土木工程災(zāi)后受困人員求救敲擊信號辨識研究

張 頎 陶曉涵 陳 釩 陳正林

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716； 2.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048)

1 概述

災(zāi)后緊急救援工作經(jīng)常在復(fù)雜多樣的高噪聲環(huán)境中進(jìn)行，而被困人員發(fā)出的求救震動信號經(jīng)過塌方體會有所衰減，傳感器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)位置也因地形因素通常受到限制，故求救信號在被檢波器接收到的同時往往也都被噪聲淹沒，所以在災(zāi)后復(fù)雜現(xiàn)場情況下對搜集到的多種震動信號進(jìn)行識別的研究是很有必要的。

通過將收集的波形信號通過快速傅里葉變換得到其功率譜圖，可清晰地觀察到求救信號與干擾信號震動信號頻帶、頻率成分、震動主頻等特征因子的差異，利用這些差異進(jìn)行比對，可將求救信號識別。

2 信號特征提取的數(shù)學(xué)原理

設(shè)x(n)為N項(xiàng)的復(fù)數(shù)序列，在FFT中，利用WN的周期性和對稱性，把一個N項(xiàng)序列(設(shè)N=2k,k為正整數(shù))，分為兩個N/2項(xiàng)的子序列，每個N/2點(diǎn)DFT變換需要(N/2)2次運(yùn)算，再用N次運(yùn)算把兩個N/2點(diǎn)的DFT變換組合成一個N點(diǎn)的DFT變換。這樣變換以后，總的運(yùn)算次數(shù)就變成N+2×(N/2)2=N+N2/2。

設(shè)x(n)是長度為N的有限長序列，則其傅里葉變換為：

其離散傅里葉變換為：

由于功率沒有負(fù)值，所以功率譜曲線上的縱坐標(biāo)也沒有負(fù)數(shù)值，功率譜曲線所覆蓋的面積在數(shù)值上等于信號的總功率(能量)，功率譜函數(shù)如下：

3 算例分析

3.1 波形信號波形圖、功率譜對比

通過快速傅里葉變換得到波形信號的功率譜，可直觀比較得出不同信號的特征因子(震動信號頻帶、頻率成分、震動主頻等)，通過比較波形信號功率譜圖的主頻范圍，篩選出求救信號，如圖1，圖2所示。

比較各類信號波形圖可得：巖體破裂信號的振幅約在130 mV,求救信號的振幅約在50 mV，特征差異相對較小，僅通過分析波形圖的特征因子通常無法準(zhǔn)確識別出有效求救信號，而功率譜中各類波形的主頻范圍和幅值都有明顯差異，故進(jìn)一步分析信號功率譜。

3.2 功率譜特征因子對比

分析兩種信號功率譜圖特征因子，可得：

巖體破裂信號的主頻幅值約為4 200 g2/Hz，求救信號的主頻幅值約為310 g2/Hz。求救信號與巖體破裂信號的主頻幅值與范圍都有較大差異，通過設(shè)定求救信號主頻幅值范圍，再比較篩選出的主頻范圍，可將求救信號識別，由此也可在其他干擾信號中區(qū)分求救信號。

4 軟件編程

通過MATLAB的GUI編程將對求救信號的讀取、繪制、識別、分析集成，編寫出災(zāi)后受困人員生命安全信息軟件，可在救援現(xiàn)場直觀反映救援信號。

4.1 軟件編寫流程圖

軟件編寫流程圖見圖3。

4.2 軟件界面介紹

通過MATLAB編程，得到一個反映受困者生命安全信息的軟件。圖4為土木工程災(zāi)后受困人員生命信息辨識軟件界面圖。

1)事件回放：對于已記錄波形可以回放并重新分析，主要用于一些不確定信號以及重要波形信息查閱。

2)時間：顯示當(dāng)前搜救時間以及波形記錄時間。

3)載入波形文件：將已采集到的現(xiàn)場波形信號進(jìn)行分析。

4)信號處理：分析處理當(dāng)前波形。

5)分析結(jié)果：在界面右方(分析結(jié)果下方)出現(xiàn)分析出的結(jié)果。

6)幫助：操作索引及軟件操作說明書。

5 結(jié)語

由于土木工程災(zāi)后救援現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜多樣性和人耳判別求救信號的局限性，故采用將現(xiàn)場采集到的干擾信號與求救信號載入MATLAB中，并求取其功率譜進(jìn)行頻譜特征分析的方法，對不同信號功率譜主頻幅值與范圍分析、比對，可篩選出有效求救信號。利用MATLAB的GUI軟件界面交互設(shè)計(jì)，得到獨(dú)立的應(yīng)用程序，將受困人員具體的求救信號直觀顯示在軟件界面上。