HHT理论及其在岩土工程信号分析中的应用

论文摘要

岩土工程信息处理是指对信号进行变换、滤波和分析,以获取工程建（构）筑物性能状态方面的信息,而信号分析是指对信号基本性质的研究和表征。由于岩土工程检测信号大多具有复杂多变、非线性、非平稳的特点,使得传统的基于平稳信号的特征提取方法难以取得理想的效果,岩土工程信号分析、识别及特征提取仍然是迫切需要解决的难题。本论文结合国家自然科学基金项目（编号:50678028,51078043）,提出了“HHT理论及其在岩土工程信号分析中的应用”的研究课题,在查阅大量国内外相关文献及工程实践的基础上,利用MATLAB编程语言工作平台,就HHT理论及其在岩土工程信号分析中的应用开展了深入研究。（1）介绍HHT法基本原理、算法,将HHT法引入到岩土工程信号分析处理中,理论分析与实验结果初步证实了HHT法在岩土工程信号分析处理中的适应性和优越性;（2） EMD法依据信号本身的固有特性分解出一系列不同特征时间尺度的IMF分量,并对各IMF分量进行Hilbert变换,得到信号的瞬时相位和瞬时幅值,且绝大部分都能反映信号本身的物理意义。经HHT变换后,得到的时频图能定量地描述时间-频率的关系,Hilbert谱能清晰地刻画信号能量随时间、频率的分布情况;（3）针对声发射信号具有瞬态性、多样性的特点,作者采用HHT法,从能量的角度对冲击荷载作用下岩石声发射信号的能量分布特征进行了分析,总结了岩石声发射信号的能量与相关系数及物理性质间的关系。小波法和HHT法都能很好地分析处理非线性、非平稳信号,且都能提取信号的能量特征,但EMD法不需预设基函数,具有自适应和高效的特点;（4）隧道超前地质预报检测到的原始雷达信号经EMD法分解得到各IMF分量,各IMF分量经Hilbert变换后得到雷达瞬时幅值图、瞬时相位图以及瞬时频率图,形成三个参数相互独立的剖面图,这样可更好地解释地质雷达信号。因此,将HHT法应用到隧道超前地质预报检测信号分析处理中,能有效地提高超前地质预报的准确性。本文研究工作立足学科前沿,采用先进的数学方法和手段,对岩土工程信号分析进行了研究,具有较高的理论和实用价值,为系统研究岩土工程信号分析奠定了理论和实践基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 信号的分类、分析与处理
• 1.2.1 信号的分类
• 1.2.2 信号的分析与处理
• 1.3 时频分析方法回顾
• 1.4 Hilbert-Huang 变换
• 1.4.1 HHT 法的基本概念
• 1.4.2 HHT 法的研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 HHT 法的基本理论
• 2.1 前言
• 2.2 EMD 法
• 2.2.1 特征尺度参数
• 2.2.2 固有模态函数
• 2.2.3 EMD 法基本原理
• 2.2.4 EMD 法的特点
• 2.3 Hilbert 谱与Hilbert 边际谱
• 2.3.1 Hilbert 变换
• 2.3.2 瞬时频率
• 2.3.3 Hilbert 谱
• 2.4 本章小结
• 第三章 岩土工程室内检测信号的 HHT 法
• 3.1 前言
• 3.2 地质雷达的工作原理
• 3.2.1 地质雷达组成系统
• 3.2.2 地质雷达测试原理
• 3.2.3 地质雷达信号处理和解释
• 3.3 HHT 法在岩土工程实验中的应用
• 3.3.1 采用的测试仪器
• 3.3.2 试件模型及参数
• 3.3.3 自带软件分析
• 3.3.4 HHT 法分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 岩石声发射信号的 HHT 法
• 4.1 前言
• 4.2 声发射技术
• 4.2.1 声发射技术的概念和特点
• 4.2.2 声发射检测原理
• 4.3 岩石声发射荷载试验系统与方案
• 4.3.1 声发射试验系统
• 4.3.2 声发射试验方案
• 4.4 岩石声发射信号的EMD 分解及能量分布特征
• 4.4.1 冲击荷载作用下岩石声发射信号的采集
• 4.4.2 预处理
• 4.4.3 EMD 法分解层
• 4.4.4 岩石声发射信号能量的表征
• 4.4.5 冲击荷载作用下岩石声发射信号的能量分布特征
• 4.5 本章小结
• 第五章 隧道超前地质预报检测信号的 HHT 法
• 5.1 前言
• 5.1.1 超前地质预报方法
• 5.1.2 超前地质预报的长度划分和预报方法的选择
• 5.2 工程概况
• 5.3 工程地质概况
• 5.4 检测方法
• 5.4.1 天线频率的选择
• 5.4.2 测线布置
• 5.4.3 信号触发方式选择
• 5.4.4 预报时间安排
• 5.4.5 采集信号时注意事项
• 5.5 采用自带软件REFLEXW5.0 对检测信号进行分析
• 5.5.1 雷达图像处理
• 5.5.2 雷达图像的解释
• 5.6 隧道超前地质预报检测信号的HHT 法
• 5.6.1 HHT 参数的地质雷达信号解释
• 5.6.2 ZK2113+514.8 断面检测信号的HHT 法
• 5.7 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及成果