兵器科學(xué)與技術(shù)

爆破振動(dòng)波疊加數(shù)值預(yù)測(cè)方法

楊年華，張樂(lè)

摘要：目的：爆破振動(dòng)波傳播衰減受地形地質(zhì)條件影響較大，由于巖土傳播介質(zhì)特性千變?nèi)f化，難以建立理想的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，準(zhǔn)確計(jì)算爆破振動(dòng)波傳播衰減規(guī)律。目前主要通過(guò)在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)估算爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度峰值衰減規(guī)律。利用爆破振動(dòng)波疊加原理，建立仿真計(jì)算模型，獲得任意預(yù)測(cè)點(diǎn)的仿真爆破振動(dòng)波形，可預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)。原理：實(shí)測(cè)的單孔爆破振動(dòng)波形實(shí)質(zhì)包含了本地區(qū)地形地質(zhì)條件和爆破條件的信息，理論上群組炮孔爆破是由多個(gè)單孔爆破在不同時(shí)空下的疊加組合。依據(jù)地震波的傳播疊加原理，可以用單個(gè)炮孔的爆破振動(dòng)波形作為基波，按照線性疊加原理來(lái)模擬計(jì)算群組藥包爆破振動(dòng)波形。這樣既回避了建立復(fù)雜的地質(zhì)模型，也擺脫了依靠經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的假設(shè)修正。只需利用實(shí)測(cè)的單孔爆破振動(dòng)波，考慮各炮孔至預(yù)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)距離，按照實(shí)際起爆時(shí)差以及實(shí)測(cè)的波速等參數(shù)，建立爆破振動(dòng)波疊加仿真計(jì)算模型，即可計(jì)算獲得預(yù)測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)波形和各項(xiàng)參數(shù)。方法與結(jié)果：采用數(shù)碼電子雷管在德興銅礦和廣元大中壩邊坡爆破進(jìn)行了工程試驗(yàn)，具體步驟為：（1）在待爆區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行同藥量的單孔爆炸試驗(yàn)，或安排某次群孔爆破的首末炮孔作為單孔爆炸的振源，該首末炮孔與其他炮孔的延時(shí)間隔應(yīng)在200 ms以上。（2）在預(yù)測(cè)振動(dòng)點(diǎn)的測(cè)線方向設(shè)多臺(tái)測(cè)振儀采集單孔爆破振動(dòng)波形，各測(cè)點(diǎn)需在預(yù)測(cè)點(diǎn)距離范圍內(nèi)。（3）收集現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)，包括炮孔坐標(biāo)、孔深、裝藥量、爆破網(wǎng)路等。（4）利用所開(kāi)發(fā)的軟件對(duì)采集到的爆破振動(dòng)波形和參數(shù)進(jìn)行分析，選擇與預(yù)測(cè)點(diǎn)相近距離的單孔爆破振動(dòng)波為基波。（5）輸入群炮孔爆破參數(shù)和對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)延期時(shí)間，通過(guò)軟件計(jì)算得到爆破地震波的預(yù)測(cè)結(jié)果。（6）根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)爆破網(wǎng)路延期設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，使之滿足允許的爆破振動(dòng)指標(biāo)后再進(jìn)行爆破。（7）再次記錄現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)，并與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步優(yōu)化仿真計(jì)算參數(shù)，在爆破現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行2～3個(gè)循環(huán)的實(shí)測(cè)對(duì)比和計(jì)算參數(shù)優(yōu)化，振動(dòng)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相比誤差不超過(guò)10%。結(jié)論：基于實(shí)際單孔爆破振動(dòng)波的疊加計(jì)算模型預(yù)測(cè)群組爆破的振動(dòng)波形，與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)加經(jīng)驗(yàn)系數(shù)預(yù)報(bào)方法相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）爆破振動(dòng)參數(shù)的預(yù)報(bào)結(jié)果不僅局限于振動(dòng)峰值速度，而是預(yù)測(cè)全部地震波的波形，使得振動(dòng)分析評(píng)價(jià)中包含了爆破振動(dòng)的頻率和持續(xù)時(shí)間，預(yù)測(cè)結(jié)果更全面。（2）該方法在工程實(shí)際應(yīng)用中不必選用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，避免了人為因素的影響；基波包含了現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和爆破條件的信息，對(duì)于高精度延時(shí)雷管的炮孔爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。理論模型簡(jiǎn)練，實(shí)用價(jià)值更大。（3）該方法需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)點(diǎn)數(shù)量相比傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方式要少得多，預(yù)測(cè)效率和準(zhǔn)確度有顯著提高，便于在實(shí)際工程中推廣。

來(lái)源出版物：爆炸與沖擊, 2012, 32(1): 84-90

入選年份：2016

基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)

王瑞，馬艷

摘要：寬帶線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)的波達(dá)方向（DOA）估計(jì)方法在聲納、魚(yú)雷自導(dǎo)、通信和海底勘測(cè)等探測(cè)設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。目前為止這些方法都是以觀測(cè)時(shí)間等于信號(hào)時(shí)寬為前提的，此時(shí)信號(hào)的中心頻率就是信號(hào)在t＝0時(shí)刻的頻率，基于FRFT直接估計(jì)出的信號(hào)頻率直接對(duì)應(yīng)于信號(hào)的中心頻率。但在實(shí)際情況中觀測(cè)時(shí)間內(nèi)是否包含目標(biāo)回波信號(hào)、包含回波信號(hào)的長(zhǎng)度等都是未知的。對(duì)于這種脈沖LFM不完全包含于觀測(cè)時(shí)間（包含的脈沖信號(hào)時(shí)寬不等于觀測(cè)時(shí)間）的情況，由于信號(hào)中心頻率不再對(duì)應(yīng)于t＝0時(shí)刻的中心頻率，因此基于FRFT方法估計(jì)的中心頻率將有一定的誤差，從而給方位估計(jì)帶來(lái)較大的偏差。針對(duì)雷達(dá)、聲納和魚(yú)雷自導(dǎo)中觀測(cè)時(shí)間與信號(hào)時(shí)寬不相等的LFM脈沖信號(hào)導(dǎo)致對(duì)寬帶LFM信號(hào)DOA估計(jì)誤差偏大的問(wèn)題，提出了一種新的基于FRFT的中心頻率估計(jì)方法，并據(jù)此對(duì)基于FRFT的MUSIC算法的波達(dá)方向（DOA）估計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。鑒于FRFT對(duì)LFM信號(hào)良好的能量聚焦性能，在分?jǐn)?shù)階傅里葉域構(gòu)造相關(guān)矩陣和陣列流行向量，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)寬帶LFM的DOA估計(jì)。通過(guò)對(duì)分?jǐn)?shù)階傅里葉域的MUSIC算法的研究發(fā)現(xiàn)LFM分?jǐn)?shù)階傅里葉域的陣列流行向量與信號(hào)的中心頻率有關(guān)，對(duì)于觀測(cè)時(shí)間不等于信號(hào)時(shí)寬的脈沖信號(hào)，由于信號(hào)成分不完全包含于觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，因此信號(hào)經(jīng)過(guò)FRFT后估計(jì)得到的頻率不再是脈沖信號(hào)的中心頻率，而是對(duì)應(yīng)于t＝0時(shí)刻的頻率，這就給傳統(tǒng)的基于FRFT的MUSIC算法帶來(lái)估計(jì)上的誤差。為此文中提出了一種針對(duì)脈沖LFM的FRFT的基于MUSIC算法，對(duì)估計(jì)的中心頻率進(jìn)行修正，重新構(gòu)造分?jǐn)?shù)階域的方向向量。當(dāng)信號(hào)的起點(diǎn)和觀測(cè)時(shí)間的起點(diǎn)相同時(shí)，信號(hào)的中心頻率正好是t＝0時(shí)刻點(diǎn)的信號(hào)頻率，但是當(dāng)LFM脈沖信號(hào)沿t軸平移后（信號(hào)不完全包含于觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的情況），在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的時(shí)寬有所變化，所以此時(shí)信號(hào)的中心頻率與經(jīng)過(guò)FRFT后估計(jì)的信號(hào)頻率不再相等。因此本文對(duì)分?jǐn)?shù)階傅里葉域的陣列流行向量進(jìn)行了修正，得到了修正后的方向向量，從而FRFT的MUSIC算法的波達(dá)方向（DOA）估計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。數(shù)值仿真驗(yàn)證了該算法對(duì)方位估計(jì)的有效性，并仿真分析信噪比（SNR）和脈沖信號(hào)時(shí)間寬度對(duì)方位估計(jì)結(jié)果的影響。在延遲較小時(shí)，盡管未修正的傳統(tǒng)FRFT估計(jì)DOA算法的估計(jì)結(jié)果的方差與修正后估計(jì)的方差相差無(wú)幾，但是估計(jì)的均值和實(shí)際的入射角有較大差異。當(dāng)延遲較大時(shí)，未修正的算法不僅估計(jì)的均值偏差較大，而且方差也隨之增大許多，但是修正后的估計(jì)均值與理論值相差無(wú)幾，方差增大了。這是由于隨著觀測(cè)時(shí)間中包含的信號(hào)脈寬的減少，F(xiàn)RFT域的信噪比下降。因此，可以表明修正后的算法較傳統(tǒng)的基于FRFT的MUSIC算法提高了對(duì)脈沖信號(hào)中心頻率估計(jì)準(zhǔn)確性、提高了DOA估計(jì)的準(zhǔn)確性，并且在脈沖信號(hào)寬度特別小時(shí)，也能夠準(zhǔn)確估計(jì)DOA，而且方差較小。該方法擴(kuò)大了用FRFT處理寬帶LFM信號(hào)的適用范圍。在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，該方法對(duì)各頻率單元波束輸出結(jié)果進(jìn)行了特征信息分析，提取到了不同頻率單元波束輸出結(jié)果所具有的不同特征信息，然后對(duì)各頻率單元波束輸出結(jié)果進(jìn)行了信息融合，綜合了寬帶能量累積和FFT分析對(duì)目標(biāo)檢測(cè)所具有的優(yōu)勢(shì)，即在目標(biāo)輻射信號(hào)不具有強(qiáng)線譜情況下，該方法具有寬帶能量累積的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，在目標(biāo)輻射信號(hào)具有強(qiáng)線譜情況下，該方法具有FFT分析的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而克服了寬帶能量累積和FFT分析對(duì)另一情況下存在的檢測(cè)性能不足，且避免了FFT分析需要對(duì)每一個(gè)頻率單元的結(jié)果進(jìn)行循環(huán)分析判斷以及四維顯示的麻煩。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了，在目標(biāo)輻射信號(hào)具有強(qiáng)線譜情況下，該方法的檢測(cè)性能與頻率已知時(shí)的檢測(cè)性能一致，遠(yuǎn)高于寬帶能量累積的檢測(cè)性能。該方法利用陣列信號(hào)處理方法對(duì)目標(biāo)輻射信號(hào)所含有的特征信息進(jìn)行了分析與融合，突破了傳統(tǒng)檢測(cè)方法采用單一方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)所存在的弊端，為遠(yuǎn)程目標(biāo)檢測(cè)提供了一個(gè)新的思路和途徑。

來(lái)源出版物：兵工學(xué)報(bào), 2014, 35(3): 421-427

入選年份：2016

水下聲信號(hào)未知頻率的目標(biāo)檢測(cè)方法研究

陳新華，鮑習(xí)中，李啟虎，等

摘要：在傳統(tǒng)寬帶檢測(cè)體制下，能量檢測(cè)器常被作為最佳檢測(cè)器用于高斯噪聲背景下高斯信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè)。理論和實(shí)驗(yàn)證明，水下目標(biāo)輻射信號(hào)含有豐富的單頻分量，通常線譜譜級(jí)比連續(xù)譜譜級(jí)要高出10～25 dB。在小信噪比下，基于寬帶能量累積的常規(guī)被動(dòng)聲納檢測(cè)技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足遠(yuǎn)程探測(cè)的需要。在高斯噪聲背景下，研究有別于寬帶能量累積的目標(biāo)檢測(cè)方法，利用目標(biāo)輻射信號(hào)中的線譜成份所包含的特征信息實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)的檢測(cè)，將為遠(yuǎn)程目標(biāo)檢測(cè)提供一種新的途徑。目前，針對(duì)具有線譜情況的水下目標(biāo)檢測(cè)，一般使用FFT分析，但通常情況下目標(biāo)輻射信號(hào)中的線譜位置是未知的，即目標(biāo)輻射信號(hào)的線譜頻率大小未知，因此為了利用最大輸入信噪比檢測(cè)信號(hào)，需要對(duì)分析頻帶內(nèi)的每個(gè)頻率單元進(jìn)行處理，每一個(gè)頻率單元對(duì)應(yīng)一個(gè)波束輸出，需要對(duì)每一個(gè)頻率單元的結(jié)果進(jìn)行循環(huán)分析判斷才能得到對(duì)目標(biāo)的正確檢測(cè)，存在四維顯示的難點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中是不可取的。針對(duì)頻率未知情況下的水下目標(biāo)檢測(cè)，如何使檢測(cè)結(jié)果輸出簡(jiǎn)便，而且利用較高的輸入信噪比和獲得足夠大的處理增益，提出了一種基于方位穩(wěn)定性的目標(biāo)檢測(cè)方法。當(dāng)線譜信噪比足夠大使得該線譜能夠穩(wěn)定檢測(cè)目標(biāo)，且在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)方位變化較慢時(shí)，該方法首先對(duì)接收的基元信號(hào)進(jìn)行FFT分析和相位補(bǔ)償，對(duì)每一個(gè)頻率單元進(jìn)行波束形成，得到各頻率單元的波束輸出結(jié)果；其次對(duì)各頻率單元的波束輸出結(jié)果求最大值，該值所在位置即為對(duì)應(yīng)著該頻率單元的DOA估計(jì)值；然后對(duì)上述信號(hào)處理過(guò)程重復(fù)N次，即連續(xù)處理N幀信號(hào)后再分別計(jì)算每個(gè)頻率單元的DOA方差；最后對(duì)每一個(gè)方位的輸出值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，作為最后的波束輸出，其統(tǒng)計(jì)過(guò)程為：首先將最后的波束輸出置0，在某一個(gè)頻率單元的某一幀DOA對(duì)應(yīng)值上累加該頻率單元對(duì)應(yīng)的DOA方差的倒數(shù)。該方法依據(jù)噪聲對(duì)應(yīng)頻率單元波束輸出的最大值對(duì)應(yīng)位置隨機(jī)、方差較大，目標(biāo)對(duì)應(yīng)頻率單元波束輸出最大值對(duì)應(yīng)位置基本一致、方差較小甚至為零的特點(diǎn)，在統(tǒng)計(jì)計(jì)算各頻率單元的方位估計(jì)結(jié)果后，目標(biāo)真實(shí)方位附近的波束輸出值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它方位波束輸出值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，該方法對(duì)各頻率單元波束輸出結(jié)果進(jìn)行了特征信息分析，提取到了不同頻率單元波束輸出結(jié)果所具有的不同特征信息，然后對(duì)各頻率單元波束輸出結(jié)果進(jìn)行了信息融合，綜合了寬帶能量累積和FFT分析對(duì)目標(biāo)檢測(cè)所具有的優(yōu)勢(shì)，即在目標(biāo)輻射信號(hào)不具有強(qiáng)線譜情況下，該方法具有寬帶能量累積的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，在目標(biāo)輻射信號(hào)具有強(qiáng)線譜情況下，該方法具有FFT分析的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而克服了寬帶能量累積和FFT分析對(duì)另一情況下存在的檢測(cè)性能不足，且避免了FFT分析需要對(duì)每一個(gè)頻率單元的結(jié)果進(jìn)行循環(huán)分析判斷以及四維顯示的麻煩。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了，在目標(biāo)輻射信號(hào)具有強(qiáng)線譜情況下，該方法的檢測(cè)性能與頻率已知時(shí)的檢測(cè)性能一致，遠(yuǎn)高于寬帶能量累積的檢測(cè)性能。該方法利用陣列信號(hào)處理方法對(duì)目標(biāo)輻射信號(hào)所含有的特征信息進(jìn)行了分析與融合，突破了傳統(tǒng)檢測(cè)方法采用單一方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)所存在的弊端，為遠(yuǎn)程目標(biāo)檢測(cè)提供了一個(gè)新的思路和途徑。

來(lái)源出版物：兵工學(xué)報(bào), 2012, 33(4): 471-475

入選年份：2016