CN101538872A - 消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法，属于波动传输与信号数值分析领域，首先建立冲击弹性波激振残留信号的振动分析力学模型，按如下步骤实施：从测试得到的波形中，识别特征波形；从残留信号的振动波形中，选取相邻的两个或多个峰值，并求其特征参数；根据上述峰值的时刻t_i可求出残留信号的自振周期T_d；根据上述峰值的特征参数回归出残留信号的振动方程；从测试的信号中减去推算出的残留信号，得到一次处理信号；对一次处理信号与入射的激振信号之间的相关性进行分析，得到二次处理信号；利用二次处理信号，增强对反射信号的识别能力，自动确定反射信号的初至时刻。本发明有利于识别和提取反射波信号，从而大大提高测试精度。

Description

消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法

技术领域

本发明属于波动传输与信号数值分析领域，特别涉及消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法。

背景技术

桩基础是工程结构中常用的基础类型，约占全部工程结构基础的70％以上。由于它是地下隐蔽结构物，在施工过程中极易出现各类缺陷，故对桩基础进行全面质量监督检验就显得十分必要。其中，低应变动力检测，是比较有效的方法，是上世纪7、80年代由美、日等国发展起来的一种新兴的检测方法，简称“PIT”法。当桩顶受到一冲击力后，激励产生的应力以波动形式在桩身中向下传播，遇到端面或缺陷面等波阻抗差异面后，发生反射波信号。将反对波信号用到检测中，通过检测分析反射波的特性(特别是反射波信号的初至时刻)来分析桩身中缺陷的有、无、缺陷的位置以及核算桩长或材质，从而达到检查桩身质量的目的。该方法由于采用的是弹性波的反射信号，为了与其他方法(如“跨孔法”)区别，在此称之为“反射波法”。

从理论上讲，反射波法不仅可以用来测桩，还可以测试其他柱状结构物，如高速公路护栏立柱、各类锚杆等。然而，除了现场浇筑的实心桩测试结果较为理想以外，该方法对其他各类桩(特别是中空的如钢管桩、离心预制桩等)、柱的测试效果均不理想。其主要原因在于，反射信号能量较低而且容易受到各种噪声的影响。其中，激励发射信号时的残留信号(自由振动)是非常重要的影响因素之一(附图-1)，在中空桩、柱中更为突出。振幅大，持续时间长的残留振动信号不仅降低了信噪比，而且严重地影响到反射信号的识别，以至无法进行有效的测试。因此，为了正确的识别和利用反射信号进行测量，就必需消减激振残留信号。

通常，传统的抑制残留振动的方法是采用以下两种作法：

1)提高激振信号的角频率ω

该方法一方面可以抑制残留振动，另一方面有利于提高分辨率。然而，该方法存在以下两个缺点：

(a)在沿对象体(桩、柱、锚杆等)传播过程中衰减较快，当对象体较长，周围土体材料坚硬时信号的衰减大，反射信号弱并难以捕捉。因此，过高的频率不利于反射波法的检测；

(b)为了产生具有一定能量的高频信号，在激振时往往需要冲击锤体具有一定的冲击力，因而在与测试对象体的碰撞过程中会产生较大的碰撞声响。碰撞声的持续时间往往较长，反过来又会影响测试信号，形成新的噪声源。特别是当对象体是中空柱时，碰撞声很可能在空腔中产生共鸣，从而有所放大，严重地影响测试精度。

2)提高衰减比h(阻尼)；

采用提高衰减比h(阻尼)的方法是比较有效的。但是，衰减比h是对象材料及结构的固有特性，难以通过外界方法加以改变。因此，在弹性波反射波法的检测中，提高衰减比h的方法难以实行。

综上所述，在“PIT法”测试中，采用通常的抑制残留振动的方法如提高激振信号的角频率ω或提高阻尼的方法都难以取得明显的效果，因此，这些作法是不适宜采取的。

为此，本发明提出一套数值计算的方法，比上述的两种方法都有进步性和可行性，它能够有效地消减弹性波激励后的残留信号。本发明可以提高测试信号的信噪比，有利于识别和提取反射波信号，从而大大提高测试精度。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对现有的利用传统反射波法测量桩或柱状结构物时，由于残留信号的存在而产生如下弊端：

1)降低了测试信号的信噪比；2)影响到对反射信号的识别；3)难以精确地确定反射波信号的初至时刻。从而严重影响其测试精度和可靠性。

为了克服这些弊端，提高测试的有效性，就需要研究出对残留信号加以抑制的方法。本发明就是提供对冲击弹性波激励残留信号的抑制，从而可精确地识别反射波信号初至时刻的方法，抽出有效的反射波信息，以实现有效利用。

本发明的目的是提供一种消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法，在描述本发明所采用的技术方案之前，先说明本方案所基于的理论基础，概述本发明：是通过对冲击弹性波激励残留信号的回归，进而从测试信号中消减相应的激振残留信号的影响。同时，利用激励信号与反射信号之间的相似性，结合相关分析的手段，可增强对反射信号的识别能力并确定反射波信号初至时刻，从而提高检测精度。描述中三个基本问题为：

1)残留信号影响的消除

冲击弹性波激励残留信号的振动分析力学模型如附图1所示。附图2所示为冲击弹性波激励残留信号的振动波形。当外界给系统一个初始冲击力后，则系统会产生自由衰减振动，其运动微分方程式可以表示为式-1：

$\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+2n\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+{{\mathrm{\ω}}_n}^{2}x=0$ (式-1)

式中：ω_n为系统固有圆频率；n为衰减系数。

设激振结束时刻为t₀，当t＞t₀后其系统开始自由振动。其响应(如加速度)可以表示为：

(式-2)

式中：A₀为初始振幅，

为相位角。

令 $T_d=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_d}=\frac{2\mathrm{\π}}{\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_n}^2-n^2}},$ 表示冲击残留信号振动的周期。T_d可以通过残留信号相邻两个峰值之间的时间差得出。如附图3可得：

T_d＝t₂-t₁    (式-3)

从残留信号的振动波形可以看出，在t＝t₀时刻，x＝0，因此可知

根据自由振动的衰减规律，残留信号的振幅按几何级数衰减(附图3)。因此，由t＝t₁时刻的振幅A₁，t＝t₂时刻的振幅A₂，以及振动周期T_d即可推算出式-2中的A₀和阻尼系数n。即：

$n=\frac{\ln (A_1/A_2)}{T_d}=\frac{\ln (A_1/A_2)}{T_2-T_1}$ (式-4)

$A_0=A_1\·e^{n(t_1-t_0)}$ (式-5)

即可回归出残留信号振动方程，如用y(t)表示回归后的自由振动响应，可得：

$y\left(t\right)=A_0{e}^{-n(t-t_0)}\sin \frac{2\mathrm{\π}}{T_d}(t-t_0)$ (式-6)

值得说明的是，在激振后的自由振动，其周期特性及衰减特性均只与系统本身的特性有关，为一固定值。因此，对于测试的信号x(t)，在激振后(t＞t₀)减去回归出的衰减信号y(t)，从理论上即可消除残留振动的影响(附图4)。

$\hat{x}\left(t\right)=x\left(t\right)-y\left(t\right)$ (式-7)

但是，由于实际的残留振动的特性十分复杂，利用式-4及式-5回归的信号y(t)与实际的自由振动信号x(t)之间有一定的差异。使得处理后的信号

中会出现像附图5中的尖角信号，给反射信号的抽出带来新的误差要因。该类尖角信号往往具有较高的频率和离散性。

2)信噪比的提高

我们提出了相关处理的方法，来削减附图5中的尖角信号的影响。由于反射信号与入射信号间存在相似性，我们将通信工程中的“匹配滤波”(MatchedFilter)技术引入到本发明中，通过分析与激振波形(入射信号)之间的相关性，从而能够大幅消除高频噪声(附图5中的尖角信号)，提高信噪比。

匹配滤波的基本原理基于相关分析。在测试或处理波形

中，含有强度为a的对象信号s(t)，以及噪声信号n(t)：

$\hat{x}\left(t\right)=a\·s\left(t\right)+n\left(t\right)$ (式-8)

与s(t)相互相关则可以表示为：

$R_{\mathrm{xs}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^T\hat{x}\left(t\right)s(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

$=a\·R_{\mathrm{ss}}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{\mathrm{ns}}\left(\mathrm{\τ}\right)$ (式-9)

其中，R_ss(τ)为对象信号波形的自相关，R_ns(τ)为对象信号与噪声信号的相互相关。

如果对象信号与噪声信号完全无关，

R_ns(τ)→0    (式-10)

则(式-9)可以表示为：

R_xs(τ)＝a·R_ss(τ)    (式-11)

因此，通过

与对象信号s(t)的相关处理，即可大大消除掉尖角信号n(t)的影响，从而提高处理信号的信噪比。

附图4和附图5中，图解说明了上述各个信号。

a：激振脉冲信号s(t)；b：测试信号x(t)；c：回归自由振动信号y(t)；d：处理后信号含噪声；e：处理后信号R_xs(t)，无噪声。

3)反射信号的识别和初至时刻的确定

同时，由于反射信号与激振波形(入射信号)具有很高的相似性，因此，通过“匹配滤波”技术可以大大增强反射信号的识别能力，并可自动确定反射信号的初至时刻。

当

中有反射信号s(t)时，

$\hat{x}\left(t\right)=s\left(t\right)+\stackrel{\‾}{s}\left(t\right)+n\left(t\right)$ (式-12)

其与激振波形(入射信号)s(t)的相互相关处理可以表示为：

$R_{\hat{x}s}\left(\mathrm{\τ}\right)=R_{\mathrm{ss}}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{s\stackrel{\‾}{s}}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{\mathrm{sn}}\left(\mathrm{\τ}\right)$ (式-13)

由于反射信号s(t)与激振波形(入射信号)s(t)之间具有极高的相似性，因此，其相关系数

(τ)数值远大于其他噪声与入射信号间的相关系数R_sn(τ)，从而突出了反射信号(附图6)。

值得说明的是，附图6中两个峰值的时刻分别对应于激振的时刻和反射信号的初至时刻，据此即可推算出反射信号的传播时间。由于峰值位置很容易自动确定，因此反射信号的初至时刻也可以自动得到。而有了这个初至时刻，就可以对所埋桩的各个参数作出较为精确的测量。

在以上叙述的基础上，进一步描述本发明的技术方案。

为实现本发明的目的，所采用的技术方案如下：一种消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法，首先建立冲击弹性波激振残留信号的振动分析力学模型，其特征在于，按如下步骤实施：步骤A.从测试得到的波形中，识别特征波形，a入射信号激振波形、b残留信号振动波形；步骤B.从残留信号的振动波形中，选取相邻的两个或多个峰值，并求其特征参数；步骤C.根据上述峰值的时刻t_i可求出残留信号的自振周期T_d；步骤D.根据上述峰值的特征参数回归出残留信号的振动方程；步骤E.从测试的信号中减去推算出的残留信号，得到一次处理信号；步骤F.对一次处理信号与入射的激振信号之间的相关性进行分析，得到二次处理信号；步骤G.利用二次处理信号，增强对反射信号的识别能力，自动确定反射信号的初至时刻。

本发明的有益效果为，利用建立冲击弹性波激振残留信号的振动分析力学模形及数学处理手段，可以有效的消减冲击弹性波激振残留信号，从而准确识别反射波信号初至时刻，以便进行对桩，柱内部缺陷做出有效的精确的测量。

附图说明

图1为冲击系统的力学模型；

图2为冲击弹性波激振残留信号的振动波形；

图3为振幅衰减特性；

图4为消减残留自由振动的概念；

图5为实际的处理信号；

图6为本发明的效果；

图7为测试的实际波形信号；

图8为经过本发明处理后的波形图；

图9为实施步骤流程概要图。

具体实施方式

参照图1、图2、表示所建立冲击弹性波激振残留信号的振动分析力学模形，以及冲击弹性波激振残留信号的振动波形。参照图3、图4、表示出图2所述的振动波形的振幅衰减特性，以及图4进一步认识消减残留自由振动的物理概念。参照图5、列举出实际的处理信号的一个实施例。在图6中表示出本发明的实验效果。参照图7、图8、表示以一个实际波形信号为例，通过将实施步骤程序实施，进而验证了本发明的效果，附图7表示含有冲击弹性波激振残留信号的测试波形，参照图8表示经本发明处理后的波形。可以看出残留信号明显的被消减。图8中可以看出，本发明有效地消减了冲击弹性波的激振残留信号，并准确识别反射信号，捕捉到反射波信号的初至时刻。其中，两个十字符号之间时间差即为反射信号的传播时间。参照图9，表示本发明一种消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法，该方法中的实施步骤流程为，首先建立冲击弹性波激振残留信号的振动分析力学模型，然后再按如下步骤实施：

步骤A.从测试得到的波形中，识别下面两个特征波形：a入射信号激振波形：正如图6中a，b残留信号的振动波形；

步骤B.从上述残留信号的振动波形中，选取相邻的两个或多个峰值，并求取其特征参数(如振幅A_i、时刻t_i)等；

步骤C.根据上述峰值的时刻t_i可求出残留信号的自振周期T_d(如式-3)；

步骤D.根据上述峰值的特征参数可回归出残留信号的振动方程(如式-4、式-5、式-6)；

步骤E.从测试的信号中减去上述步骤D中推算出的残留信号(如式-7)，得到一次处理信号，从理论上即可消除残留振动的影响；由于推算出的激振残留信号与实际的激振残留信号之间会有一定的区别，因此一次处理信号中会有相应的高频噪声需要处理；

步骤F.通过对一次处理信号与入射的激振信号之间的相关性进行分析(如式-13)，从而提高信噪比，得到二次处理信号；

步骤G、利用二次处理信号，可以增强对反射信号的识别能力，并可自动确定反射信号的初至时刻。

本发明很好地消减了冲击弹性波的激励残留信号，并准确识别到反射波初至时刻。

Claims (1)

1.一种消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法，首先建立冲击弹性波激振残留信号的振动分析力学模型，其特征在于，按如下步骤实施：步骤A.从测试得到的波形中，识别特征波形，a入射信号激振波形、b残留信号振动波形；步骤B.从残留信号的振动波形中，选取相邻的两个或多个峰值，并求其特征参数；步骤C.根据上述峰值的时刻t_i可求出残留信号的自振周期T_d；步骤D.根据上述峰值的特征参数回归出残留信号的振动方程；步骤E.从测试的信号中减去推算出的残留信号，得到一次处理信号；步骤F.对一次处理信号与入射的激振信号之间的相关性进行分析，得到二次处理信号；步骤G.利用二次处理信号，增强对反射信号的识别能力，自动确定反射信号的初至时刻。

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