow cytometer to compare the accuracy of our new method with that of others.     

用时域峰值法计算频率和阻尼

时域参数识别法无需将测试信号在时域与频域之间变化,避免了由FFT变换引起的截断误差,如能量泄漏等。本文根据脉冲响应时间序列的峰值及其对应的时间序列计算频率、阻尼、幅值和相位。算例表明,本文方法计算精度高,不仅能高精度地识别频率、阻尼比、幅值,而且能有效地识别相位角,为重构信号创造了条件。     

基于支持向量机的现地地震预警地震动峰值预测

以0.1-10 Hz带通滤波后三分向矢量合成地震动峰值PGA 与PGV 为预测目标参数,利用日本K-net 强震台网P波触发后3 s数据,基于人工智能中的经典机器学习方法-支持向量机,选取加速度幅值Pa、速度幅值Pv、位移幅值Pd、傅里叶谱幅值AMmax、速度平方积分IV2、破坏烈度DI、累积绝对速度CAV、阿里亚斯烈...     

不同立面收缩形式圆角弧边三角形超高层建筑的气动力特性

为探索立面变化对圆角弧边三角形超高层建筑气动力特性的影响,采用风洞试验方法对6种立面收缩形式的建筑物进行了表面风压测试,研究了不同立面收缩形式、不同地貌和风向角情况下建筑三分力系数、横风向弯矩系数功率谱以及层脉动升力系数功率谱的变化特性。结果显示：锥度化和同向退台均可有效降低平均阻力系数、平均升力系数以及脉动升力系数,且降幅随锥度增大而增大,相比之下退台的效果更佳;两种退台旋转可更大程度减小三个平均分力系数和脉动阻力系数,并改变脉动升力系数和脉动扭矩系数峰值所对应的风向范围。随着锥度增大,横风向弯矩系数功率谱峰值频率右移,谱峰降低,采用退台则影响程度更大。退台旋转会使功率谱部分频段的能量明显超过同向退台情况,因为当旋转部分圆角迎风时,在两侧风弧面上加速的气流可对上方相邻退台的漩涡脱落起增强效应。     

二元联合变换相关器的实现方法研究

采用中值取阈，局部取阈，参考图像功率谱取阈和联合功率谱（JPS）取阈四种方法对传统联合变换相关器的功率谱二值化，从而将振幅调制的功率谱转化为脉冲调制的功率谱。计算机模拟结果表明二值化可以获得更清晰更尖锐的相关峰，其中联合功率谱取阈法的识别效果最佳。     

A study on the stochastic characteristics of earthquake response spectra in seismic hazard analysis

Abstract

For the purpose of establishing seismic design criteria for engineering structures, it is desirable to assess the expected intensity of seismic strong ground motion at a site for various probability levels (i.e., Seismic Hazard Analysis). In order to consider the seismic hazard at a site, the predictive equations of ground motion are needed. A number of predictive relationships derived from regression analysis of strong‐motion data are available for horizontal peak acceleration, response spectral value, and Fourier amplitude value. Of the earthquake data recorded in the Taiwan area, the “rock site” data are chosen for the determination of ground motion parameters. By using the predictive equation of peak ground acceleration, the seismic hazard curve at a site can be calculated, and by using the model of spectral acceleration attenuation, the uniform hazard spectrum is developed. Finally, by using the proposed Fourier amplitude attenuation model and the mathematical theory of the maximum response of a single‐degree‐of‐freedom linear system, the non‐exceedance probability of the earthquake response spectrum at a site at a certain lifetime can also be developed. Comparisons between the effects of different ground motion parameters on the results of seismic hazard analysis are made.