爆破振动信号分析技术研究

爆破振动信号分析技术研究
由于爆破振动信号具有短时非平稳的特点，传统的傅里叶变换不能满足爆破振动信号的研究，现已出现了很多信号分析方法。

本文结合现代爆破振动信号分析常用的傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换、HHT变换的原理分析了各种方法的优缺点，并简述爆破振动分析技术的研究现状。

标签：爆破振动信号；傅里叶变换；技术
1 引言
现代爆破技术越来越广泛地应用于矿山、水利、交通、隧道开挖等工程。

在完成岩石爆破破碎的同时，必会伴生爆破飞石、地震波、噪音、粉尘等爆破公害。

爆破地震波对周围建筑物的影响即爆破地震效应产生的破坏作用可谓爆破公害之首，爆破振动危害控制一直是国内外爆破安全技术的重要研究课题。

爆破振动信号的分析技术又是研究爆破振动控制的基础和前提。

对实测的爆破地震波采用各种数字信号处理技术进行分析和处理，提取信号的时频特征，一直是爆破振动信号分析的主要研究方向之一。

爆破地震波作为一种由爆炸应力波转换而来的、在岩土介质中传播的能量逐渐衰减的扰动，所产生的振动信号具有短时、突变快等特点，是一种典型的非平稳随即信号[1]。

基于平稳信号理论的傅里叶变换在爆破振动信号分析中存在极大的局限性，目前已出现了很多信号分析方法。

本文将简单介绍现代爆破振动信号分析中常用的傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换以及HHT 变换在爆破振动信号处理中的应用，并从时频局部化和分辨率等方面较为详细地阐述各种方法的优缺点。

2 傅里叶变换（FT）
FT具有良好的频域分辨率，基函数易于分解，且计算方便，同时由于库利和图基开创了快速算法，使其在爆破振动信号分析中的得到了广泛地应用。

宋熙太[2]通过FT对大型洞室爆破实验进行分析，指出爆破远区爆破振动波的各种成分可在时空上彼此分离；并认为远区波谱地震波的传播是一线性过程。

E D Siskind论述了频谱成分和响应谱在采矿爆破振动中的应用。

张奇等通过FT指出爆破地震波频谱特性与测点距离、传播路径、装药量等有一定的相关性。

但FT有以下不足：FT中的傅里叶系数都是常数，不随时间变化，因而只能处理频谱成分不变的平稳信号，不能适用于非平稳信号；它是全时间域上的加权平均，反映的是整个信号全部时间下的整体频域特征，不能提供任何局部时间段上的频率信息，即存在时频域的局部化的局限性。

基于以上不足，可以对FT进行改进：（1）将变换系数视为随时间变化的，级数求和由一重变为两重；（2）使用能反映局部信号的变换。

这就是以后的短时
傅里叶变换和小波变换等的思想来源。

3 短时傅里叶变换（STFT）
马瑞恒和钱汉明等利用STFT讨论了时频分布在爆破振动信号处理中的应用。

STFT中只要基本窗函数g（t）确定，则时频分辨率也就固定了，即STFT 实质上是具有单一分辨率的分析。

而要改变分辨率，只能重新选择窗函数。

但根据Heisenberg测不准原理，时间分辨率和频率分辨率不能同时任意小。

因此STFT 中要取得较高的时间分辨率就要牺牲频率分辨率，反之亦然。

而对于爆破振动信号这样的非平稳信号，在信号变换剧烈时，必然含有迅速变化的高频分量，这就要求较高的时间分辨率，而在变化平缓时刻，则要求较高的频率分辨率。

STFT 不能兼顾两者。

这使得其在分析爆破振动信号时受到很大的限制。

4 小波变换（WT）
WT能提供一种“自适应变化”的时频窗结构，即窗口面积不变但时窗和频窗都可变的时频局部化分析方法。

WT具有多分辨率特性，通过适当地选择基本小波，可以使WT在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，且能在时域和频域内同时得到较高的分辨率。

利用WT对爆破振动信号进行分析已引起了众多研究学者的关注。

何军首先将小波分析理论应用到了爆破振动信号分析中。

赵明阶应用WT-FT对爆破振动信号进行时频域分析，从爆破振动信号中分离出真实的振动信号，并对其频率特征进行精心分析。

凌同华、李夕兵运用WT模极大值和时能密度法识别微差爆破中的实际延迟时间。

5 小波包变换（WPT）
WPT在爆破振动信号分析上应用极为广泛，宋光明采用WPT对不同矿山中的深孔爆破数据进行分析，得出了不同的爆破条件、传播介质、爆心距等对爆破振动信号的时频特征的影响。

娄建武运用WPT对爆破地震波测试信号特征量提取，分析了爆破地震波不同频帶下小波包系数的衰减规律，建立了基于不同频带小波包系数的爆破地震波预报模型。

中国生利用WPT分析实测爆破振动数据，建立了能考虑爆破振动强度、频率和齿数时间及受控建筑物本身的动态响应特性等因素综合的安全判据。

WT及WPT是目前分析爆破振动信号的最有效方法之一。

但WT和WPT 本质上是一种窗口可调的FT，其窗内的信号必须是平稳的；小波基的有限长会造成信号能量的泄漏，使信号的能量-频率-时间分布很难定量给出；小波基函数的选择具有多样性，不同的小波基分析同一问题会产生不同的结果。

6 希尔伯特-黄变换（HHT）
HHT是1998年由美国宇航局美籍华人Huang等提出的。

HHT由EMD（经验模态分解）法和Hilbert变换两部分组成，核心是EMD。

HHT变换从本质上讲是对一个信号进行平稳化处理，即将时间信号经过EMD分解，使真实存在的不同尺度的波动或趋势逐级分解出来，产生一系列具有不同特征尺度的系列（IMF，本征模态系数），然后对每个IMF进行Hilbert变换，从而进一步得到该信号的Hilbert谱、时频能量谱等。

HHT是近些年提出的适合处理平稳信号和非平稳信号的有效方法，是对以FT为基础的信号处理方法的一大突破。

HHT较之以前的信号处理方法具有诸多优点：它较依赖于先验函数基的FT及WT等更适合于处理非平稳信号，是一种自适应的时频局部化分析方法，没有固定的先验基底；它能精确地做出时间-频率图；它引入了瞬时频率的概念，定义为相位函数的导数，不需要整个波来定义局部频率，因而可以实现在低频信号中辨别出奇异信号，较WT有了明显的进步；第一次给出了IMF的定义，指出IMF的幅度允许改变，突破了传统的将幅度不变的简谐信号定义为基底的局限，使信号分析更加灵活。

国内的一些学者已将HHT引入到了爆破振动信号分析当中，张义平和李夕兵介绍了HHT的原理，并用HHT对爆破振动信号进行滤波、消噪、时频分析等分析处理，并与WT进行对比研究，发现HHT法在分析爆破振动信号时较WT更具有适应性。

陆凡东在分析石方爆破噪声产生机理的基础上，利用HHT分析了有关爆破噪声记录，探讨了石方爆破噪声的时频特性。

HHT比FT、WT等在处理爆破振动信号方面有了很大的改进与提高，但由于其提出的时间不长，在许多方面还存在问题：如何解决包络线不完全包络和因三次样条插值引起的过冲和欠冲；如何减少分解中由于端点摆动而引起的污染；如何保证EMD分解效果的唯一性和分解收敛标准的取值问题；以及如何解决其在高频区频率分辨率不高，低频区出现不合理频率成分的问题等。

7 结论与展望
本文对FT、STFT、WT、WPT和HHT的原理进行了简略介绍，并对几种方法的优缺点进行了比较，并对其在爆破振动中的应用研究进行了概述。

可以发现随着信号分析技术的不断发展，采用先进的信号分析技术可以得到比以往更准确、详尽的信息数据，对爆破振动信号和震动效应的认识也更加深刻，从而可以建立更加准确的爆破震动效应的安全判据。

现代爆破信号分析处理技术对爆破震动效应的研究取得了一定的成果，但尚有许多问题需要进一步的研究：
（1）由于测量仪器和测量手段的限制，目前实测的爆破振动数据都是爆源中远区的数据。

因此可以研制更先进的工具以获取爆源近区的振动数据，开展爆源近区地震波的传播规律研究。

对爆破安全技术的发展和改善爆破效果具有重要的意义。

（2）实测的爆破振动信号由于测量仪器和周围环境的干扰，需要进行消噪处理，但现在的消噪技术都不能有效地去除所有噪声同时保证不丢失有用成分。

因此可对信号检测和滤波消噪技术进一步改进，提高实测信号的精确度。

（3）现在应用信号分析处理技术研究爆心距、单段装药量等因素对爆破振动的影响都是定性分析，没有有关的具体参数形成一个综合考虑各种影响因素的安全判据表达式。

确定统一判据的有关具体参数、爆破振动破坏新标准的建立有待以后更深入的研究和大量的实测资料的检验。

参考文献
[1]Worsey P，Rupert G. Vibration monitoring and control of blasting associated with the construction of a highway next to a show care[C]. International Society of Explosive Engineers，Proceedings of the Twenty-third Annual Conference on Explosives and Blasting Technique. Las. Vegas，Nevada，1997：111～120.
[2]宋熙太，任建民.爆炸波分析及波譜[J].爆炸与冲击，1982，2（4）：32～42.
作者简介：祝新星（1988，9-），男，籍贯：山东省曲阜市，现职称：助理工程师，学历：硕士，研究方向：主要从事爆破振动控制及岩石动力学。