基于小波变换的爆破振动信号分析方法及应用研究

论文摘要

随着社会经济的发展和爆破技术的广泛应用,人们越来越关注爆破振动的危害。但是由于对采集到的爆破振动信号,在数据处理上存在着很多不足。从本质来讲,爆破振动是一个非平稳随机过程,这与传统傅里叶变换的要求并不一致。而且经过复杂的岩土介质后的爆破地震波往往存在各种频率成分的干扰波,加上这些干扰波的相互叠加,给爆破振动信号的特征分析带来了种种困难。传统的傅里叶变换仅能实现信号从时间域到频率域的变换,无法同时实现对爆破振动信号的时间域与频率域的分析,小波分析的出现正好弥补了用传统傅里叶变换来分析爆破振动信号的不足。本论文详细介绍了传统的傅里叶分析与小波分析的基本理论,同时对爆破振动信号进行了傅里叶的频谱分析与小波时频分析,主要内容包括以下几个方面：(1)详细地阐述了小波分析的数学基础和基本原理；对当前爆破振动信号分析与处理的方法进行归纳总结；对传统傅里叶变换、短时傅里叶变换、Gabor变换进行对比,从理论的角度说明小波分析在信号处理与分析方面的优势。(2)用Blastmate SeriesⅢ爆破振动仪测试可以直接进行快速傅里叶变换(FFT)分析。从频谱图中可以得到爆破振动信号的频率的高低情况、分布情况、主振频率等物理量。但是,快速傅里叶变换也是时间域与频率域之间的转换,在从时间域到频率域的快速傅里叶变换过程当中,丢掉了时间的概念,使我们无法从频谱分析中无法得出信号的时间域特征,而小波分析正好解决了这一难题。(3)对于含有噪声或者干扰的实测爆破振动信号,指出用小波阀值去噪的方法进行滤波。通过几种阀值去噪的比较,发现默认阀值和软阀值的去噪效果较好。去噪后的爆破振动信号与原始爆破振动信号的对比发现,当高频信息从信号中滤去后,振动信号变得越来越“纯洁”了。经过小波重构后爆破振动信号已明显不含干扰部分,得到较为真实的爆破振动信号,便于对信号做进一步的分析。(4)介绍了几种最常见的时频分析方法,短时傅里叶变换、gabor变换和小波变换。文中详细介绍了它们的基本理论,并用它们对实测爆破振动信号进行分析。通过对比可以发现小波时频分析较其他两种方法更适合用来对爆破振动信号进行时频分析。(5)应用小波分析方法,对煤矿井下岩石松动爆破振动信号进行分析。小波分析实现了实测爆破振动信号的时间、频率、振速三者的特征的分析,避免了单一地进行时间域或者频率域的传统傅里叶分析的片面性；同时从爆破振动的三要素三个方面,对煤矿井下岩石松动爆破振动特征进行了分析。(6)应用小波包分解计算各个不同频带的能量分布的方法,对实测爆破振动信号的数据进行不同频带的能量分布分析,得出了煤矿井下岩石松动爆破振动信号(爆破近区)不同频带上的能量分布特征。本论文通过对实测爆破振动信号的小波分析,取得了良好的效果。研究表明小波分析在分析爆破振动信号方面具有很大的优势。相信小波分析方法在爆破振动信号分析方面将会得到更加深入、更加广泛的应用。图[42]表[12]参[80]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 爆破地震波特性的研究现状
• 1.2.2 爆破振动信号的分析技术
• 1.3 研究的主要内容
• 2 小波分析的基本理论
• 2.1 从傅立叶变换到小波变换
• 2.1.1 傅里叶变换（Fourier Transform简称FT）
• 2.1.2 短时傅里叶变换（STFT）
• 2.1.3 小波变换（Wavelet Transform）
• 2.2 连续小波变换
• 2.2.1 小波的定义
• 2.2.2 连续的小波变换
• 2.3 离散的小波变换
• 2.4 多分辨分析
• 2.5 小波包分析
• 2.5.1 小波包的定义
• 2.5.2 小波包性质
• 2.5.3 小波包算法
• 2.6 几种常用的小波
• 2.6.1 常用小波
• 2.6.2 小波性质一览表
• 2.7 小结
• 3 爆破振动信号去噪方法的研究
• 3.1 爆破振动信号的FFT滤波去噪
• 3.2 爆破振动信号的小波去噪
• 3.2.1 小波基的选择
• 3.2.2 爆破振动信号小波去噪算法
• 3.2.3 爆破振动信号的小波默认阀值去噪
• 3.3 爆破振动信号的小波包去噪
• 3.3.1 爆破振动信号的小波包去噪算法
• 3.3.2 爆破振动信号的小波包去噪
• 3.4 小结
• 4 爆破振动信号的时频分析方法研究
• 4.1 爆破振动信号的STFT分析
• 4.2 爆破振动信号的Gabor变换分析
• 4.3 爆破振动信号的小波分析
• 4.4 小结
• 5 煤矿井下岩石松动爆破振动信号的小波分析
• 5.1 爆破现场工程概况及施工方案
• 5.1.1 现场工程概况
• 5.1.2 工作面岩石松动爆破设计方案
• 5.2 爆破振动测试原理与仪器选择
• 5.2.1 测试的基本原理
• 5.2.2 测振仪器的选择
• 5.2.3 振动测试方案
• 5.2.4 测振结果
• 5.3 爆破振动特征的小波分析
• 5.3.1 爆破振动信号的小波分解
• 5.3.2 爆破振动信号的小波时频分析
• 5.3.3 松动爆破振动的三要素分析
• 5.4 爆破振动信号不同频带能量分布特征的研究
• 5.4.1 能量的定义
• 5.4.2 爆破振动信号各个频带能量表示
• 5.4.3 爆破振动信号小波包分解深度的确定
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果