基于矢量傳感器的地下振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

方爾正 王歡 李響 桂晨陽(yáng) 張秋實(shí) 馬旭卓

摘 要： 研究了地下振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生和振動(dòng)機(jī)制，設(shè)計(jì)了地下振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)方案。對(duì)利用矢量傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，研究了地下振動(dòng)信號(hào)的功率譜分布，綜合利用信號(hào)去趨勢(shì)、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、小波去噪三種去噪方法，消除了混疊于振動(dòng)信號(hào)中的噪聲。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，得到在0°到90°間，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的定向結(jié)果和來(lái)波方向的誤差除了0°和90°以外，均小于10°，驗(yàn)證了矢量傳感器有較好的定向能力。為下一步繼續(xù)研究提供了技術(shù)支撐，且對(duì)矢量傳感器在地下振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 矢量傳感器； 定向； 地下振動(dòng)信號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 212.9，TP 274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2018）01-0087-04

0 引 言

利用地下振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行地下探測(cè)是直接獲取地下信息的重要途徑之一，在地質(zhì)研究、地下巖層結(jié)構(gòu)研究以及地下掩埋人員的救援等方面都具有重要意義。本文主要針對(duì)矢量傳感器采集得到的地下振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和信號(hào)處理，并在此基礎(chǔ)上分析振動(dòng)信號(hào)的組成成分和頻譜特征，分析地下振動(dòng)信號(hào)通過(guò)土壤介質(zhì)傳播時(shí)的速度特性以及頻譜衰減規(guī)律。對(duì)采集到的實(shí)際信號(hào)進(jìn)行消趨勢(shì)和小波去噪為后續(xù)工作提供比較理想的目標(biāo)信號(hào)。對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行定向計(jì)算，得到傳感器的定向情況和測(cè)量距離。本文驗(yàn)證了運(yùn)用矢量傳感器進(jìn)行來(lái)波定向的可行性，同時(shí)為矢量傳感器在地下振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而為后續(xù)研究?jī)?nèi)容提供技術(shù)支持。

1 地下振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生和振動(dòng)機(jī)制

地表或地下巖體因地層內(nèi)力過(guò)大發(fā)生破裂而產(chǎn)生激振，通過(guò)土地介質(zhì)傳播的振動(dòng)信號(hào)被稱(chēng)為地下振動(dòng)信號(hào)。土壤介質(zhì)是一種由固體介質(zhì)和流體介質(zhì)混合而成的介質(zhì)，其地下振動(dòng)信號(hào)的傳播方式更為復(fù)雜。地下振動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè)就是通過(guò)對(duì)所接收到的振動(dòng)信號(hào)特性進(jìn)行研究，分析激勵(lì)源的方向、方位等特性。

根據(jù)BIOT提出的飽和多孔介質(zhì)中的彈性波傳播理論，由于快縱波主要通過(guò)流體飽和孔隙固體中的土壤固體顆粒進(jìn)行傳播，孔隙具有相對(duì)較小的頻散特性和良好的矢量性。而慢縱波波速較低，橫波在低速帶中的吸收衰減很大，且橫波剖面往往信噪比不高，分辨率較低，勘探的能力有限，且激振源對(duì)地面激振形成地下振動(dòng)信號(hào)中的橫波傳播至傳感器時(shí)會(huì)有一定的畸變，會(huì)給信號(hào)處理帶來(lái)困難。因此綜合上文的研究，本文主要利用地下振動(dòng)信號(hào)中的快縱波對(duì)激振源進(jìn)行定向。

2 地下振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)組成方案

傳感器是現(xiàn)代設(shè)備的感官，能夠?qū)⒏鞣N類(lèi)型的信號(hào)轉(zhuǎn)化成與該信號(hào)成一定關(guān)系的電信號(hào)，方便電子設(shè)備對(duì)其進(jìn)行處理。當(dāng)激勵(lì)地面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向四周傳播的地下振動(dòng)信號(hào)，地下振動(dòng)信號(hào)可以引起周?chē)橘|(zhì)的振動(dòng)，所以對(duì)地下振動(dòng)的測(cè)量可以等效于對(duì)土壤介質(zhì)振動(dòng)的測(cè)量，使用哈爾濱工程大學(xué)自主研發(fā)的二維矢量傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)正交方向傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激振源的定向。

本文設(shè)計(jì)的基于矢量傳感器的地下振動(dòng)信號(hào)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括兩部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)。如圖3所示。

3 地下振動(dòng)信號(hào)處理方法

由于土壤介質(zhì)通常是不均勻性的，而且還含有大量的環(huán)境噪聲，通過(guò)地下振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采集得到的地下振動(dòng)信號(hào)往往混疊這大量的環(huán)境噪聲，難以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接分析。圖4為利用矢量傳感器采集得到的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

由圖4可以看出，系統(tǒng)采集得到的x和y矢量信號(hào)具有不同的零點(diǎn)漂移，且低頻抖動(dòng)很大，難以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的直接處理獲得目標(biāo)方位角，為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，需去掉地下振動(dòng)信號(hào)通過(guò)土壤傳播時(shí)受到的低頻干擾和攜帶的白噪聲。對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的地下振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)去趨勢(shì)處理，為接下來(lái)的信號(hào)處理過(guò)程提供更有效信號(hào)。圖5為4種消趨勢(shì)法處理后的信號(hào)和噪聲功率譜。

比較圖5中采用4種消趨勢(shì)方法處理后的信號(hào)噪聲功率譜，可見(jiàn)利用中位數(shù)法、滑動(dòng)遞歸、矩形窗三種消趨勢(shì)方法都只能夠?qū)?Hz處的低頻干擾消減到107 dB，而對(duì)中位數(shù)去趨勢(shì)處理后，再將輸出信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)遞歸擬合的中位數(shù)改進(jìn)法可將1 Hz處低頻干擾消減到96 dB?？梢?jiàn)中位數(shù)改進(jìn)法與其他3種方法相比具有更優(yōu)秀的去低頻干擾性能，所以本文對(duì)信號(hào)的處理均采用中位數(shù)改進(jìn)法去趨勢(shì)。

通過(guò)利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解對(duì)實(shí)測(cè)地下振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理可以得到其各層經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)，去除imf7以后的固有模態(tài)函數(shù)，可充分消除低頻干擾。之后對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的信號(hào)進(jìn)行小波去噪，選擇Daubechies小波作為基小波，采用Daubechies小波系的db5，尺度為5層，多分辨分析的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)消除噪聲的目的。

如圖6和圖7所示，信號(hào)經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和小波去噪處理后，信號(hào)中混疊的噪聲聲能級(jí)明顯下降，濾除了大部分噪聲，由此可見(jiàn)組合運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解去噪和小波去噪的方法能夠在保留原有信號(hào)的同時(shí)，去除大部分干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)這樣預(yù)處理的信號(hào)可以更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源的方位估計(jì)。

4 數(shù)據(jù)處理

利用外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到的原始數(shù)據(jù)，以及上述去噪的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，充分濾除信號(hào)中混疊的噪聲，再利用

可得到目標(biāo)的估計(jì)所在角度。式（1）中，vx和vy分別為傳感器x和y通道得到的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1～表3所示。由表1～表3可以看出，本文所設(shè)計(jì)的基于矢量傳感器的地下振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可以在平坦干燥的土壤環(huán)境中，到的范圍內(nèi)，對(duì)激勵(lì)源做出較好的定向。地下振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)激振源實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的方向估計(jì)。

5 結(jié) 論

本文完成了基于矢量傳感器的地下振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)信號(hào)消趨勢(shì)，經(jīng)驗(yàn)分解和小波去噪后得到了具有更高信噪比的有效信號(hào)。通過(guò)對(duì)外場(chǎng)試驗(yàn)采集得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)激勵(lì)源實(shí)現(xiàn)了較好的方向估計(jì)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性。

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