CN111948704A - 一种近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法。所述近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法包括以下步骤:S1:基于小波包和傅里叶变换建立组合滤波模型;S2:建立基于近区地运动信号的地下爆炸效果的评估算法;S3:通过实验对所述评估算法进行分析和验证本发明提供的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,提出基于小波包和傅里叶变换的组合滤波模型,设计了一种利用近区地运动信号来评估爆炸地震效应的算法,其处理结果与地震结果误差精度在5%以内;解决了直接采用地运动信号来评估爆炸地震效应的难题,提高了试验测试数据的利用率,为地下爆炸监测与防护评估提供了一种新的途径,具有重要的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及爆炸监测技术技术领域,尤其涉及一种近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法。
背景技术
地下爆炸能瞬间释放出极大的能量,并在爆室周围的岩土介质中产生一个向四周传播的冲击波,当其强度迅速衰减到不足以使硬岩介质产生塑性变形时,便以地震波的形式向外传播。由于大地对地震波高频成分的吸收,百公里外的地震P波卓越频率约在几十Hz以下,因此,在地震监测中,经常通过对比百公里外同一地震台站的地震波频谱比值来评价地下爆炸的地震效应。地运动通常指地下爆炸引起的地表面运动,试验近区地运动参数测量是爆炸试验测试工作的重要环节,利用多量程多频段传感器获取的大量地运动数据,包含了丰富的爆炸信息。然而,由于近区地运动信号噪声成分的干扰,难以直接适用于爆炸效果的评估,且试验获取的大量地运动数据缺少充分的挖掘,未能给工程决策提供更加丰富、有效的技术支持。
因此,有必要提供一种新的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法解决上述技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种监测精度高的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法。
为解决上述技术问题,本发明提供的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法包括以下步骤:
S1:基于小波包和傅里叶变换建立组合滤波模型;
S2:建立基于近区地运动信号的地下爆炸效果的评估算法;
S3:通过实验对所述评估算法进行分析和验证。
优选的,所述步骤S1中基于小波包和傅里叶变换建立组合滤波模型包括以下步骤:
S101:小波包去噪:小波包分析能对信号中的低、高频成分均进行多层次划分,并自适应的匹配信号频谱,具有很好的时-频分辨率;
S102:建立组合滤波模型:首先采用小波包去噪方法滤去地运动信号中的噪声,再利用傅里叶分析提炼出相关有效频谱信息。
优选的,所述步骤S2中的所述评估算法包括以下步骤:
S201:信号转换系数计算;
S202:小波包去噪;
S203:FFT和频谱比值计算;
S204:异常值处理。
优选的,所述步骤S201中信号转换系数计算的具体步骤为:通过地运动传感器(速度、加速度)采集得到的电信号乘以一定的放大系数转化成速度或加速度信号,放大系数的计算与传感器的量程参数有关。
优选的,所述步骤S202中小波包去噪的具体步骤为:选用去噪效果良好的db3小波包基,采取四阶小波包分解,选择Shannon熵标准来计算最优分解树,并选定阈值进行软阈值去噪。
优选的,所述步骤S203中FFT和频谱比值计算的具体步骤为:对于同一测点的地运动信号进行傅里叶分析时,需要保持分析时长、信号起点的一致,并对齐波形的峰值;有效频段的范围与远区地震的频段范围保持一致(30Hz以内),最低有效频率根据采样定理,由采样时长决定。
优选的,所述步骤S204中异常值处理的具体步骤为:对各个测点获取的谱比值数据进行正态分布检验,结果基本服从正态分布,采用莱因达准则进行谱比值结果的异常值处理。
优选的,所述步骤S3中通过实验对所述评估算法进行分析和验证的具体步骤如下:
S301:在距爆心百米范围内布置N个地运动信号测点,分别安装加速度传感器和速度传感器。其中,在测量加速度信号时,各测点放置两个加速度计,用于测量竖直和水平方向的信号;同样,在相同的位置布设速度传感器;
S302:按照所述评估算法步骤,对不同爆炸方式试验获取的近区地运动信号进行处理,试验代号用K表示;
S303:进一步验证算法的效果,对近区地运动谱比值结果和地震频谱比值结果做了比较,并对比了时域峰值比值。
与相关技术相比较,本发明提供的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法具有如下有益效果:
本发明提供一种近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,提出基于小波包和傅里叶变换的组合滤波模型,设计了一种利用近区地运动信号来评估爆炸地震效应的算法,其处理结果与地震结果误差精度在5%以内;该方法解决了直接采用地运动信号来评估爆炸地震效应的难题,提高了试验测试数据的利用率,为地下爆炸监测与防护评估提供了一种新的途径,具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法的组合滤波模型原理框图;
图2为部分实验正态分布检验结果图;
图3为对比试验K7/K19的加速度谱比值结果图;
图4为对比试验K7/K19的速度谱比值结果图;
图5为比值结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1-图5,近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法包括以下步骤:
S1:基于小波包和傅里叶变换建立组合滤波模型;
S2:建立基于近区地运动信号的地下爆炸效果的评估算法;
S3:通过实验对所述评估算法进行分析和验证。
所述步骤S1中基于小波包和傅里叶变换建立组合滤波模型包括以下步骤:
S101:小波包去噪:小波包分析能对信号中的低、高频成分均进行多层次划分,并自适应的匹配信号频谱,具有很好的时-频分辨率;小波包基的选择很大程度上影响了信号的去噪效果;
S102:建立组合滤波模型:傅里叶变换能实现信号的时域和频域的特征关联,具有良好的频域分析能力,但时-频分辨率差,对于傅里叶谱中的某一频率,并不能确定该频率发生的时刻;此外,针对地下爆炸近区地运动信号这类对低频精度要求较高的信号,由于噪声成分的干扰,容易造成有效成分频谱的失真,从而影响对爆炸地震效应的评估;考虑到上述问题,本文利用小波包去噪能同时处理高、低频信号的优点,提出一种组合滤波模型;首先采用小波包去噪方法滤去地运动信号中的噪声,再利用傅里叶分析提炼出相关有效频谱信息,模型原理框图如图1所示。
所述步骤S2中的地下爆炸释放的能量以地震波的形式向外传播出去,由于大地对高频地震波的吸收,百公里至几千公里外的地震信号有效频率集中在几赫兹至几十赫兹;通过监测对比百公里外同一地震台站的地震波频谱比值,可以有效的评估不同措施下地下爆炸试验的爆炸效果;而爆炸近区地运动信号噪声干扰严重,直接进行时域幅值的比较所得结果与地震频谱比值结果关联性较差;基于提出的组合滤波模型,利用近区地运动信号进行地下爆炸效果评估的算法可归纳如下:
S201:信号转换系数计算;
S202:小波包去噪;
S203:FFT和频谱比值计算;
S204:异常值处理。
所述步骤S201中信号转换系数计算的具体步骤为:通过地运动传感器(速度、加速度)采集得到的电信号乘以一定的放大系数转化成速度或加速度信号,放大系数的计算与传感器的量程参数有关。
所述步骤S202中小波包去噪的具体步骤为:选用去噪效果良好的db3小波包基,采取四阶小波包分解,选择Shannon熵标准来计算最优分解树,并选定阈值进行软阈值去噪。
所述步骤S203中FFT和频谱比值计算的具体步骤为:对于同一测点的地运动信号进行傅里叶分析时,需要保持分析时长、信号起点的一致,并对齐波形的峰值;有效频段的范围与远区地震的频段范围保持一致(30Hz以内),最低有效频率根据采样定理,由采样时长决定。
所述步骤S204中异常值处理的具体步骤为:对各个测点获取的谱比值数据进行正态分布检验,结果基本服从正态分布,采用莱因达准则进行谱比值结果的异常值处理,检验结果见图2。
所述步骤S3中通过实验对所述评估算法进行分析和验证的具体步骤如下:
S301:在距爆心百米范围内布置3个地运动信号测点,分别安装加速度传感器和速度传感器;其中,在测量加速度信号时,各测点放置两个加速度计,用于测量竖直和水平方向的信号;同样,在相同的位置布设磁电式速度传感器,频响:0.5~200Hz,测速范围:<24cm/s,灵敏度240mV/cm/s,传感器的量程和技术指标如表1所示;采用EPS-2-M6Q便携式数字地震仪测量更远地区地震信号;
表1各测点加速度传感器量程和技术指标
S302:按照所述评估算法步骤,对不同爆炸方式试验获取的近区地运动信号进行处理,试验代号用K表示;图3和图4分别表示一组典型对比试验K7/K19的加速度信号处理结果和速度信号处理结果。
S303:进一步验证算法的效果,对近区地运动谱比值结果和地震频谱比值结果做了比较,并对比了时域峰值比值,结果见表2所示。频段的选择参照算法中的步骤3,范围在30Hz以内;为更加直观的对比,对加速度和速度信号的比值结果做了平均处理,结果如图5所示。
表2部分试验加速度、速度及地震波形频谱比值(频段:~30Hz)
综合分析上述结果,可以得出:
1)在时域峰值比较法中,由于噪声的干扰,同一组对比试验的速度和加速度信号会出现比值结果相差较大的现象,并且和地震频谱比值结果关联性较差;
2)从图3和图4的结果来看,部分测点的地运动信号频谱幅值波动较大,但从平均值的结果来看,在低频段(30Hz以下)的波动相对平稳;
3)结合表2和图5中多组对比试验的结果可以看出,采用算法处理近区地运动信号所获得频谱比值结果与地震结果更为接近,误差精度在5%以内。
与相关技术相比较,本发明提供的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法具有如下有益效果:
本发明提供一种近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,提出基于小波包和傅里叶变换的组合滤波模型,设计了一种利用近区地运动信号来评估爆炸地震效应的算法,其处理结果与地震结果误差精度在5%以内;该方法解决了直接采用地运动信号来评估爆炸地震效应的难题,提高了试验测试数据的利用率,为地下爆炸监测与防护评估提供了一种新的途径,具有重要的工程应用价值。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:基于小波包和傅里叶变换建立组合滤波模型;
S2:建立基于近区地运动信号的地下爆炸效果的评估算法;
S3:通过实验对所述评估算法进行分析和验证。
2.根据权利要求1所述的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,其特征在于,所述步骤S1中基于小波包和傅里叶变换建立组合滤波模型包括以下步骤:
S101:小波包去噪:小波包分析能对信号中的低、高频成分均进行多层次划分,并自适应的匹配信号频谱,具有很好的时-频分辨率;
S102:建立组合滤波模型:首先采用小波包去噪方法滤去地运动信号中的噪声,再利用傅里叶分析提炼出相关有效频谱信息。
3.根据权利要求1所述的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,其特征在于,所述步骤S2中的所述评估算法包括以下步骤:
S201:信号转换系数计算;
S202:小波包去噪;
S203:FFT和频谱比值计算;
S204:异常值处理。
4.根据权利要求3所述的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,其特征在于,所述步骤S201中信号转换系数计算的具体步骤为:通过地运动传感器(速度、加速度)采集得到的电信号乘以一定的放大系数转化成速度或加速度信号,放大系数的计算与传感器的量程参数有关。
5.根据权利要求3所述的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,其特征在于,所述步骤S202中小波包去噪的具体步骤为:选用去噪效果良好的db3小波包基,采取四阶小波包分解,选择Shannon熵标准来计算最优分解树,并选定阈值进行软阈值去噪。
6.根据权利要求3所述的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,其特征在于,所述步骤S203中FFT和频谱比值计算的具体步骤为:对于同一测点的地运动信号进行傅里叶分析时,需要保持分析时长、信号起点的一致,并对齐波形的峰值;有效频段的范围与远区地震的频段范围保持一致(30Hz以内),最低有效频率根据采样定理,由采样时长决定。
7.根据权利要求3所述的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,其特征在于,所述步骤S204中异常值处理的具体步骤为:对各个测点获取的谱比值数据进行正态分布检验,结果基本服从正态分布,采用莱因达准则进行谱比值结果的异常值处理。
8.根据权利要求1所述的近区地运动测试信号在地下爆炸监测中的应用方法,其特征在于,所述步骤S3中通过实验对所述评估算法进行分析和验证的具体步骤如下:
S301:在距爆心百米范围内布置N个地运动信号测点,分别安装加速度传感器和速度传感器。其中,在测量加速度信号时,各测点放置两个加速度计,用于测量竖直和水平方向的信号;同样,在相同的位置布设速度传感器;
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S303:进一步验证算法的效果,对近区地运动谱比值结果和地震频谱比值结果做了比较,并对比了时域峰值比值。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201117 |