武山銅礦采場(chǎng)頂板爆破震動(dòng)信號(hào)去噪方法的選取*

徐 輝，劉江超，高 祥，馮 銳，王亮亮

(江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州市 341000)

武山銅礦采場(chǎng)頂板爆破震動(dòng)信號(hào)去噪方法的選取*

徐 輝，劉江超，高 祥，馮 銳，王亮亮

(江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州市 341000)

為了研究武山銅礦采場(chǎng)頂板爆破震動(dòng)效應(yīng)，需要選擇精確的去噪方法來(lái)獲得精確的處理結(jié)果，針對(duì)這一問(wèn)題，用EMD法和小波閥值法對(duì)收集的含噪爆破震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪分析處理，運(yùn)用信噪比(SNR)法和均方根誤差(RMSE)法對(duì)處理所得結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，從而獲取較準(zhǔn)確的信號(hào)去噪方法，為后續(xù)研究提供合適的處理方法，結(jié)果表明：小波閥值法去噪結(jié)果誤差值和信噪比分別為0.0231，0.6078；EMD去噪法結(jié)果誤差值和信噪比分別為0.0535，0.491，小波閥值法要優(yōu)于EMD去噪法。

爆破震動(dòng)；EMD法；小波閥值法；信號(hào)去噪；質(zhì)量評(píng)估

在爆破工程過(guò)程中容易產(chǎn)生爆破危害，而在諸多的爆破危害中震動(dòng)效應(yīng)是主要危害之一[1]。對(duì)爆破震動(dòng)效應(yīng)的研究，其有效辦法之一便是對(duì)巖石爆破震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，因此相關(guān)方向受到專家的持續(xù)關(guān)注。徐學(xué)勇等[2]通過(guò)對(duì)比小波分析與傅里葉分析得出小波分析要優(yōu)于傅里葉分析，楊漢軍等[3]通過(guò)利用SSNF法、小波包分解法與小波變換系數(shù)閥值收縮法來(lái)去噪，并進(jìn)行比較得出小波變換系數(shù)閥值最優(yōu)，孫新建等[4]比較EEMD和EMD得出EEMD具有優(yōu)勢(shì)。EMD法和小波閥值法依靠其良好的多分辨特性和自適性，因而應(yīng)用較為廣泛。

參考相關(guān)研究人員的成果[5￣15]，針對(duì)武山銅礦爆破震動(dòng)情況，利用信噪比(SNR)和均方根誤差(RMSE)與MATLAB軟件相結(jié)合，分別對(duì)EMD和小波閥值法兩種方法去噪前后的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，由此來(lái)選取效果更加明顯的去噪方法。

1 爆破震動(dòng)效應(yīng)實(shí)測(cè)

1.1 BlastmatⅢ測(cè)振儀

BlastmatⅢ型監(jiān)測(cè)儀由加拿大 Instantel公司生產(chǎn),主機(jī)包括自帶固化程序的微型電腦、熱敏打印機(jī)、充電蓄電池3部分，輔體則包括三維測(cè)振傳感器(拾震器)與噪聲測(cè)試麥克風(fēng)兩部分。用該監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行測(cè)震時(shí)，只需分別將拾震器與噪聲測(cè)試麥克風(fēng)插進(jìn)主機(jī)對(duì)應(yīng)的插孔，便可組成完整的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)震研究時(shí) BlastmateⅢ型監(jiān)測(cè)儀所選取的性能參數(shù)包括以下9點(diǎn)：自動(dòng)觸發(fā)、觸發(fā)水平 1～3 mm/s、連續(xù)監(jiān)測(cè)、1024或 2048標(biāo)準(zhǔn)采樣率、通頻帶 2～300 Hz、速度誤差 <0.1 mm /s、加速度誤差 < 0.0098 m/s2、位移誤差 < 0.001 mm、單個(gè)事件的記錄時(shí)間 5～7 s。

1.2 拾震器的安裝

測(cè)震前，首先在充填體頂板選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后在測(cè)點(diǎn)處鉆入深20 m 的鉆孔,并將長(zhǎng) 30 m、直徑 10 m的螺栓插進(jìn)鉆孔，再在鉆孔附近澆筑速凝水泥將其膠結(jié)；其次把拾振器插入螺栓中，注意拾震器箭頭要指向爆源，再用螺母將其固定 ；最后照就近原則把監(jiān)測(cè)儀綁在最近的木支柱上。在儀器的安裝過(guò)程中要保證拾振器是水平安放的，如若不然，將會(huì)影響所測(cè)試結(jié)果的精度。另外，為了可以相互比較采場(chǎng)頂板和底板的震動(dòng)效應(yīng)，在頂板和底板某個(gè)相距爆源中心水平距離相等點(diǎn)同時(shí)安置了拾震器。

1.3 測(cè)試情況及數(shù)據(jù)

本次共起爆22個(gè)炮孔，爆破總藥量為13.95 kg，共分成7段起爆，單段最大炸藥量為2.7 kg，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。本文研究?jī)?nèi)容為爆破震動(dòng)信號(hào)的去噪，因此選取其中一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2 MATLAB實(shí)例仿真

爆破震動(dòng)信號(hào)來(lái)源于武山銅礦，本次試驗(yàn)采用Minimate Blaster型爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，在信號(hào)收集過(guò)程中需要特別注意的是在測(cè)震的過(guò)程中要嚴(yán)格參照儀器使用說(shuō)明安裝儀器，盡可能減少周圍人員的走動(dòng)和其他礦山設(shè)備的干擾，將外部條件的干擾降低到最大限度，信號(hào)采集后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Math Work公司開(kāi)發(fā)的MATLAB軟件中進(jìn)行分析處理，獲得現(xiàn)場(chǎng)爆破過(guò)程中收集的震動(dòng)原始信號(hào)(見(jiàn)圖2)。

表1 爆破測(cè)振儀測(cè)試結(jié)果

圖1 測(cè)點(diǎn)布置平面圖

圖2 原始震動(dòng)信號(hào)

2.1 EMD法去噪實(shí)例

通過(guò)分解原始信號(hào)，獲得如圖3所示的12個(gè)IMF分量，從圖像中可以看出C1～C12頻率逐步遞減，波長(zhǎng)逐步增加，其中大部分都含有明確的物理意義，通過(guò)對(duì)比可以明確得到C2中信號(hào)頻率最高，結(jié)合圖4展示的能量和頻率的關(guān)系，可知信號(hào)能量主要集中在低頻，所以C2的能量所占總能量的比值最小，屬于爆破震動(dòng)信號(hào)中的噪聲，是去噪的對(duì)象。剩余的C1、C3～C12則是此次爆破震動(dòng)信號(hào)的真實(shí)數(shù)據(jù)，用MATLAB軟件對(duì)這11個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程重構(gòu)，即可獲得如圖5所示的去噪后的純凈有用信號(hào)。

圖3 IMF(模態(tài)函數(shù)分量)

2.2 小波閥值去噪實(shí)例

小波閥值法去噪最重要的就是在對(duì)信號(hào)處理前先要確定合適的小波基和閥值，選擇的好壞直接影響到處理結(jié)果的成敗。小波基大致分為8種，分別是：Haar小波、Daubechies(dbN)小波系、biorthogonal(bioNr.Nd)小波系、coiflet(coifN)小波系、Symlets(symN)小波系、Morlet小波、墨西哥草帽小波、Meyer小波。在選取時(shí)要對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，再結(jié)合礦山實(shí)際條件，分析巖石和信號(hào)的特殊性，選擇出最佳小波基[16-17]，參考相關(guān)文獻(xiàn)，本次去噪選用sym5小波基較合適。至于閥值如何選取，和小波基的選取一樣，由于軟閥值處理的結(jié)果相較硬閥值處理的結(jié)果光滑性更好，所以考慮從軟閥值中選擇，分別對(duì)heursure、rigrsure、sqtuolog、minimaxi 4種軟閥值函數(shù)做比較，在比較優(yōu)缺點(diǎn)的同時(shí)考慮實(shí)際情況，并結(jié)合前人的研究和各個(gè)軟閥值處理信號(hào)的特點(diǎn)，從其中確定了sqtuolog閾值函數(shù)對(duì)信號(hào)處理最合適[18]。最后通過(guò)對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)施行小波閥值處理，便可獲得如圖6所示的去噪后的純凈有用信號(hào)。

圖6 小波閥值去噪后的爆破震動(dòng)信號(hào)

2.3 結(jié)果對(duì)比

對(duì)比圖5和圖6，可以看到在1.5 s內(nèi)震動(dòng)速度變化最為明顯，不僅最大震動(dòng)速度不同，而且某些對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)震動(dòng)速度都有差別，同樣的一組信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)去噪處理后產(chǎn)生的純凈信號(hào)都有如此大的差別，這就要求人們對(duì)這兩種計(jì)算手段進(jìn)行判斷甄別，從中選擇出一種去噪方法可以在最大限度的保留原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上使誤差更小，對(duì)信號(hào)造成的影響和破壞最小，因此還需要對(duì)兩種去噪結(jié)果進(jìn)行必要的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

3 去噪效果評(píng)價(jià)

3.1 RMSE(均方根誤差)量化評(píng)價(jià)

RMSE(均方根誤差)又叫標(biāo)準(zhǔn)誤差，是一種比較傳統(tǒng)的去噪信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，它包含的意義并不代表測(cè)量信號(hào)的真實(shí)誤差和所在的誤差范圍，只是對(duì)所測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行衡量，是信號(hào)數(shù)據(jù)精確度的參數(shù)，所以標(biāo)準(zhǔn)誤差越小，說(shuō)明測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性越大，相反，則可靠性越小。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差的定義，它的平方(f(k)-f(0))2的分布期望[19]如下式所示：

在礦山實(shí)際的生產(chǎn)爆破中，k值(即信號(hào)的長(zhǎng)度)是不可能取無(wú)限大的，從而導(dǎo)致真實(shí)的震動(dòng)信號(hào)只能用最佳的數(shù)據(jù)表示，所以只能取它的近似值，用含躁信號(hào)與去噪后純凈信號(hào)方差再開(kāi)平方[20]，計(jì)算得到的一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)值越小，則證明去噪的效果越顯著。這種算法依據(jù)的原理，如下式所示：

表2 均方根誤差值

3.2 SNR(信噪比)量化評(píng)價(jià)

SNR所指的是檢測(cè)信號(hào)中有用信號(hào)和噪聲信號(hào)的比值，其定義可用下式表示：

式中，x(t)為原始信號(hào)；x(t)'為去噪后的純凈信號(hào)。計(jì)算值見(jiàn)表3。

表3 信噪比計(jì)算值

量化評(píng)價(jià)結(jié)果可知：小波閥值法均方根誤差更小，并且信噪比更高，顯然其去噪效果更顯著。根據(jù)以上描述，小波閥值法去噪誤差小于EMD法去噪誤差，去噪效果也要更好，所以對(duì)本礦山的信號(hào)去噪處理選取小波閥值去噪法。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD分解，獲得12個(gè)IMF分量，其中C12頻率最高而且頻率沿時(shí)間軸基本不發(fā)生衰減，但是其包含的能量占總能量的比值最小，屬于需要去除的噪聲。

(2) 用EMD法對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪處理后所得純凈信號(hào)，與用小波閥值法(sym5小波基和sqtuolog閾值函數(shù))對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪處理后所得純凈信號(hào)之間具有較大差異。

(3)RMSE(均方根誤差)法對(duì)EMD法和小波閥值法的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算處理，得出誤差值分別為0.0535和0.0231；SNR(信噪比)計(jì)算值為0.491和0.6078，所以小波閥值法的誤差更小，能夠?yàn)楹罄m(xù)研究提供更加精確的數(shù)據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：徐 輝(1991-)，男，江西修水縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ瘫萍夹g(shù)與理論，Email:598767464@qq.com。

吳衛(wèi)強(qiáng)(1989-)，男，江西上饒人，碩士研究生，主要從事采礦工程、爆破工程等方面的研究，Email：465719156@qq.com。

江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(YC2014-S352).

2016￣11￣18)