小波分析在建筑物动态监测数据处理和变形分析中的应用研究

论文摘要

随着科学技术水平的提高,高大和高耸建筑物不断涌现,出于对建筑物安全性考虑,建筑物沉降监测和变形分析越来越受到重视,利用沉降预测可预先估计可能产生的沉降变形,对建筑物的安全有着重要的现实意义。建筑物沉降监测所获得的观测资料可看成为与时间有关的数据序列,由于受多种因素的影响,序列观测数据存在误差(即噪声),如何有效地消除噪声并提取变形特征是变形分析研究的重要内容。就建筑物监测的序列观测数据而言,监测点的短时间变形是微小的,表现为一种弱信号,而误差却呈现为强噪声,如何从受强噪声干扰的数据序列中提取微弱的特征信息,提高变形监测的精度是建筑物变形监测数据处理的关键技术问题之一。全文围绕用小波分析中的去噪理论对建筑物沉降监测数据进行处理展开论述,主要开展了下列工作:首先介绍了建筑物沉降监测的主要内容和所使用的技术方法,对建筑物沉降监测工作进行了详尽的介绍,包括监测内容、监测仪器的选择、变形监测网的布设、监测周期、监测资料的数据处理等。论文提出用小波分析的方法对数据进行预处理,将建筑物沉降变形观测数据序列看作信号,采用小波阈值去噪的方法对数据进行处理。其次,在介绍了小波分析的基本理论和几种常用的小波函数的基础上,重点介绍了小波去噪的基本原理及主要步骤。小波去噪存在一个主要问题是:小波基的选择和利用MATLAB去噪过程中各参数的选择是不确定的,目前为止还没有一个最优的标准。本文论述了针对沉降监测信号如何选择小波基和如何利用阈值的选取规则,概括了小波去噪的性能评价标准。论文重点对实际采集到的信号进行研究分析,通过计算信噪比,比较评估系数,得到了最适合分析该类信号的小波函数、阈值选取规则和阈值重调方法。然后,在MATLAB平台上实现了小波去噪和小波分析的全过程,使用选择的小波函数和去噪参数对监测数据进行了去噪实验和小波分析,取得了较好的效果。最后对全文的主要工作做了总结,并对今后的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究的意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 论文的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 小波分析的发展简述
• 1.2.2 小波分析在建筑物变形监测数据处理中的应用
• 1.3 论文研究的主要内容
• 2 建筑物沉降变形监测技术
• 2.1 概述
• 2.1.1 沉降监测的目的
• 2.1.2 沉降观测的方法
• 2.1.3 建筑物沉降观测的要求
• 2.2 建筑物变形监测控制网布设方案
• 2.2.1 变形观测控制网及其布设原则
• 2.2.2 观测点位的布设
• 2.3 观测精度要求
• 2.4 观测时间及频率的确定
• 2.5 建筑物变形监测数据处理
• 2.5.1 沉降观测的成果整理
• 2.5.2 变形观测资料的检核
• 2.5.3 沉降量报表
• 2.5.4 累计沉降量曲线图
• 2.5.5 变形观测资料的插补
• 2.5.6 小波变换用于信噪分离
• 2.6 本章小结
• 3 小波分析的基本理论
• 3.1 傅里叶变换到小波分析
• 3.1.1 傅里叶变换
• 3.1.2 短时傅里叶变换
• 3.1.3 从傅里叶变换到小波分析
• 3.1.4 小波分析概述
• 3.2 连续小波变换
• 3.2.1 小波和小波变换
• 3.2.2 小波变换的性质与特点
• 3.3 离散小波变换
• 3.3.1 离散小波变换
• 3.3.2 二进制小波
• 3.4 小波分解与重构
• 3.4.1 多分辨分析
• 3.4.2 Mallat 算法
• 3.5 常用小波函数
• 3.5.1 小波基的数学特性
• 3.5.2 常用小波函数
• 3.6 本章小结
• 4 基于小波理论的数据去噪处理
• 4.1 小波去噪方法
• 4.1.1 小波去噪原理
• 4.1.2 小波去噪基本方法
• 4.1.3 小波去噪效果评价指标
• 4.2 信号与噪声的小波分析
• 4.2.1 含噪信号的小波分析特性
• 4.2.2 噪声在小波分解下的特性
• 4.3 小波阈值去噪
• 4.3.1 小波阈值去噪基本原理
• 4.3.2 常用的阈值函数
• 4.3.3 阈值的选取
• 4.3.4 基小波的选取原则
• 4.3.5 分解层数的选取
• 4.4 小波去噪实例分析
• 4.4.1 不同分解层数去噪性能的比较
• 4.4.2 不同阈值选取与重调方法对去噪性能影响的比较
• 4.4.3 不同小波函数去噪声性能的比较
• 4.5 小波去噪与傅里叶去噪的比较
• 4.6 基于小波分析的数据处理步骤
• 4.6.1 数据归算
• 4.6.2 沉降监测数据的序列分析
• 4.6.3 沉降数据序列去噪模型的建立
• 4.6.4 基于MATLAB 的小波去噪和小波分析
• 4.7 本章小结
• 5 数据处理及实例应用
• 5.1 测区概况分析
• 5.2 数据的采集与处理
• 5.2.1 沉降观测点的布设及观测
• 5.2.2 监测点的下沉量及下沉速度情况
• 5.2.3 数据归算后的下沉量及下沉速度情况
• 5.3 数据的小波分析
• 5.3.1 小波分析MATLAB 程序
• 5.3.2 信号低频变换的分解与重构
• 5.3.3 信号的多尺度一维小波分析
• 5.3.4 结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢