加速度时域截断信号波形再现的处理方法与流程

本发明涉及动力学环境试验技术领域，特别是涉及一种加速度时域截断信号波形再现的处理方法。

背景技术：

动力学环境试验可考核结构或仪器设备能否承受预计的动力学环境(振动、冲击等),是鉴定结构能否保持完整性或仪器设备性能、精度是否降低的一种有效手段。动力学环境试验对保证产品系统结构强度、电子电路可靠性、操纵系统安全性等方面具有极其重要的意义。

加速度时域波形再现试验是动力学环境试验中很重要的一类试验，是指在试验室环境下，在振动台上以较高精度再现指定的加速度时域波形，基于时域控制方式以实测加速度时域信号进行驱动，直接模拟复现真实动力学环境。加速度时域波形再现试验常用来模拟道路运输环境、地震、爆炸冲击等非稳态随机过程。图1所示为现有技术中加速波形再现试验的基本流程图。图1中的信号处理前端是信号采集处理的常用仪器，以电荷放大器为例，能够将传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号，同时又能将传感器的高阻抗输出转换成低阻抗输出。

图2所示为典型的完整型加速度时域信号波形再现试验输入信号。图3所示为图2所示加速度时域信号波形对应的速度信号。图4所示为图2所示的加速度时域信号波形对应的位移信号。即，该典型的加速度时域信号波形信号对应的初始加速度、速度和位移均为零，对应的末加速度、速度和位移均为零，该信号可由振动控制仪识别并驱动振动台实施波形再现，目前有不少商用振动控制仪可以直接以加速度时域信号为输入实施波形再现。

图5所示为末端截断的加速度时域信号波形再现试验输入信号。图6所示为图5所示加速度时域信号波形对应的速度信号。图7所示为图5所示的加速度时域信号波形对应的位移信号。因为该信号为时域截断信号，该信号对应的初始加速度、速度和位移均为零，对应的末加速度、速度和位移均不为零，该信号不能由振动控制仪识别，更不能驱动振动台物理实施波形再现。这是因为：波形再现试验前后，输入信号初始状态的加速度、速度、位移和终止状态的加速度、速度、位移均需为零，是振动控制仪可识别并驱动振动台物理实施波形再现的必要条件。此时，即便在附图5信号基础上按照原采样频率补零，使得末加速度为零，也不能够保证该加速度截断补零信号对应的末速度、末位移同时为零，仍然不能由振动控制仪识别并驱动振动台物理实施波形再现。

但是现实中信号采集过程由于种种意外造成采集信号突然截断的现象时有发生，这就导致没有商用振动控制仪可直接实施波形再现。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，提供一种加速度时域截断信号波形再现的处理方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种加速度时域截断信号波形再现的处理方法，包括以下步骤，

1)对加速度时域截断信号进行计算处理，分别得到速度时域截断信号和位移时域截断信号；

2)分别提取末加速度值A_last、末速度值V_last和末位移值D_last；

3)以三个参数值A_last、V_last和D_last为初始值，利用衰减余弦函数生成位移归零补偿信号；

4)将位移归零补偿信号与位移时域截断信号首尾连接，生成归零位移完整信号；

5)通过位移归零补偿信号计算处理获得速度归零补偿信号及加速度归零补偿信号；

6)将速度归零补偿信号与速度时域截断信号首尾连接，生成归零速度完整信号；将加速度归零补偿信号与加速度时域截断信号首尾连接，生成归零加速度完整信号。

步骤3)中所述的衰减余弦函数为y(t)＝c·cos(at)·e^-bt。

其中，y(t)为位移补偿信号值，t为时间，a、b、c均为常数，b＝-V_last/c，c＝D_last，其中n为1、2、3…。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过利用衰减余弦函数的特性对时域截断信号的拟合补充解决了由于信号截断而无法直接实施波形再现试验的难题，能够在原信号基础上通过补偿一部分信号快速准确的将加速度信号逐步归零，同时保证补偿信号对应的速度信号、位移信号逐步归零，确保经过补偿处理的加速度时域截断信号可以由振动控制仪识别并驱动振动台实施波形再现。

附图说明

图1所示为现有技术中加速波形再现试验的基本流程图。

图2所示为典型的完整型加速度时域信号波形再现试验输入信号。

图3所示为图2所示加速度时域信号波形对应的速度信号。

图4所示为图2所示的加速度时域信号波形对应的位移信号。

图5所示为末端截断的加速度时域信号波形再现试验输入信号。

图6所示为图5所示加速度时域信号波形对应的速度信号。

图7所示为图5所示的加速度时域信号波形对应的位移信号。

图8所示为某地震实测加速度信号。

图9所示为地震位移截断归零完整信号。

图10所示为地震速度截断归零完整信号。

图11所示为地震加速度截断归零完整信号。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下针对某地震实测加速度信号结合本发明做进一步的详细说明。如图8所示，该加速度时域信号为末端不归零的时域截断信号，由于该信号为时域截断信号，则需对该信号的处理方法如下：

步骤一：对加速度时域截断信号进行计算处理，分别得到速度时域截断信号和位移时域截断信号。由加速度计算速度和位移的方法为离散数值的时域积分，此与现有技术类似，在此不展开描述。

步骤二：分别提取加速度时域截断信号末加速度值A_last＝-0.1073(m/s²)、末速度值V_last＝-0.0166(m/s)、末位移值D_last＝0.0173(m)。由于加速度、速度、位移信号都是和时间相关的离散数值，信号截断时刻对应的值即为末加速度、末速度、末位移值，也就是步骤一中各信号的末端值。

步骤三：以三个参数值A_last、V_last和D_last为初始值，利用衰减余弦函数生成

位移归零补偿信号。具体如下：步骤3)中所述的衰减余弦函数为

y(t)＝c·cos(at)·e^-bt

其中，y(t)为位移补偿信号值，t为时间，a、b、c均为常数，b＝-V_last/c，c＝D_last，其中n为1、2、3…。

得常数值a＝2.289，b＝0.907，c＝0.0173

带入式后可以得到衰减余弦函数：

y(t)＝0.0173·cos(2.289t)·e^-0.907t

确定时间t＝2.5π/a(选取n＝2)，按照式在t＝[0，2.5π/a]范围内按照实测地震信号采样频率生成位移归零补偿信号，如图9中50S之后的部分所示。其中，根据衰减余弦函数的特性，归零补偿信号的幅值不可能大于原始信号，持续时间不可能太长，但又不好定量描述。保证信号的加速度、速度、位移的归零误差在控制仪可识别范围，n的选择尽量小，信号尽量短，如n＝1或2。

步骤四：将位移归零补偿信号与位移时域截断信号首尾连接，生成归零的位移完整信号，如图9所示，其中起始到50s为位移时域截断信号，50s之后的部分即为生成的位移归零补偿信号。

步骤五：通过位移归零补偿信号计算处理获得速度归零补偿信号，

步骤六：将速度归零补偿信号与速度时域截断信号首尾连接，生成归零的速度完整信号，如图10所示，其中起始到50s为速度时域截断信号，50s之后的部分即为生成的速度归零补偿信号。

步骤七：通过速度归零补偿信号计算处理获得加速度归零补偿信号，

步骤八：将加速度归零补偿信号与加速度时域截断信号首尾连接，生成归零的加速度完整信号，如图11所示，其中起始到50s为加速度时域截断信号，50s之后的部分即为生成的加速度归零补偿信号。

步骤九：将归零的加速度完整信号输入振动控制仪并驱动振动台实施波形再现试验，成功再现补偿前地震实测加速度截断波形。

至于归零补偿部分的波形再现，与地震实测加速度信号相比，其振动量级与持续时间均远小于原始信号，可忽略其影响。

本发明通过利用衰减余弦函数的特性对时域截断信号的拟合补充解决了由于信号截断而无法直接实施波形再现试验的难题，能够在原信号基础上通过补偿一部分信号快速准确的将加速度信号逐步归零，同时保证补偿信号对应的速度信号、位移信号逐步归零，确保经过补偿处理的加速度时域截断信号可以由振动控制仪识别并驱动振动台实施波形再现。

综上所述，对于本发明来说，第一，对于一个时域截断信号而言，用本发明方法可以认为位移、速度、加速度补偿信号是同时得到，因为它们之间就是纯粹的数值积分、微分关系。第二，因为加速度是时间的函数，速度是加速度和时间的函数，位移是速度和时间的函数。以时间为变量，相对加速度而言，速度是时间更高阶函数；相对速度而言，位移是时间的更高阶函数。本发明选取作为高阶函的数位移构造衰减余弦函数，作为连续函数，由高阶函数求导获取低阶函数相对简单，而如果由低阶函数获取高阶函数，会引入不确定的常数，难以达到实施目的。第三，本发明构造了一个连续函数，利用了衰减余弦函数的特性来处理离散数据。先构造位移函数表达式，再通过微分、再微分获得速度、加速度表达式，再利用已知初始条件，求解常数a、b、c，最终确定加速度补偿信号,将截断的信号补充完整，解决了时域截断信号无法使用的不足。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。