功率谱范文

导语：如何才能写好一篇功率谱，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词： 直扩/跳频通信； 功率谱密度； 韦尔奇方法； 载波功率动态不平衡度

中图分类号： TN914.4?34； TP914.43 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）07?0041?03

直接序列/跳频（DS/FH）混合扩频通信作为一种先进的通信体制，集合了直扩和跳频通信的优点，具有多址接入、低截获特性和较强的抗干扰能力，因此在现代军事通信、卫星通信、移动通信、指挥控制通信和情报（3CI）系统中得到了广泛的应用[1]。

1 直扩/跳频通信系统的组成

1.1 直扩/跳频信号的产生

直扩/跳频信号的发射系统如图1所示。信源产生的信号，经编码器后转化成压缩了的数字信号，再经过调制器的相应调制，输出的已调波信号载波频率达到射频通带的要求，通过直扩模块和跳频模块，对其进行了扩频和跳频处理，获得直扩/跳频信号，然后经过功率放大器后，至天线发射出去。

1.2 直扩/跳频信号的接收

直扩/跳频信号的接收系统如图2所示。在接收端，接收到的信号通过功率放大器处理后，送至混频器，再与频率合成器产生的载波信号混频，这些混合信号通过解直扩模块和解调器，可以消除组合波频率成分，恢复出发送的信号。在接收过程中，接收机中的频率合成器必须受同步指令的控制，这样可以有效地抑制干扰信号，不会对直扩/跳频系统产生干扰[2?3]。

直扩/跳频系统发射机原理图

直扩/跳频系统接收机原理图

2 直扩/跳频信号功率谱密度估计分析

直扩/跳频信号是随机信号，因此无法像确定信号那样用数学表达式来精确地描述它，而只能用它的各种统计平均量来表征。自相关函数最能完整地表征它的特定统计平均量值，而一个随机信号的功率谱密度正是自相关函数的傅里叶变换，可以用功率谱密度来表征它的统计平均谱特性。因此，在统计意义下描述一个随机信号，就需要估计它的功率谱密度[4?5]。

2.1 功率谱密度的估计

对于功率信号，其功率谱密度可定义如下：把[f（t）]在间隔[t>T2]以外的部分截去，得到截短函数：

[sT（t）=s（t），tT20，其他] （1）

只要[T]为有限值，则[sT（t）]的能量[ET]也是有限值。设[ST（ω）]为[sT（t）]的频谱函数，这样[sT（t）]的能量[ET]为：

[ET=-∞∞s2T（t）dt=12π-T2T2ST（ω）2dω] （2）

因此平均功率[P]为：

[P=limT∞1T-T2T2s2（t）dt=limT∞1T*12π-∞∞ST（ω）2dω=12π-∞∞limT∞ST（ω）2Tdω] （3）

当[T]增加时，[sT（t）]的能量和[ST（ω）2]也增加。当[T]趋于无穷时，[ST（ω）2T]的极限可能存在，令[limT∞ST（ω）2T=][Ps（ω）]，此极限为功率谱密度。

2.2 功率谱估计方法

功率谱估计分为经典谱估计和现代谱估计两大类方法。经典功率谱估计又分为直接法和间接法。直接法又称周期图法，它是直接由傅里叶变换得到的；间接法又称自相关法或BT法，它是通过自相关函数间接得到的。

用周期图法仿真时，直扩/跳频信号的参数设置为：频率集[F]=[0.5， 1.0， 1.5， 2.0， 2.5， 3.0，3.5，4.0] MHz，跳频间隔[Δf=0.5] MHz，扩频因子[a]=12，采样频率[fs=] 90 MHz。在信噪比SNR=10 dB时，取FFT的长度分别为128和1 024，运用周期图法对直扩/跳频信号进行仿真分析，周期图法谱估计中，数据长度[N]越大，谱分辨率越大，但[N]太大会导致方差性能变差，谱线起伏加剧。谱分辨率和谱线起伏成为了一个不可调和的矛盾。这时就需要对直接法进行改进，可采用Welch法进行改进。

改进一，对数据进行分段处理，分段时允许每一段的数据有部分的交叠，这样段数越多估计结果的方差也就越小。但是，由于重叠的段会使各段之间具有统计相依性，反而会导致方差增大，所以在分段数目与重叠之间选择上存在一个折衷。

数据长度128周期图

改进二，每一段的数据窗口可以用海宁窗或海明窗等窗函数代替矩形窗，这样可以改善由于矩形窗旁瓣较大所产生的谱失真[6]给出了几种常用的窗函数的主要性能指标参数值（其中频率变化两倍的区间称为一个倍频程）。

几种常用窗函数性能指标参数表

[窗类型＼&3 dB带宽＼&窗函数

主瓣带宽＼&最大旁瓣

峰值 /dB＼&旁瓣谱峰衰减

速度 /（dB/oct）＼&矩形窗＼&[0.89×2πN]＼&[4πN]＼&-13＼&-6＼&三角窗＼&[1.28×2πN]＼&[8πN]＼&-27＼&-12＼&海宁窗＼&[1.44×2πN]＼&[8πN]＼&-32＼&-18＼&海明窗＼&[1.3×2πN]＼&[8πN]＼&-43＼&-6＼&布莱克曼窗＼&[1.68×2πN]＼&[12πN]＼&-58＼&-18＼&]

主瓣带宽决定了被截短以后所得序列的频率分辨率，而旁瓣峰值有可能湮没信号频谱分量中较小的成分。选择窗函数时，希望频谱的主瓣尽量窄，旁瓣峰值尽量小且衰减尽量快，使频域的能量尽量集中在主瓣内，减少频谱“泄露”，并且希望选取其频谱恒为正的窗函数。比较表1中的5种窗函数可以看到，矩形窗具有最窄的主瓣，但也有最大的旁瓣峰值和最慢的衰减速度。海宁窗的主瓣较宽，同时有较小的旁瓣和较大的衰减速度，是较为理想的窗函数，因此本文选取海宁窗进行仿真。图5和图6用韦尔奇法对比矩形窗和海宁窗的效果。

矩形窗效果

海宁窗效果

从仿真图可以看出，海宁窗对减少“旁瓣效应”，即功率谱泄露，能起到一定的效果，也可以使峰值的宽带增大。多次实践表明，取合适的海宁窗和一半段长度的重叠率，可以最有效地降低估计的偏差。

2.3 功率动态不平衡度测试

直扩/跳频信号带内载波功率动态不平衡度是指跳频过程中发射机带内频点功率变化最大值占平均功率的百分比。仿真时设定每个跳频点的信号幅度相等，因此实验所得的信号功率谱幅度理论上应该是一致的，但是实际情况并非如此。特别说明一下，由于Welch法的功率谱要除以[fs]，因此所得结果为负值。

仿真条件直扩/跳频信号频率集[F=][0.5， 1.0， 1.5， 2.0， 2.5， 3.0，3.5，4.0] MHz，跳频间隔[Δf=0.5 MHz]，扩频因子[a=12]，采样频率[fs=90 MHz]。在信噪比SNR=10 dB的情况下，根据以上两种方法测试直扩/跳频信号带内载波功率动态不平衡度的结果见表2。

可以看出，无论是周期图法还是Welch法，功率动态不平衡度测试结果均随着窗长的变长而增大，表明带内各个跳频点的功率谱方差变大即一致性变差。在相同的仿真条件下，Welch法比周期图法测试得到的动态功率不平衡度要小，即各个跳频点的功率谱更加接近一致，表明Welch法的测试功率谱的性能要明显优于周期图法。综合以上分析，Welch法能够获得效果良好的跳频信号功率谱，并能够较为准确地测试出跳频信号带内载波功率动态不平衡度。

周期图法和Welch法功率动态不平衡度测试结果对比

[测试方法＼&窗函数

类型＼&窗长＼&平均功率

/dB＼&最大功率

/dB＼&功率不平

衡度 /%＼&周期图法＼&矩形窗＼&128＼&20.45＼&21.79＼&4.77＼&Welch法＼&海宁窗＼&128＼&-63.92＼&-63.55＼&0.57＼&周期图法＼&矩形窗＼&512＼&26.54＼&27.81＼&6.55＼&Welch法＼&海宁窗＼&512＼&-62.02＼&-61.27＼&1.22＼&]

3 结 语

本文主要对直扩/跳频信号的功率谱做了分析，指出了周期图法的不足，再从改进周期图法的思路出发，结果表明韦尔奇法能够获得性能良好的直扩/跳频信号功率谱，并能够较为准确地测试出直扩/跳频信号带内载波功率动态不平衡度。

参考文献

[1] 朱攀.直接序列/跳频混合扩频信号检测与参数估计方法研究[D].成都：电子科技大学，2007.

[2] 葛哲学，陈仲生.Matlab时频分析技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[3] 陆根源，陈孝帧.信号检测与参数估计[M].北京：科学出版社，2004.

[4] 张明照，何玉彬，刘政波.应用Matlab实现信号分析和处理[M].北京：科学出版社，2006.

[5] 赵宏伟.基于时频分布的跳频信号参数检测方法研究[D].西安：西北工业大学，2006.

[6] 张峰，石现峰，张学智.Welch功率谱估计算法仿真及分析[J].西安工业大学学报，2009，29（4）：353?356.

[7] 于训峰，马大玮，魏琳.改进周期图法功率谱估计中窗函数仿真分析[J].计算机仿真，2008，25（3）：111?114.

[8] 王晓峰，王炳和.周期图及其改进方法中谱分析率的Matlab分析[J].武警工程学院学报，2003（6）：75?77.

篇2

关键词 数论变换 功率谱估计

中图分类号：TP391 文献标识码：A

1引言

信号的功率谱密度描述随机信号的功率谱在时域和频域随频率的分布。利用给定的个样本数据估计一个平稳随机信号的功率谱密度叫做谱估计，谱估计方法分为非参数化方法和参数化方法。非参数化方法又叫做经典谱估计，而参数化谱估计又叫做现代谱估计。

2 经典功率谱估计

经典功率谱估计是截取很长的数据中的一段作为样本，而所截取样本之外的数据假设为零。根据截取的个样本数据估计出其功率谱可以利用相关函数估计功率谱、也可以利用周期图法估计出功率谱。这些方法实质上依赖于FFT，实现较为容易，可以采用快速数论变换使计算量大大降低。但由于利用周期图法和自相关法得到的功率谱方差性能不好，可以利用快速数论变换算法进行修正改进。

对于离散随机信号有：

上式中Rx（m）为离散随机信号的自相关函数，Sx（ejw）为功率谱密度。如果获取随机信号的自相关函数，可以通过相关函数的估值求数论变换即为功率谱密度。这样可由平稳随机信号的有限个离散值x（0），x（1），……x（N-1）求出相关函数：

然后在（-N，N）内Rx（m）作数论变换，得到功率谱

3 周期图法

周期图法是为了得到功率谱估值，先取信号序列的离散傅里叶变换，然后取其幅频特性的平方并除以序列长度N。由于序列x（n）的离散傅里叶变换具有周期性，因而这种功率谱也具有周期性，常称为周期图。周期图法是把随机序列x（n）的N观测数据视为一能量有限的序列，直接计算c的离散傅里叶变换，得x（k）。然后再取其服值的平方，并除以N，作为序列x（n）真实功率谱估计。信号功率谱的一个有偏估值。而且，当信号序列的长度增大到无穷时，估值的方差不趋于零。因此，随着所取的信号序列长度的不同，所得到的周期图也不同，这种现象称为随机起伏。由于随机起伏大，使用周期图不能得到比较稳定的估值。

因此取平稳随机信号x（n）的有限个观察值x（0），x（1），……x（N-1），求出数论变换。

设有，n=1，2，3，……，N-1，如果在序列x0，x1，x2，……，xN-1上的一个变换

XK=x（n） nk（modN） （1）

其中k=0，1，2，……，N-1，

具有如下形式的逆变换

x（n）=N-1X（k） -nk（modN）， （2）

n=0，1，2，……，N-1，并且满足（1）式具有循环卷积特性，则称（2）为一维数论变换，记为NTT， 其中 ∈Z。

4 经典谱估计的改进

从上面的分析知，周期图法不满足一致估计的条件，必须进行改进，采用的措施主要是将周期图进行平滑，使估计方差减少，从而得到一致谱估计。

相关函数进行谱估计以及修正方法对于周期图的谱估计，当数据长度N太大时，谱曲线图像起伏加剧，如果N太小，谱分辨率又不好，因此需要改进。利用数论变换快速算法是将N点的有限长序列x（n）分段求周期取余。将长度为N的数据分为L段，每一段长度为M，对每一段数据进行谱估计，然后对L段求平均得到长度为N的数据功率谱。

5 实验

6 结论

对于平稳随机过程来说，功率谱理论上的数值是不可能实现的，只能用有限观测数据来逼近真实值，估计结果的好坏，与实验拟合的数学模型及采用的处理方法有关系。

参考文献

[1] 李俭川，温激鸿，陈循.快速小波变换算法与信噪分离[M].国防科技大学出版社，2007.

[2] 姚武任.经典谱估计方法的MATLB分析[J].华中理工大学学报，2000（28）.

[3] 曹宁，虞湘滨.基于FFT的快速小波变换算法研究[J].河海大学场中分校学报，2001（3）.

[4] 徐伟业，宋宇飞，宗慧.一种基于离散傅里叶变换的小波变换的快速算法[J].南京工程学院学报（自然科学版），2005（1）.

[5] 关华，宋宁.经典功率谱估计及其仿真[J].现代电子技术，2008（11）.

篇3

这一天终于来了，这天清早，母亲把我们从睡梦中一一叫醒，千叮万嘱地告诉我：“孩子们，你们已经大了，该有自己的生活了。去外面闯一闯吧。路途遥远，艰险重重，一路小心呀！”我们含泪辞别了和蔼的母亲，驾着风伯伯的臂膀，展开自己的轻柔的翅膀，开始了漫长而危险的旅程。。。。。。

一路上，我们漂泊着，寻觅着，观望着，因离家哭泣着。。。。。。。在风伯伯伴随下，我们已经经过许多山川、河流和城镇，有的伙伴已经愉快地来到城市边缘，顺利地找到了属于自己的地方，安定下来。有的伙伴，已经习惯了不想远行，就地定居下来，有的被可怕的大水冲走，不知道什么时间才能靠岸，找到自己的家呀！

我们经过了垃圾回收站，那里的气味实在是臭气熏天，让我们也喘不过气来，我们在迷茫中，突然有一个飘然大物在我身边经过，在我惊醒之后，我同行的几个姐妹应声掉了下去，我仔细一看，原来是一个塑料袋，眼看着她们进了垃圾箱，我也无能为力，也只能默默为她们祝福祈祷。

我们来到边缘地区，这里的人们由于知识贫乏，环境意识差，经常焚烧有害物品，刺鼻的气味很难接受，，在烈火中，我的几个比较要好的朋友，葬身于火海中了，我们剩下的几个，非常悲伤，为他们难过，更恨破坏环境的人，为什么要剥夺我们的生存权利，为什么不给我定居的环境呀？

前面是宽阔的草原，风伯伯轻轻地把我的几个小妹放在了这里，她们的生存环境很好，我也为她们高兴，有的被小鸟衔来衔去的，也很开心的，因为宽阔的草原到处都是家呀！

篇4

春天到了，春风温暖着我，让我茁壮成长，让我开始了我的旅途。

我是一株长在路旁的蒲公英，春风吹过我的脸颊，牵着我的手，与我共舞。接着，一位贴身与我的哥哥，飘飘扬扬，离我而去，他向我挥手。

风停止了脚步，一只小毛毛虫从树上掉到了我的身旁，她向我投来请求的目光：“姐姐，你可以帮我重新回到树上吗？”我微微一笑，点了点头。我向几位哥哥说了毛毛虫的经历，他们答应了送毛毛虫回到树上，于是，他爬上了我的身体，拉着哥哥们，借着风伯伯的帮助，飘到了树上，她向我说再见，我也一样向她道别，并祝她早日脱变成功。

我和剩下的10位姐姐唱着歌，欣赏着周边的美景。一位农民带着个小孩来到路边，给白菜地施肥。小孩发现了我，她大大的眼睛盯着我看，我向她问好，可她听不见，她对我说：“蒲公英，让我帮你播种吧！”说着，她将我们拔起，用嘴吹着我们，姐姐们一个个悄然离我而去，我泪流满面，向她们说再见，他们飘着飘着，落到了各个地方，只有一位姐姐在我身旁。姐姐们离开了我，小孩将我扔在地上，离开了，我望着身旁的姐姐，微笑着慢慢闭上眼睛，姐姐呼唤我的名字，毛毛虫变成蝴蝶，飞来看我，他们，渐渐模糊在我的视线里。

我记得我这一生，记着我这一生的故事。再见，美丽的世界。

篇5

常委会靠前指挥 激发代表履职热情

代表主题实践活动贯穿代表一届履职，区人大常委会认真探索创新工作举措，不断激发代表履职热情，努力发挥常委会作为代表机关、权力机关的作用，充分发挥代表推动发展的主体作用。

在新制订和修改的有关“代表向选民报告履行代表职务情况”、“保障人大代表执行代表职务”、“闭会期间代表和代表小组开展活动履行职责的规定和办法”等相关制度中，常委会细化了代表履职规范，强化了对代表的服务保障和监督，为代表履职提供了制度保障。常委会注重让代表全面了解青浦经济社会发展情况、政府重点工作情况，组织全体人大代表分组进行知政性视察，视察内容覆盖了本区医疗卫生设施建设、食品安全监管、农业与农村工作、宗教场所管理、消防安全以及综合经济发展和二、三产业发展情况；另外，每季度组织一次代表听取政府分管领导有关重点工作情况通报，为代表执行职务、发挥作用作好了铺垫。区人大常委会还重视提高代表督办书面建议的能力，组织人大代表对今年四届人大三次会议和闭会期间149件代表书面建议中的重点建议办理情况进行检查，对不满意件的重新办理工作进行检查，对书面建议承办大户单位进行检查、对归类解决采纳的书面建议落实情况进行检查。

此外，区人大常委会还及时指导镇、街在村、居建立人大代表工作站，为代表接待选民建立平台，密切代表与选民的联系；组织代表旁听法院对新类型案件的审理、调研社区检察室成立情况，组织代表参与人大常委会对政府专项工作的调研，使代表深入了解“一府两院”工作情况；另外，还请代表参与进行6项专题调研课题，提升代表履职能力。

区镇人大上下联动 代表活动蓬勃开展

全区八个镇、三个街道区人大代表小组积极开展主题实践活动，创新代表履职思路，拓展代表履职渠道，既有规定动作，又有自选动作，以“人大月月有活动，代表人人都参与”的方式，层层部署推进，把代表主题实践活动引向深入。

篇6

我是一棵小小的蒲公英花籽。蒲公英的花就是我们的房子，茎就是我们家的支柱，我们的房子是深黄的，像一个个小小的盘子，等到我们长大的时候就成了白房子了，房子下面有许许多多的萼片，是我们的守卫兵，我在这里很安全，我们姐妹都是白色的，远远看去，我们个个很漂亮，人们通常把我们当成小雨伞。我们一般生长在田间和小路边，我们的家有的大有的小。大的大约有15厘米左右，小的也有4到5厘米的。春天一来，我们在温暖的阳光下，争先恐后地吮吸着春天的甘露，茁壮愉快地成长。

我们都在渐渐长大，我们知道：一旦我们长大后，将来我们都要离开妈妈，离开熟悉而温暖的家，随着春风飘送，出发到远方旅行定居，因此我们一定要学会独立，学会吃苦耐劳，经得起磨难，只有这样，经历过风雨，才能见到彩虹！

这一天终于来了，这天清早，母亲把我们从睡梦中一一叫醒，千叮万嘱地告诉我：“孩子们，你们已经大了，该有自己的生活了。去外面闯一闯吧。路途遥远，艰险重重，一路小心呀！”我们含泪辞别了和蔼的母亲，驾着风伯伯的臂膀，展开自己的轻柔的翅膀，开始了漫长而危险的旅程。

一路上，我们漂泊着，寻觅着，观望着，因离家哭泣着。在风伯伯伴随下，我们已经经过许多山川、河流和城镇，有的伙伴已经愉快地来到城市边缘，顺利地找到了属于自己的地方，安定下来。有的伙伴，已经习惯了不想远行，就地定居下来，有的被可怕的大水冲走，不知道什么时间才能靠岸，找到自己的家呀！

篇7

关键词：高层建筑；方形截面；风洞试验；三分力系数；风荷载功率谱；体型系数

中图分类号：TU973.2文献标志码：A

Abstract： The pressure test was carried out on the rigid model of square section highrise building with round corner rate of 25%， and the characteristics of wind loads were studied. The change rules of threecomponent coefficient and base moment coefficient along with the wind angle were analyzed. The fitting results of mean value of drag coefficient， root square deviation of drag coefficient and lift coefficient were given. The wind load power spectrum under the most unfavorable wind angle was analyzed， and fitted by empirical formula. The shape coefficient was analyzed and compared with the square shape coefficient of code. The results show that the wind load can be significantly reduced when the corners of square building are rounded， and the sharp and narrow single peak phenomenon of the power spectrum curve can be eliminated. The wind load characteristic is changed in essence， and is beneficial for the wind resistant design of the main structure. The negative pressure in the corner area is larger， which is disadvantageous to the wind resistance design of curtain wall.

Key words： highrise building； square section； wind tunnel test； threecomponent coefficient； wind load power spectrum； shape coefficient

0引言

不同截面形状的高层建筑风压分布特性、风荷载特性会明显不同[16]。对于正方形建筑和矩形建筑，适当的局部修正能明显改变高层建筑的风压分布特性和风荷载特性。Carassale等[7]的研究表明，圆角处理措施使气流分离之后更易再附着于模型的2个侧面。Tamura等[8]的研究表明，切角和凹角处理能影响方柱的尾流宽度，能明显降低模型的阻力。此外，圆角处理导致分离剪切层有可能再附于模型的2个侧面，影响模型的风压特性。Melbourne等[9]研究了凹角、切角、圆角这3种不同角部修正方式对方形截面高层建筑横风向气动力的影响，认为适当的角部修正率可使横风向气动力谱的峰值大幅减小，从而降低临近涡激共振风速下结构的风致响应。可见，圆角处理措施会影响气流分离和再附着，导致模型气动特性、风荷载及风致响应的改变。本文基于刚性模型测压试验，分析了圆角率为25%的正方形截面高层建筑风荷载三分力系数和功率谱特性，计算其体型系数，以供抗风设计参考。

1风洞试验概况

风洞试验在湖南大学建筑与环境风洞实验室中进行，试验模型为ABS板制作的刚性模型，模型尺寸为100 mm×100 mm×600 mm，缩尺比为1∶500，测点布置和风向角定义如图1所示（图1中，FD，FT，FL分别为阻力、升力和扭矩），风向角间隔为5°，逆时针为正，由于模型的对称性，试验范围为0°～90°；高层建筑所处的环境一般为C类地貌，本文试验采用挡板、尖劈和粗糙元调试得到C类风场，试验风速为10 m・s-1。

图2为各测点层阻力系数平均值CD和根方差值C′D随风向角的变化趋势。从图2中可以看出，由于模型本身的对称性，阻力系数的平均值和根方差值均关于45°风向角对称，且各层变化趋势一致，均随风向角先增大后减小。阻力系数的平均值在全风向角下的变化范围为0.32～1.0，最大值出现在35°风向角（由于模型的对称性，只讨论0°～45°风向角范围，下同），最小值出现在0°风向角。文献[10]中正方形截面高层建筑的层阻力系数平均值全风向角下变化范围大致为0.7～1.3，高于本文结果，可见圆角化处理能降低顺风向平均风荷载。阻力系数的根方差值在全风向角下的变化范围为0.11～0.22，最大值出现在15°风向角，最小值出现在0°风向角。文献[11]中正方形截面高层建筑的层阻力系数根方差值全风向角下变化范围大致为0.28～0.36，故圆角化处理能降低顺风向脉动风荷载。可见，圆角化处理能同时降低顺风向平均荷载和脉动荷载；圆角化处理之后，层阻力系数的平均值和根方差值的最大值分别出现在35°和15°风向角。

图3为各风向角下层阻力系数平均值和根方差值随高度z的变化趋势，其中H为模型高度。从图3中可以看出：层阻力系数平均值沿高度表现出增大的趋势，在顶部受三维绕流的影响，出现局部减图3层阻力系数随高度的变化小；整体而言，与2α（α为地面粗糙度指数）指数率有一定区别，因为迎风面风压沿高度与2α指数率接近，但背风面风压沿高度变化较小。阻力系数平均值的最大值约出现在模型的0.85H处。阻力系数根方差值沿高度变化不大。

图5为各测点层升力系数根方差值C′L随风向角的变化趋势。升力系数根方差值在全风向角下的变化范围为0.11～0.32，文献[11]中正方形截面高层建筑层升力系数根方差值在全风向角下的变化范围为0.12～0.45，故圆角化处理能明显降低横风向脉动风荷载。文献[13]中指出，当高层建筑的高宽比大于4时，其横风向风振响应为结构设计的控制性因素，由此可知圆角化处理对高层建筑的主体结构抗风设计有利。升力系数根方差值的最大值出现在5°风向角，在来流和模型对称轴接近时（0°和45°风向角），升力系数根方差值较小，最小值出现在45°风向角。由此可见，圆角化处理有利于高层建筑的抗风设计，层升力系数的最不利风向角为5°。

图6为层升力系数根方差值C′L随高度的变化趋势。升力系数受来流湍流、截面外形、漩涡脱落的共同影响，因而其根方差值沿高度的变化规律与阻力系数沿高度的变化规律明显不同。0°～20°风向角范围内（包括最不利风向角5°）层升力系数根方差值沿高度先增大后减小，最大值出现在0.6H～0.7H；30°～45°风向角范围内层升力系数根方差值沿高度逐渐减小。

通过试算发现，圆角化处理消除了最不利风向角下功率谱曲线谱峰尖而窄的单峰现象，功率谱相对平坦，峰值带宽较大，但在30°风向角以后功率谱曲线也出现了明显的谱峰尖而窄的单峰现象；通过前面的三分力系数和基底力矩系数分析可知，在全风向角下其变化并不是很大，如果某风向角下脉动根方差比最不利风向角略小，但当其荷载功率谱的谱峰值对应的频率与结构本身频率接近时，则此风向角下的风致响应可能会不利；鉴于此，图15给出35°风向角下横风向风荷载功率谱和文献[12]，[16]，[17]的拟合结果，供工程设计人员根据结构本身动力特性选择式（15）或式（16），（17）。由图15可知，功率谱曲线在略大于0.1 Hz处出现峰值，文献[17]公式在高频部分很吻合，但在低频部分偏低，文献[12]，[16]模型拟合效果较好，文献[16]对低频的拟合更吻合，给出文献[16]公式的参数拟合结果：

由图15可见，各层拟合结果和基底拟合结果很接近。由拟合结果知，正方形高层建筑角部圆角化处理之后，当角部处于迎风面时，斯托罗哈数为0.118。

4.3扭转向风荷载功率谱

由基底弯矩力矩分析可知基底扭矩根方差系数相对于基底弯矩根方差系数较小，但考虑到扭转风致响应会放大建筑角部区域的位移和加速度，本节给出扭转向风荷载功率谱（图16）。层扭矩功率谱和基底扭矩功率谱曲线整体随折算频率的变化趋势是一致的，且层扭矩功率谱和基底扭矩功率谱曲线都出现了2个峰值，与宽厚比大于1的矩形建筑类似。鉴于功率谱曲线的特点，选用文献[16]提出的三分量和公式，先试算以确定部分参数，然后再拟合得到其他参数，由于不同高度扭矩功率谱吻合并不是很好，参数拟合结果变化较大。下面给出基底扭矩功率谱的拟合结果以供参考，即

表1为典型测点层的体型系数。体型系数在正面和侧面沿高度变化较大，靠近底部和顶部处变化较明显，体型系数呈现出上小下大的特点，与文献[18]，[19]的结论一致；背风面体型系数沿高度先减小再增大，呈抛物线形变化，整体变化不大。迎风面最大局部体型系数为1.1，侧风面上风向最大局部体型系数为-2.06，侧风面下风向最大局部体型系数为-0.82，背风面最大局部体型系数-0.52，最大值均出现在模型底部H层；《建筑结构荷载规范》[20]中正方形建筑迎风面局部体型系数为1.0，侧风面上风向局部体型系数为-1.4，侧风面下风向局部体型系数为-1.0，背风面局部体型系数为-0.6。可见，圆角化处理后，迎风面和背风面的局部体型系数变化不大，但侧风面上风向局部体型系数均比规范中正方形角部区域局部体系系数大，增大幅度也很大，最多增大1.5倍。由图17可知，侧风面上风向局部体型系数偏大的测点区域面积较大，故圆角化处理对部分幕墙抗风设计是不利的，设计时应注意。

6结语

（1）分析了三分力系数随风向角的变化，与阻力相比，升力和扭矩对总静荷载的贡献比较小，可以忽略。圆角化处理后的三分力系数均比相同工况下的正方形建筑的三分力系数小，可见圆角化处理有利于高层建筑主体结构的抗风设计。基底力矩系数与三分力系数随风向角的变化规律一致。

（2）分析了三分力系数随高度的变化，层阻力系数平均值沿高度与2α指数率有一定区别，选用线性模型拟合阻力系数。升力系数平均值和根方差值沿高度的变化规律与阻力系数沿高度的变化规律明显不同，选用多项式模型拟合升力系数根方差值。

（3）顺风向基底弯矩功率谱在低频段和层阻力功率谱吻合较好，在高频段低于层阻力功率谱，分别给出了层阻力功率谱和基底弯矩功率谱的数学模型拟合结果；最不利风向角下横风向基底弯矩功率谱和层升力功率谱吻合较好，鉴于此，采用四参数模型给出了层升力功率谱和基底弯矩功率谱的整体拟合结果；与矩形建筑相比，圆角化处理消除了最不利风向角下功率谱曲线谱峰尖而窄的单峰现象，说明圆角化处理从本质上改变了建筑的横风向荷载；在30°风向角以后功率谱曲线出现了明显的谱峰尖而窄的单峰现象，鉴于此，给出了35°风向角下横风向风荷载功率谱及拟合结果，供工程设计人员根据结构本身动力特性选择。

（4）圆角处理后，侧风面上风向局部体型系数均比规范中正方形角部区域局部体型系数大，增大幅度也很大，最多增大1.5倍，故圆角化处理对部分幕墙抗风设计是不利的，设计时应注意。

参考文献：

References：

[1]李永贵，李秋胜，戴益民.开洞高层建筑风荷载的试验研究[J].振动与冲击，2015，34（11）：6367.

LI Yonggui，LI Qiusheng，DAI Yimin.Tests for Wind Load of Tall Buildings with Openings[J].Journal of Vibration and Shock，2015，34（11）：6367.

[2]李永贵，李秋胜，戴益民.矩形截面高层建筑扭转向脉动风荷载数学模型[J].工程力学，2015，32（6）：177182.

LI Yonggui，LI Qiusheng，DAI Yimin.Mathematical Models for Torsional Fluctuating Wind Loads on Rectangular Tall Buildings[J].Engineering Mechanics，2015，32（6）：177182.

[3]郑朝荣，任凯，武岳，等.上部吸气控制下超高层建筑的平均风荷载特性研究[J].武汉理工大学学报，2015，37（6）：6065.

ZHENG Chaorong，REN Kai，WU Yue，et al.Experimental Research on the Characteristics of Mean Wind Loads of Highrise Buildings Controlled by Uppersurface Suction[J].Journal of Wuhan University of Technology，2015，37（6）：6065.

[4]邹鑫，汪之松，李正良.稳态冲击风作用下高层建筑风荷载特性试验研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2016，43（1）：2936.

ZOU Xin，WANG Zhisong，LI Zhengliang.Experimental Study on the Wind Load Characteristics of Highrise Building in Stationary Downbursts[J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2016，43（1）：2936.

[5]赵昕，王立林，郑毅敏.超高层建筑结构组合调谐风振控制系统[J].同济大学学报：自然科学版，2016，44（4）：550558.

ZHAO Xin，WANG Lilin，ZHENG bined Tuned Damperbased Windinduced Vibration Control for Super Tall Buildings[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2016，44（4）：550558.

[6]钟振宇，楼文娟.基于风重耦合效应超高层建筑顺风向等效静力风荷载[J].工程力学，2016，33（5）：7481.

ZHONG Zhenyu，LOU Wenjuan.Equivalent Static Wind Load on Extrahigh Buildings Along Wind Based on Windgravity Coupling Effect[J].Engineering Mechanics，2016，33（5）：7481.

[7]CARASSALE L，FREDA A，MARREBRUNENGHI M.Experimental Investigation on the Aerodynamic Behavior of Square Cylinders with Rounded Corners[J].Journal of Fluids and Structures，2014，44：195204.

[8]TAMURA T，MIYAGI T，KITAGISHI T.Numerical Prediction of Unsteady Pressures on a Square Cylinder with Various Corner Shapes[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998，7476：531542.

[9]MELBOURNE W H，CHEUNG J C K.Designing for Serviceable Accelerations in Tall Buildings[C]//World Scientific.Proceeding of the 4th International Conference on Tall Buildings.Singapore：World Scientific，1988：148155.

[10]钱涛.不同长宽比矩形截面高层建筑的风荷载研究[D].杭州：浙江大学，2013.

QIAN Tao.Study of Wind Loads on Highrise Building with Different Length to Width Ratios[D].Hangzhou：Zhejiang University，2013.

[11]全涌.超高层建筑横风向风荷载及响应研究[D].上海：同济大学，2002.

QUAN Yong.Acrosswind Loads and Responses on Super Highrise Buildings[D].Shanghai：Tongji University，2002.

[12]李永贵.高层建筑风荷载与风致弯扭耦合响应研究[D].长沙：湖南大学，2012.

LI Yonggui.Wind Loads and Windinduced Lateraltorsional Coupled Response of Tall Buildings[D].Changsha：Hunan University，2012.

[13]梁枢果，夏法宝，邹良浩，等.矩形高层建筑横风向风振响应简化计算[J].建筑结构学报，2004，25（5）：4854.

LIANG Shuguo，XIA Fabao，ZOU Lianghao，et al.Simplified Evaluation of Acrosswind Dynamic Responses of Rectangular Tall Buildings[J].Journal of Building Structures，2004，25（5）：4854.

[14]徐安，谢壮宁，葛建斌，等.CAARC高层建筑标准模型层风荷载谱数学模型研究[J].建筑结构学报，2004，25（4）：118123.

XU An，XIE Zhuangning，GE Jianbin，et al.Mathematical Model Research of Power Spectrum of Wind Loads on CAARC Standard Tall Building Model[J].Journal of Building Structures，2004，25（4）：118123.

[15]金虎.X型超高层建筑三维风荷载与风致响应研究[D].杭州：浙江大学，2008.

JIN Hu.3D Wind Load and Wind Induced Response Analysis of Highrise Buildings with X Shape[D].Hangzhou：Zhejiang University，2008.

[16]唐意.高层建筑弯扭耦合风致振动及静力等效风荷载研究[D].上海：同济大学，2006.

TANG Yi.Research on the Windexcited Vibrations and Staticequivalent Wind Loads of Torsionally Coupled Highrise Buildings[D].Shanghai：Tongji University，2006.

[17]梁枢果，刘胜春，张亮亮，等.矩形高层建筑横风向动力风荷载解析模型[J].空气动力学学报，2002，20（1）：3239.

LIANG Shuguo，LIU Shengchun，ZHANG Liangliang，et al.Analytical Model of Acrosswind Dynamic Loads on Rectangular Tall Buildings[J].Acta Aerodynamica Sinica，2002，20（1）：3239.

[18]郑朝荣，张耀春.高层建筑风载体型系数取值的探讨[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39（2）：191195.

ZHENG Chaorong，ZHANG Yaochun.Discussion of Wind Load Shape Coefficient over Highrise Buildings[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39（2）：191195.

[19]李毅.L型截面高层建筑风荷载特性及其优化设计研究[D].长沙：湖南大学，2014.

LI Yi.Research on Wind Load Characteristics and Optimal Design of Lshaped Tall Buildings[D].Changsha：Hunan University，2014.

篇8

关键词：空间滤波测速 滤波效应 功率谱密度函数

中图分类号：V475 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0078-03

1 引言

20世纪60年代，随着光学与电子学的快速发展，光学测量在科研和工程领域的重要性逐渐凸显，特别是非相干光源如激光的发明使很多以前不存在的光学测量技术得到了发展，其中最典型应用即速度的测量。

为了对速度进行测量，人们提出了很多种类的光学测量方法，可将它们分为非相干和相干技术两种，需要注意的是，这种分类并不意味着它们必然使用了非相干光源或相干光源。相干技术利用了光的振幅和相位信息，如激光多普勒测速法（LDV）[1]，激光斑纹测速法（LSV）[2]等；而非相干技术利用了目标成像的光强信息，两者的区别一般被认为是“图像”和“干涉图样”的区别[3]。在光学发展的早期，非相干技术包括照相法和摄影法，这些方法在测速时简单的对目标的运动轨迹进行观察或摄影，如光电图像追踪技术，后期被称为空间滤波技术（SFV）。在多种非相干和相干技术中，激光多普勒测速法由于其较高的空间分辨率和较高的测量精度而被很多学者进行了广泛的研究，虽然空间滤波法的测量性能与多普勒法是类似的，但一开始并未得到足够的重视，近些年来，空间滤波法以其光学和机械结构简单稳定、光源可选的实用优点而得到了越来越多的重视。本文对空间滤波测速的发展进行了介绍，并从数学角度对空间滤波特性进行了分析。

2 空间滤波测速的发展及原理

2.1 空间滤波测速的发展

空间滤波测速的基本概念来源于于航空相机控制技术和红外光学跟踪技术。明确的提出将空间滤波法用于速度测量来自于Ator的研究[4]，他从理论上明确了利用平行狭缝作为空间滤波器进行测速的原理，还从相关性理论的角度对这种方法进行了分析；Gaster[5]则对空间滤波法进行了试验验证，他将其应用于液体流速的研究；Naito和Tsutsumi[6]给出了空间滤波法的理论基础，他们对透射光栅进行了空间域的分析，给出了它的功率谱密度函数和空间透射比，并成功的证明了透射光栅相当于一个空间滤波器，能够用于进行速度测量；为了增强空间滤波器的选择性，Kobayashi和Naito[7]讨论了窄带通滤波器的最优性问题；为了改善低空间频率域内的滤波特性，Tsudagawa[8]等介绍了平行四边形视场，从而使空间滤波器性能得到了改进；Ushizaka和Asakura[9]研究了一种拥有显微镜的光学成像系统空间滤波测速法，并将其应用到在一个直径为130um～3.3mm的细小玻璃管内用于测量液体流速的分布；Aizu[10]等构建了一种差分式透射光栅测速计，它改善了滤波器滤除多余低频成分的能力，并证明了其在显微领域测量流速的有效性；Koyama，Aizu，Borders，Reuter和Kratzer[9]等一些研究人员则将这类空间滤波测速计应用于进行血液流速方面的研究。

在这些研究的基础上，Kobayashi[7]团队将空间滤波探测器进行了拓展，提出了具有空间滤波器功能的光电探测器；Itakura等[6]利用一个液晶元件阵列构建了一种新型的空间滤波器，并实现了两维速度分量的测量；除此之外，其它光学元件也可以用作空间滤波器。Hayashi和Kitagawa[11]利用光纤阵列构建了一种空间滤波器，他们将这种空间滤波器用于进行两维的速度分量和距离的测量，并确定了速度的方向；棱镜光栅是能够作为空间滤波器的光学元件中很有趣的一个例子，据此，科学家们诸如Plesse，Slaaf，Reuter和Talukder等实现了血液流速的测量[9]；Ushizaka[12]研究了透镜光栅的成像和折射特性，证明了它和棱镜光栅的原理相似，同样可以作为空间滤波器。

空间滤波测速的原理已经以多种方式应用于运动目标的测量。与双电子束LDV类似，Ballik和Chang[13]从理论和实验方面研究了一种边缘成像技术，在一个运动物体上进行仿光栅照明，而实际上在其前方并没有放置光栅，强度被调制后的散射光由一个光电探测器进行接收，通过其信号进行分析即可实现速度测量；Aizu[9]等对空间滤波法进行了改进，使其能够感测速度的变化程度；Ohno[14]等提出了采用空间滤波探测器来感测两维随机运动的方法，如运动物体的平均速度，尺寸以及数量等；基于光学成像的特性，空间滤波法还可以用于测量光学系统的离焦量，成像距离以及成像位移等。

2.2 空间滤波测速的原理

空间滤波测速（SFV）的基本光学系统如图1所示，在一定的探测区域内，照射光被一个沿x0方向以速度v0移动的运动目标进行散射，通过镜头L成像在一个沿运动方向有空间周期透射比的空间滤波器SF上，经过空间滤波器的光被其后方的一个光电探测器PD接收，由PD探测到的总光强由于图像以速度v运动以及空间滤波器的周期透射比p而产生周期性变化，如图2所示，于是，PD的输出中包含一个周期的周期信号，通过测量这个信号的频率，则目标速度v0可由下式确定[4]：

（1）

其中，M是光学成像系统的放大倍数，则。由图2可知，输出信号中包含一个频率为f0的周期信号，通常为正弦波，通过测量此正弦波的频率即可由以上公式实现速度的测量。

3 空间滤波效应

空间滤波法的原理可以从数学角度和频域的功率谱密度函数来描述。上节对空间滤波测速（SFV）的原理进行了直观的描述，本节对图像强度分布的空间滤波效应进行了数学分析。

如图1所示，坐标为的像平面上放置一个空间滤波器，光传播方向垂直像平面，假设空间滤波器上所成为理想图像。设，分别为平面上运动图像的光强分布及空间滤波器的光强透射比，假设所有通过空间滤波器的光都被光电探测器接收。当图像以速度分量，分别在，方向上移动，则光电探测器的输出信号可由以下积分公式表示：

（2）

式中，，，和为常数。一般的，我们认为地面目标的光强分布在时间和空间上满足随机过程。假设光强分布在，方向上满足静态随机遍历过程，则输出信号的相关函数为：

（3）

其中E[…]代表数学期望。对（3）式进行傅立叶变换，去掉常数部分，可得的空间功率谱密度函数为：

（4）

其中，为光强分布函数在空间频域的空间功率谱密度函数，Hp（μ，ν）为透射比的空间功率谱密度函数，用和表示即：

（5）

（6）

其中，为的傅里叶变换，和分别代表，方向上的空间频率。

如果图像光强分布函数不是随机的，而是周期或非周期（瞬时）的，则其功率谱可表示为：

（7）

其中为函数的傅里叶变换。此时空间功率谱密度函数表示如下：

（8）

其中为输出信号的傅立叶变换，可得：

（9）

由公式（4）可知，功率谱Gp（μ，ν）由两个功率谱函数Fp（μ，ν）和Hp（μ，ν）相乘得出，由此可看出输出信号是由经过空间滤波器调制的输入图像给出的，由线性滤波理论可知，Hp（μ，ν）在空间频域相对输入Fp（μ，ν）表现为一个线性滤波器。

空间滤波器在待测图像的运动方向上要求有一定的周期透射比，为方便数学分析，假设图像只在方向上有速度分量，即，，此时，空间滤波器的透射比只在方向上具有周期性，而在y方向上是相同的。通过对（4）进行积分可得相对空间频率的功率谱密度函数为：

（10）

式中：，为时域内的频率。公式（10）中再次表明功率谱对于输入函数相当于一个滤波函数。由于空间滤波器在方向具有周期透射比，则它的功率谱具有窄带通滤波特性，其中心频率在空间频率处。图3给出了功率谱和在时的典型分布。由于功率谱为两个频谱混叠的结果，因此其分布主要以功率谱为特征。时间功率谱中包含一个在处的频率尖峰，因此，通过测量其中心频率，即可得出目标图像的速度。此种方式通过周期透射的窄带通空间滤波器实现了速度测量，即本文介绍的“空间滤波测速”。

4 结语

在多种相干和非相干测速方法中，空间滤波法以其光学和机械结构简单稳定、光源可选的实用优点而得到了越来越多的重视。本文对空间滤波测速的发展进行了介绍，介绍了空间滤波测速的原理，并从数学角度对空间滤波效应进行了分析。空间滤波器的滤波特性及图像强度的空间分布直接决定了信号质量和测量精度，因此，空间滤波法的数学分析对于空间滤波器的设计、光学系统的配置以及实际应用具有较强的指导意义。

参考文献

[1]Katsuaki Shirai， Yusuke Yaguchi. Highly spatially resolving laser Doppler velocity measurements of the tip clearance flow inside a hard disk drive model [J]. Experiments in Fluids， 2011， Volume 50， Number 3：573-586

[2]U. Schnell， J. Piot， and R. Dandliker. Detection of movement with laser speckle patterns： statistical properties[J]. J. Opt. Soc. Am. 1998， 15：207-216.

[3]Albrecht， H， E. Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques[M]. Experimental Fluid Mechanics， Springer-Verlag， Heidelberg， 2010.

[4]J.T. Ator.Image-Velocity Sensing with Parallel-Slit Reticles[J]，Journal of the Optical Society of America， 1963，Vol53：1416-1422

[5]Gaster， M. A new technique for the measurement of low fluid velocities[J]. J. Fluid Mech. 1964， 20：183.

[6]Y.Itakura， A. Sugimura， S. Tsutsumi. Amplitude-modulated reticle constructed by a liquid crystal cell array[J].Appl. Opt. Vol20，1981：2819-2826

[7]M Naito， M Ishigami， A Kobayashi. Spatial Filter and Its Application to Industrial Measurement[C]. Proc. 5th IMEKO， 1970， JA-129.

[8]Liznah binti Latip，Masaru Tsudagawa.Image velocity measurement by using spatial filter method[J]. IEEE Transactions on instrumentation and measurement technology conference.2002：1411-1414.

[9]Y. Aizu and T. Asakura. Spatial Filtering Velocimetry， Fundamentals and Applications[M]， Springer， 2006.

[10]Y.Aizu. Principles and development of spatial filtering velocimetry[J]， Appl. phys. B43，1987：209～224

[11]Kitagawa， Y.， Hayashi， A. and Minami， S. Particle velocity measurements using an optical fiber array spatial filter[J]. Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers，1991， 27：1041-l043.

[12]T Ushizaka， Y. Aizu， T. Asakura. Measurement of Velocity Using a Lengticular Grating[J]. Appl. Phys. 1986， B39， 97-106.

篇9

关键词：铁路；铺轨；铝热焊

中图分类号：F530.3 文献标识码：A 文章编号：

铝热焊技术其实是一种把化学反应产生的热量作为热源的一种焊接方法，这里提到的化学反应是指高温条件下的铝热剂中铝粉和氧化铁之间的反应，通过这个反应可以将氧化铁中的铁还原出来，铝粉则生成了氧化铝，在整个反应的过程中会释放出大量的热量。反应过程中的铁因为是在高温条件下所以生成的是液态的铁，在进行焊接时释放出的热量可以融化等待焊接的钢轨的表面，同时把液态的金属铁当做焊接接头填充进去，冷却凝固以后整个铝热焊过程就全部完成了。

一 铝热焊施工工艺流程

整个铝热焊的工艺流程大概可以分为四大部分，它们分别是焊前准备、铝热焊焊接、焊后检测、收尾清理。但是整个详细的工艺流程可以见图1

图1 铝热焊施工工艺流程

二 铝热焊施工的前期准备

在铁路轨道的施工过程中因为项目的大小类别不同，每一个项目的施工日期也不相同所以铝热焊施工的前期准备也不太一样，但总体来说主要有三大部分，分别是人员配备、材料准备、机械设备。

1 人员配备

在人员配备上一般情况下分为五组，它们分别是对轨小组、焊接小组、打磨小组、螺栓松紧组、检查小组，然后根据工程的大小决定每一个小组的人数有多少。

材料准备

铝热焊的施工过程一般需要的材料有铝热焊剂、砂模、模具架、坩埚、渣盘、封泥箱、秒表、氧气、乙炔、高温火柴等等。

机械设备

铝热焊施工过程中的需要的机械设备一般情况下有以下几种，螺栓扭动机、打磨机、锯轨机、起轨器、整体式对轨器、液压钢轨拉伸器（包油泵）、双向手动液压推瘤机、超声波探伤仪、撬杠、直尺等。

三铝热焊施工要点

1焊前准备

在进行铝热焊之前，一定要检查各项设施是否已经准备好，主要的检查项目有五种，分别是机具是不是完好；所选的铝热剂与所要焊接的钢轨是否匹配；还要看一下铝热剂是不是干燥的，有没有受潮；封箱泥里的湿度是不是适宜；焊接时需要的燃料氧气、乙炔是否准备好。另外在焊接之前还要对一些构件进行控制，例如把焊头前后15m范围内钢轨两侧的扣件拧紧；把焊头前后5根轨枕的扣件以及垫板去掉；调整焊头钢轨和轨枕或者道碴之间的距离，必须在100mm以内。

对正钢轨

钢轨的对正包括水平对正和垂直对正，水平对正是通过调节钢轨水平位置的高度来把水平轨缝间距控制在23~27mm以内，垂直对正则是通过钢轨的竖向高度把竖向的高差控制在1.6mm以内。

安装砂模

在焊前准备检查好而且钢轨也校正完毕以后就开始进行砂模的安装了，它一般分为两步，第一步是安装两侧的砂模，为了安装的紧密可以把砂模与钢轨轻轻的摩擦一下。第二步就是安装底板，安装时一定要使有底砂模与轨缝保持垂直而且居中。等到两步都完成以后就开始把螺栓拧紧，然后用直尺对钢轨的各种要求进行校正，最后就是在砂模与钢轨连接处的缝隙中均匀的涂抹上专用的封箱泥。

接头焊接

接头焊接的过程一般可以分为五步，它们分别是预热、浇筑、拆模、除瘤、打磨焊缝。下面进行一一讲述。

预热

预热就是把砂模和分流塞加热到一定温度，一般这个温度是920℃~1000℃。预热的过程则是先在预先支好的预热支架上放上预热器，然后将整个支架放于砂模的中间定位，调好火焰按下秒表，等时间过去6分钟时把分流塞放在砂模的边缘然后继续加热，一直到达到温度为止，最后把预热器拿走完成整个的预热过程。

浇筑

浇筑时，先把分流塞放入顶部的入口处，然后在砂模的中央放置一个一次性的坩埚，用高温火柴点燃然后对焊剂进行燃烧。下一步就是用自熔塞自动的进行浇筑了，等到废渣停止流动时用秒表计时。

拆模

拆模过程要在浇筑过程完成五分钟以后才能进行，拆模过程实际上就是一个大的清理工程，在这个过程中要把渣盘、一次性坩埚、砂模夹具、夹板、金属底板全部拿走，还要把焊头的顶部、溢出的焊料、钢轨表面烤干的封箱泥、铝热焊反应剩余的钢渣等等都要去除以及清理干净。

除瘤

除瘤过程也不是立即就可以进行的，它必须要在拆模完成后的6.5分钟以后才可以开始。除瘤的机械设备一般是用双向手动液压推瘤机，在操作时除瘤机的方向和钢轨的纵向是相同的，但设备的最低处必须高于钢轨的表面，除瘤后留茬的高度要比原来的轨道表面高出1~3㎜。另外在除瘤过程中还要把轨道底部冒出的多余的焊料去掉，这样为以后的打磨工作提供了方便。

打磨

焊缝的打磨一般分为两种，热打磨和冷打磨两种。首先进行的是热打磨，它的打磨范围包括轨顶、钢轨工作面、轨底、两轨底角，打磨常用的设备是专用钢轨仿形打磨机。在打磨过程中需要注意的地方有两点，一点是砂轮的打磨方向必须沿着轨道的长度方向，禁止与轨道的长度方向垂直；一点是在打磨焊料顶部表面时，当与轨面的距离为1㎜左右时把钢轨头部两侧与轨面过渡的圆弧处以及钢轨的内外侧打磨的与已经存在的钢轨处于同一高度。冷打磨有一定的时间规定，必须在浇筑过程完成一个小时以后才能进行冷打磨，它主要是针对焊缝以及钢轨的表面，目的是让这些地方更加的平整、整齐。

质量验收和贴标签

质量验收一般包含两部分：内部检测和外部检测。内部的质量检测是通过超声波探伤仪对钢轨焊头的焊缝内部检测是否合格；外部检测常用的工具是精密塞尺和大约1米的直尺，另外对焊头上有缺陷的地方要进行及时的处理。等到所有的检测都合格以后需要贴上标签，并做好焊缝探伤和质量检测的记录。

收尾工作

收尾工作就是施工现场的清理工作，先要把各种机械设备放回原存放处或搬往下一个焊接地点，然后还要把整个的施工场地打扫干净。

四铝热焊施工中的注意事项

整个铝热焊施工中需要注意的事项主要有三个控制，分别是对施工过程中有关数据的控制、对施工过程中预热的控制、对施工人员岗前培训质量的控制。

施工过程中相关数据的控制

在施工过程中需要控制的数据主要有三种，分别是轨缝间距、温度、时间。具体的数据范围可参考表2。

表2铝热焊施工过程中需要控制的数值表

施工过程中的预热控制

在施工过程中对预热的控制是整个铝热焊过程中非常重要的一步，因为它能够直接导致整个铝热焊过程的成功与否。预热的控制实际上就是对温度和时间的控制，比如钢轨的过烧以及氧化物的缺陷都是由时间过长或过短引起的。另外温度过低会影响氧气和乙炔的挥发性，使燃料不能正常燃烧，进而达不到预定的预热效果，所以必须要采取以下措施：一是在预热前先把轨底加热30~40s；二是在铝热反应完成后进行拆模时要保留底板，作用是为了最大程度的保存轨底的温度；三是在气温低时要进行保温措施，刮风时还要搭帐篷保证预热的温度。

施工人员的岗前培训质量控制

无论从事什么工作都要进行岗前培训，铝热焊施工也不例外，它还是整个施工过程中比较重要的一个步骤。只有对施工人员的培训质量控制好才能使施工人员的工作过程中对铝热焊技术的各个注意要点明确和注意，才能确保焊接的质量。另外还要加强员工的素质培训，使他们的施工时要文明施工、安全施工，每一个施工人员都必须拥有铝热焊特种施工作业的合格证书才能进行工作。

小结：铝热焊施工工艺的技术特点决定了它在整个铁路铺轨过程中的广泛应用，铝热焊技术在施工前花费的时间很短，而且需要的设备也都比较简单，在施工过程中移动比较快速，操作过程中也是非常简便的，这些优点汇聚在一起共同形成了铝热焊施工工艺的技术特点。文章主要对铝热焊技术的以下几个方面进行了探讨和分析，这几个方面分别是施工过程中钢轨的间距、预热的温度、加热的时间等等关键要点，最后还对施工人员的培训质量控制进行了简单的解析。

参考文献：

[1]唐晓梅。钢轨QPCJ铝热焊接技术浅析[J].山西建筑，2007,9（27）：150

[2]杨云堂。钢轨铝热焊接应注意的要点[J].城市轨道交通研究，2007，5（5）：56

篇10

引言

特大地震发生后，通常会产生延续几天甚至几个星期的全球自由振荡，只有长周期重力仪、地震仪等才能记录到这种振荡。最早对地球自由振荡作出准确观测是1960年5月22日智利8.9级地震后，Benioff等(1961)与Ness等(1961)分别用Isabella应变仪和Lacoste-Romberg重力仪实现的，两个观测结果非常吻合并与理论值一致，使人们知道了长周期自由振荡的存在。目前人们认识到的自由振荡有两种:第一种是球型振荡，地球作球型振荡时，其质点位移既有径向分量，也有水平分量;第二种是环型振荡，地球作环型振荡时，各质点只在以地心为球心的同心球面上振动，位移无径向分量，地球介质只产生剪切形变，无体积变化，地球的重力场不受扰动，因此重力仪记录不到这种振荡。近年来全球大地震频繁发生:2001年昆仑山口8.1级地震、2004年印尼苏门答腊9.0级地震、2008年汶川8.0级地震、2011年日本9.0级地震等，这些罕见的大地震为人们研究地球自由振荡提供了良好的机会。不少研究者利用数字观测资料研究了一些大地震激发的地球自由振荡，如万永革等(2004，2005，2007)利用中国数字地台网的资料研究了2001年昆仑山口西8.1级地震和2004年印尼苏门答腊大地震激发的地球自由振荡;雷湘鄂等(2002，2004，2007)利用超导重力仪来观测地球球型自由振荡;于海英等(2006)、邱泽华等(2007)、唐磊等(2007)、任佳等(2009)、徐晓枫等(2010)、杨跃文等(2010)也分别利用钻孔差应变仪观测资料、中国钻孔应变台网体应变观测资料、水位前兆资料、中国数字地震台网资料、云南水管仪观测资料等研究了苏门答腊地震、汶川地震所激发的地球自由振荡，取得了不少成果，让人们对地球内部结构有了进一步的了解。格尔木地震台是国家基准台之一，观测手段丰富多样，观测质量在国家数字台网中排名前列。北京时间2011年3月11日13时46分日本东海岸发生了9.0级特大地震，地震后不久，作者立即利用格尔木基准台重力观测数据，检测此次地震激发的0S0～0S40基频振型自由振荡，并观测到0S2、0S3振型谱峰分裂现象，观测效果明显。

1格尔木重力仪对日本大地震的记录

格尔木地震台位于青藏高原腹地，属于国家基准台，海拔3118m。台站观测环境良好，置放仪器的山洞进深28m，总长30m，洞顶覆盖大于40m，侧向覆盖大于30m，洞内岩石为花岗岩，岩石比较坚硬完整，主体山脉基本无植被，且方圆3km内没有大的活动断裂通过。台站使用PET型固体潮重力仪，该仪器漂移率小、精度高、测量范围宽，2008年开始投入使用，目前运行稳定，产出数据质量良好，观测数值单位为μGal(1μGal=10－8m•s－2)。2011年3月11日日本东海岸附近(38.1°N，142.6°E)发生9.0级特大地震，格尔木基准地震台重力仪清晰地记录到这次大地震。图1为格尔木基准台重力仪记录的日本9.0级特大地震的分钟值曲线，图中信号清晰，可清楚地看到重力潮汐和地震波。

2数据选取及计算方法

我们选取数据长度为2011年3月11日13时00分至3月18日12时59分，共168小时，功率谱中频率分辨率为1.67×10－6Hz，适当的频率分辨率是辨认振型谱峰的前提。通常用功率谱来描述随机信号的频域特征，这是一个统计平均的频谱特征。功率谱的目的是根据有限数据给出信号及随机过程的频率成分布的描述，提取淹没在噪声中的有用信息。采用改进的平均周期图法来求取随机信号的功率谱密度估计，并运用信号重叠分段、加窗函数与FFT算法等提高运算效率与效果。设信号x的自相关函数为Rn，则定义其Fou-rier变换为该信号的功率谱密度估计(万永革，式中，N为计算所用数据的数目，由于我们计算重力资料地球自由振荡信息时采用的记录是分钟值，故N取10080，x为重力数据，Sk离散值为功率谱密度值。另外，为了消除数据不能无限长而必须加窗对功率谱密度估计造成的影响，根据窗函数的不同特性，笔者采用Hanning窗来抑制功率谱旁瓣，突出主瓣，以获取较准确的频谱信息。为了时间截取上的便利，计算的数据包含了地震波传到仪器之前的54个数据，但其相对于整个数据长度是微不足道的，不会影响分析结果。笔者参考雷湘鄂等(2007)的甄别方法，即每个检测振型的谱峰值与该振型附近的观测背景噪声谱的比值，即该振型的信噪比，若被检测振型的信噪比大于3就是有效检测。为了观察是否存在着能贡献出类似于自由振荡信息的非地震因素，我们对地震之前的重力资料进行分析，从而确定检测到的自由振荡信息为日本地震所激发的。

3计算结果

3.1震后功率谱密度估计谱采用上述的数据与方法，我们得到的格尔木地震台重力观测数据日本大地震后的功率谱密度估计谱，如图2所示，观测频段依次分别为0.28～1.80，1.80～2.90，2.90～3.85和3.85～4.75mHz。计算结果清晰地检测到了0S0～0S40之间除0S32、0S37振型之外基频振型自由振荡系列。为了对观测到的自由振荡和PREM模型的理论自由振荡周期进行对比，图中用虚线指示PREM模型的理论自由振荡频率值。图2a所示为在0.28～1.80mHz频段内检测到的基型振荡0S0～0S10。由图可以看出，整个频段无较大干扰，各个振型附近噪音很小，信噪比均大于3，能将0S0～0S10振型有效检测出来。虽然0S2和0S3振型相对于其它振型观测效果不明显，但是由于其周围噪声很微弱，依然能将其检测出来。由目前的工作可知(万永革等，2007;雷湘鄂等，2007)，0S2和0S3振型存在着谱线分解的情况。一般情况下，观测人员观测到0S2和0S3并不像其它振型那么明显，这可能有两个原因:一是因为0S2和0S3振型是低频率的低阶振型，一般地震难以激发，只有大地震发生时才能被观察到;另一方面可能是由于其能量的分散，谱线的分裂意味着能量的分散，0S2和0S3振型的能量分散于理论频率值附近的几个谱峰，不易观察。图2b所示为在1.80～2.90mHz频段内检测到的0S11～0S20振型，该频段噪声较低，信噪比较高，观测的振型附近无较大干扰，观测效果清晰，且观测频率值与理论值相差甚微。图2c所示为在2.90～3.85mHz频段内检测到的0S21～0S30振型，据图可知，除0S28振型观测频率值与理论数值偏差稍微大外，其余振型检测效果良好。图2d所示为在3.85～4.75mHz频段内检测到的0S31～0S40振型，该频段的噪声较大，其中0S32和0S37振型未形成突出的谱峰，导致观测效果不明显，尽管如此，依然较清晰地检测到了这些振型，不过观测频率值与理论值偏差相对于其他频段较大。将球型振荡0S0～0S40振型观测频率值与PREM模型理论值进行比较(表1)可见，0S2、0S3振型观测频率值与理论值偏差较大，分别为－1.62%与0.85%，这并不是观测的失误，而可能是0S2、0S3振型谱线分裂所致;而频率较高的0S32、0S37振型由于未能与周围的噪音区分出来，没有很好的观测效果。同时，可以看出0S0、0S13、0S22、0S26和0S30共5个振型的观测频率与理论值偏差近似为0，这是很少观测到的现象。除去0S2、0S3、0S32、0S37振型，偏差绝对值大于0.20%以上的仅有5个振型:0S5、0S6、0S16、0S33和0S38;而小于0.10%的振型有20个，总体平均偏差为0.10%。在计算总体平均偏差的过程中，0S2、0S3振型存在谱线分裂，0S32、0S37振型未能分辨出，故这4个振型不在计算之列。

3.2震前重力数据功率谱检测为了检验其他因素是否对此次检测到的自由振荡信息有影响，我们对地震之前的重力资料进行分析，观察是否有类似于自由振荡信息存在。截取2011年3月2日0时0分至3月8日23时59分的重力数据，数据长度与前面一致，按照前文介绍的方法进行计算，这样将3月9日日本7.2级地震可能产生的影响排除掉。从这段数据的功率谱上可以看出，在检测的频率范围内，并无太大的背景干扰，噪音很小，潮汐因素也并未对所研究的频段造成太大的影响，因此，我们可以确定检测到的信号大部分来自日本9.0级大地震引起的自由振荡信息(图3)。

3.30S2、0S3振型的谱线分裂由于地球自转与扁率的影响，地球的某些本征振荡不是简并的，而是存在谱线分裂现象。地球自由振荡的简正振型表现为一些离散的频谱峰，频谱峰的位置可以用来确定球面上的平均地幔结构，而频谱峰分裂是大尺度的非球状和非均匀地球的证据(Widmer-Schnidrig，1999)。Dahlen等(1968，1969)利用扰动理论分析了地球自转及扁率作用导致的地球自由振荡谱分裂，并把相关分裂参数制成表格形式，从理论上详细地分析了科里奥利力分裂效应。现在人们对地球自转和扁率引起自由振荡谱线分裂的研究已比较成熟，可以将实测振型的谱线分裂与模型理论预测值进行比较。谱线分裂的振型一般都包括两个或两个以上的分裂谱峰，频率最高的谱峰与频率最低的谱峰之间频率差为实测谱线分裂宽度W，振型谱线分裂宽度的理论值Wth，定义用谱线分裂率R为实测谱线分裂宽度W与理论谱线分裂宽度Wth之比值(雷湘鄂等，2007)，即R=W/Wth.(3)从图4中可以看出，0S2、0S3振型各有两个谱峰，每个谱峰的信噪比都大于3，故能将其分辨出。实测谱线分裂宽度、理论宽度分别为W1=10.60×10－6Hz，W2=10.20×10－6Hz，Wth9.48×10－6Hz，Wth2=13.05×10－6Hz。谱线分裂率分别为R1=0.544，R2=0.782。这个结果要小于雷湘鄂等(2007)用武汉超导重力仪研究苏门答腊地震时得到数值(其结果分别为1.07，1.13)。方明(1991)指出，利用由地表向地心的数值积分计算自由振荡0Sn的周期时，发现只有0S2和0S3振型的穿透深度进入内核，其中0S2的穿透深度接近地心，而0S3的穿透深度则刚刚进入内核。可见某些特殊振型的分裂能反映地球内核结构的复杂性，本文结果与雷湘鄂等(2007)的结果不同，可能是地球内核各向异性的表现。0S2、0S3振型存在着谱线分裂的现象，能量被分解，也正说明了0S2、0S3振型难以明显观测的原因。