希尔伯特-黄变换及其应用

近年来，基于时频变换理论、用于处理非平稳信号的一种新的变换方法——Hilbert—Huang变换（Hilbert—Huang Transform，HHT）在各个行业得到越来越广泛的应用。HHT方法能够对非线性、非平稳信号进行处理，不需事先确定基函数，是一种更具适应性的时频局部化分析方法。[第一段]     

非平稳空间变化地震作用下的大跨斜拉桥响应分析

大跨度工程结构的地震响应分析和抗震设计必须考虑地震动的空间变化效应。以大跨斜拉桥为工程背景,提出了一个空间变化地震动的时变相干函数模型,利用谱表现方法对地震动位移时程进行了模拟。建立了斜拉桥的有限单元模型,计算了其在非平稳空间变化地震作用下的响应。结果表明:提出的时变相干函数模型能够用于各向异性空间变化地震动的样本模拟;提高阻尼系数能够有效增强阻尼器耗能能力,进而增强结构抗震能力,但阻尼系数对阻尼器耗能能力的影响会出现饱和现象。     

正交化经验模式分解方法

针对Hilbert—Huang变换中经验模式分解所得固有模式函数存在的不完全正交问题，基于Gram-Schmidt正交化方法，提出了一种新的正交化处理方法，可得到完全正交的固有模式函数，从而完善了Hilbert—Huang变换方法．通过典型时程曲线的数值模拟的分解结果表明了这一方法的正确性，实际地震波数据的分解显示了这一方法的良好应用前景．     

Hilbert能量谱及其在齿轮故障诊断中的应用

将Hilbert—Huang变换引入齿轮故障诊断，提出了局部Hilbert能量谱的概念，同时建立了一种基于Hilbert—Huang变换的齿轮故障诊断方法：Hilbert能量谱方法。该方法首先采用EMD方法将齿轮故障振动信号分解为若干个固有模态函数(Intrinsic Mode Function，简称IMF)之和，然后选择包含故障信息的IMF分量进行Hilbeft变换得到局部Hilbert能量谱。在局部瞬时能量图中可以发现，齿轮故障振动信号具有明显的冲击特征，从而可进一步对齿轮故障进行诊断。     

基于结构基频确定Rayleigh阻尼系数的优化方法及其讨论

对于一般工程结构而言,低阶振型在结构的动力反应中起主导作用,为此提出一种基于结构基频的直接确定Rayleigh阻尼系数的优化方法,以避免构造Rayleigh阻尼矩阵过程中选择两阶振型的任意性.以地震波反应谱随阻尼比变化的经验公式为基础,形成反应谱导数的近似计算公式,从而得到一个仅需地震波反应谱和结构模态分析结果即可综合考虑结构动力特性、地震波频谱特性的Rayleigh阻尼系数的计算方法.任意选择10条地震波对某自由场进行地震反应分析,通过对不同Rayleigh阻尼系数确定方法的分析比较,验证了所提方法的有效性.     

双向地震动作用弹塑性反应谱研究

在基于性能/位移抗震设计中,弹塑性反应谱在计算结构地震位移反应方面越来越受到重视.考虑实际地震动的多维性和结构非线性反应空间耦合特性,研究并建立了双向地震动作用弹塑性反应谱模型,将其定义为在两个相互垂直的主轴方向上分别具有水平平动自由度,恢复力特性满足二维屈服面模型的理想弹塑性单质点系统,分别承受双向和单向地震动作用,在同一主轴方向上的最大位移反应之比.给出了一种等强度折减系数的弹塑性谱.通过硬土场地10组双向地震动记录等强度折减系数谱的统计平均结果,分析了结构周期、强度折减系数和阻尼等因素对谱值及结构双向地震反应的影响.结果表明,双向地震动作用相对单向地震动作用主要增加结构较长周期方向的最大位移反应;若增加结构较短周期方向的设计强度,可在一定程度上降低双向地震动不利影响;因定义的谱为比值形式,阻尼对其影响不大.     

Huang变换在地震波信号纠偏中的应用

一种新的信号处理方法Huang变换能够提取信号的均值或趋势，而对地震加速度记录进行二次积分得到较长时间内的位移时程会“飘离”零线，据此通过Huang变换后固有模态函数分量信息重构推导Huang变换在地震波信号纠偏中的原理．为了验证其应用性，从波形、反应谱和结构位移反应进行实例比较分析，结果得出Huang变换在地震波信号纠偏中有一定的应用前景。     

核电厂结构的楼层反应谱分析

对核电厂结构,考虑土-结构相互作用进行随机地震反应分析,着重探讨地基土特性的不确定对核 电厂结构楼层反应谱的影响．在运用ANSYS软件对核电厂结构进行有限元建模时,通过设置边界弹簧单元 和阻尼装置来考虑土-结构相互作用;并且通过设置不同的弹簧刚度和阻尼系数,来模拟土特性参数的不 确定性．数值仿真分析以及随机分析与确定分析的结果对比,揭示了土-结构相互作用对核电厂结构楼层 反应谱的影响规律以及核电厂结构楼层反应谱对地基土参数不确定的敏感性．由此可以得出结论,随机分 析方法能够很好地反映核电厂结构的楼层反应谱特征,且确定分析方法是随机分析方法的特解,从而为应 用概率方法和确定方法评估核电厂结构地震反应的参数敏感性提供了理论依据．     

地铁引起地面振动信号的谱分析

应用正交Hilbert—Huang变换,对地铁引起的地面振动信号进行频谱分析．首先,利用正交的经验模式分解方法,得到地铁引起地面振动信号的相互间完全正交的固有模式分量,对各阶固有模式分量进行Hilbert谱分析,进而得到Hilbert边际谱．然后,通过对地面振动信号的Hilbert边际谱进行分析,获得其频谱特性．将地铁引起地面振动信号的Hilbert边际谱和Fourier谱进行比较,指出两种谱分析方法分析地铁引起地面振动信号频谱特性的差异．最后根据Hilbert变换的线性性质,得到消除背景振动、纯粹由地铁运行引起地面振动的频谱特性．     

基于Hilbert Huang变换的多自由度参数辨识

Hilbert Huang变换（简称HHT）是近年来发展起来的一种新的时间序列信号分析方 法，特别对非平稳信号和非线性信号的分析有较好的适定性.该文结合HHT和状态变量分析 方法对多自由度系统的模态频率和阻尼比进行了辨识.首先，用经验模态分解对测得的激励 响应信号进行分解，然后对分解结果进行Hilbert变换，求出瞬时幅度和相位，再通过线性 最小二乘拟合求出模态频率和阻尼比.最后的仿真结果显示本文方法是可行的.     

HHT在齿轮故障诊断问题中的应用

齿轮作为一种重要的机械传动设备,对其进行故障诊断具有重要意义。传统的齿轮故障诊断大都采用FFT或者小波分析方法,对处理具有非平稳性的齿轮故障信号效果不太明显。HHT由经验模态分解方法(EMD)和Hilbert变换两步组成。经验模态分解方法(EMD)把时间序列信号分解成不同特征时间尺度的固有模态函数(IMF),适合处理非线性和非平稳过程。Hilbert变换对具有调制现象的信号的分析有很大优势。介绍了该方法的基本原理,并将HHT应用于齿轮断齿故障诊断,齿轮故障实验信号的研究结果表明:基于HHT的分析方法,能有效地诊断齿轮的故障。     

应用HHT方法识别刚度突降线性SDOF体系的动力特性

以线性单自由度(SDOF)体系的刚度突降来模拟损伤引起的结构力学性能的变化,利用HHT方法分析了这种体系的强迫动力响应,并将体系动力响应的Hilbert谱与Morlet小波谱所蕴含的物理意义及分辨率特性进行了比较．分析结果表明：在规则的简谐波输入下,结构动力响应的Hilbert谱能够分辨出体系的稳态与瞬态反应,利用瞬态反应,能够识别损伤引起的体系自身动力特性的变化；在不规则的地震动输入下,由于输入的复杂性,Hilbert谱不能够将体系的稳态与瞬态反应分解开来,但是利用体系动力响应Hilbert谱的瞬态能量分布特征定义了一种瞬时卓越频率时程(PIF),其随时间的变化能够在一定程度上描述损伤引起的体系动力特性的变化．     

Hilbert-Huang变换与大地电磁信号的时频分析

将Hilbert-Huang变换引入大地电磁信号的时频分析中,介绍HHT(Hilbert-Huang transform)时频分析原理及方法,给出仿真信号的经验模态分解及其时频分布,并对实测大地电磁信号进行HHT时频处理与剖析.研究结果表明:Hilbert能量谱随时频的具体分布具有很强的非稳态动态变换时频刻画能力;时频谱的时间、频率分辨率不受Heisenberg测不准原理的限制,且其时间、频率分辨率都很高,有很好的时频聚集性;HHT方法能用于描述大地电磁信号的非线性时变特征,是大地电磁信号时频分析的有效工具.     

Hilbert-Huang变换在线性正则域的新推广

Hilbert-Huang变换是一种重要的非平稳信号分析工具,其对信号的处理包含两个方面:(i)经验模态分解;(ii)Hilbert谱分析.2012年,Li,Tao和Wang利用线性正域上的Hilbert变换将该变换推广到线性正则域,从而获得了一种更为灵活的信号分析工具.本文提出了Hilbert-Huang变换在线性正则域的一种新推广.这种新推广先利用经验模态分解将信号转换成固有模态函数,再引入另一种线性正则域的Hilbert变换对固有模态函数进行Hilbert谱分析,从而得到Hilbert-Huang变换在线性正则域的一种新推广.     

利用正交Hilbert谱模拟非平稳随机地震动

基于样本记录正交HHT变换的Hilbert谱提出了非平稳随机地震动过程的模拟方法。 利用正交EMD法对IMF分量进行处理,克服了传统EMD分解存在能量泄漏的缺点,使正交HHT法可以精确分析非平稳信号的时频特性。在此基础上,把样本的Hilbert谱均值作为地震动随机过程的目标Hilbert谱,引入随机相位角来进行非平稳随机地震动过程的仿真,并且给出了随机过程的统计特性函数。通过对2个地震动记录的模拟,验证了模拟的地震动样本,能完全反映原记录强度和频率的非平稳特性,在时频分布上和原记录非常接近,具有相同的统计特征,并且模拟样本之间也具有良好的离散性。     

希尔伯特黄变换在齿轮故障诊断中的应用

希尔伯特黄变换是先把一列时间序列数据通过经验模态分解，然后经过希尔伯特变换获得时频谱的信号处理新方法。介绍了希尔伯特黄变换算法的原理及流程，利用由希尔伯特谱反映出的丰富的物理信息来对齿轮进行故障诊断。结果表明，希尔伯特谱较好地实现了齿轮故障的诊断，希尔伯特黄变换为齿轮故障提供了有力的工具。     

虚拟式Hilbert-Huang变换信号分析仪的研制

介绍了Norden.E.Huang等人提出的Hilbert-Huang变换(HHT)信号分析方法的主要内容、经验模态分解的过程和希尔伯特谱、边际谱的概念等;以虚拟仪器的开发特点及应用为基础,利用软件和硬件相结合的方法,从硬件部分、软件部分、仪器面板3个方面介绍了虚拟式Hilbert-Huang变换信号分析仪的设计,并成功开发了虚拟式Hilbert-Huang变换信号分析仪,为工程信号测试与分析提供了一种全新的方法.     

基于希尔伯特-黄变换周期平稳类微弱故障信号检测

在希尔伯特黄变换可以将振动信号分解为有限的模式函数的基础上,针对周期平稳类微弱故障信号难以检测到的问题,对信号进行经验模式分解,然后对本征模式函数进行希尔伯特变换;接着通过希尔伯特谱对多频信号中的弱信号和仿真齿轮裂纹弱故障信号分析,得出多频信号中弱信号成分和其时间分布以及调相频率;最后分析滚动轴承损伤弱故障,从希尔伯特谱中可以分析时频和振动量的分布情况,进而提取故障特征,分析出故障;表明希尔伯特谱对周期平稳类微弱故障信号具有一定的分析能力.     

Hilbert-Huang变换去除可控震源谐波畸变

可控震源地震勘探采集信号中常常带有谐波畸变,去掉高阶谐波而又保留有用信号对提高地震勘探分辨率具有重要意义。采用Hilbert-Huang方法去除可控震源采集信号谐波畸变。对可控震源信号进行经验模态分解(EMD)和Hilbert变换,得到Hilbert-Huang谱,在时频域识别并去除高阶谐波,再用Hilbert反变换得到去除高阶谐波后的本征模态函数(IMF),叠加后可得到不含高阶谐波的信号,而保留与信号发射频率一致的基波。去掉高阶谐波后再互相关,互相关中高阶谐波也相应去除,相关函数主瓣更突出,旁瓣减少,提高了计算延时和计算波速的准确性。     

采用解析模态分解和小波变换的损伤识别方法

针对希尔伯特-黄变换(HHT)在信号处理中存在的模态混叠现象,引入解析模态分解定理(AMD)提取时变结构响应的一阶本征函数,并构建一阶本征函数能量比指标识别结构的损伤位置.从损伤位置处的响应信号出发,引入连续小波变换和时间窗思想,提出一阶本征函数小波能量变化率指标来预测结构的损伤演化过程.通过一个刚度突变和线性变化的三层剪切型结构数值算例,对一阶本征函数能量比和一阶本征函数小波能量变化率指标进行验证.结果表明:所提出的指标能够有效识别结构的损伤位置和损伤时间.