Chirp信号的调制及其在锚杆检测中的试验研究

论文摘要

随着各类工程的不断建设,锚杆应用范围的不断扩展,导致锚杆用量急剧增长,也使得锚杆质量对工程安全性的影响越来越受重视,因此提高锚杆检测精度的呼声也越来越高。作为国家自然科学基金资助项目（50874035）“基于伪随机信号的锚杆动态响应与智能检测研究”的一个子项,本文从完善锚杆检测体系出发,提出以可控震源技术实现对应力波检测信号的精确控制,并调制出具有良好自相关特性的Chirp信号作为震源信号。笔者利用编制的Delphi应用程序,借助对扫频方式和频谱范围的变换,实现了包括正弦信号、雷克子波信号和三类Chirp信号等多种检测信号。通过一系列室内试验对信号自相关特性和衰减特性等特点进行的对比研究,验证了Chirp信号频带宽、能量大、自相关性良好、易于检测等特点,非常适合作为锚杆检测震源信号。借助计算机声卡和超磁共振等技术,将Chirp信号和可控震源引入到锚杆质量检测领域,也成为本论文的创新所在。基于以上先进理念,笔者实现了一套试验装置,并利用它进行了一系列室内模拟试验,从而对各类信号的自相关特性以及衰减特性有了更深入的认识,主要的研究成果如下：（1）正弦波信号自相关特性非常差,不适合作为激振信号。雷克子波信号虽然自相关特性较好,但由于是短脉冲信号,信号传播过程中衰减过快,也不适合作为锚杆检测所用震源信号。（2）三类Chirp信号均具有良好的自相关特性,即使当其反射信号叠加在一起时,其相关信号仍然十分清晰,具有良好的抗噪性能。三类Chirp信号均存在一个最佳频谱区间,并大致存在于2k-20kHz至4k-20kHz这一区段内,但准确的区间位置有待进一步深入研究。（3）在室内模拟试验条件下,正弦波信号自相关特性表现仍然很差,而雷克子波信号在接收信号振幅较小情况下,自相关性效果也非常差。在相同试验条件下,试验Chirp信号即使在振幅很小的极端条件下,仍能保持良好的自相关性效果,初至时间非常明显。（4）通过对衰减系数的计算比较,发现试验Chirp信号传播过程中能量衰减均较小,并且自相关特性变差的速度要明显慢于振幅的衰减速度。同等试验条件下,试验Chirp信号的能量衰减特性基本接近,相对来说,2k-20k线性Chirp信号或4k-20k指数Chirp信号的表现更加优异。对震源信号形式的定量控制技术,特别是对信号频率的控制,是目前该方向研究的处女地,本课题的研究完善了锚杆质量检测研究体系,也为应力波检测方法的发展贡献了微薄的力量。试验装置在室内试验的应用效果较好,基本实现了预期目标,但由于该技术涉及范围广泛,相关内容仍需进一步完善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及背景
• 1.2 常见锚杆检测技术
• 1.2.1 传统拉拔检测方法
• 1.2.2 应力波检测方法
• 1.2.3 其它检测方法
• 1.3 国内外研究发展历程
• 1.3.1 国外应力波检测方法
• 1.3.2 国内应力波检测方法
• 1.3.3 Chirp信号研究的发展历程
• 1.4 本课题研究的意义
• 1.5 本课题研究的主要内容及创新点
• 2 锚杆锚固机理与应力波检测原理
• 2.1 锚杆锚固机理及锚固失效类型
• 2.1.1 锚杆锚固机理
• 2.1.2 锚杆体系中荷载传递过程
• 2.1.3 锚固失效的分类
• 2.2 应力波检测方法的工作原理
• 2.3 影响应力波法检测精度的因素
• 2.4 可控震源技术对应力波检测精度的影响
• 2.5 本章小结
• 3 Chirp信号的特点及其调制
• 3.1 Chirp信号的分类
• 3.1.1 等幅和指数衰减chirp信号
• 3.1.2 线性等幅Chirp信号
• 3.1.3 指数等幅chirp信号
• 3.2 Chirp信号的特点
• 3.3 Chirp信号的Delphi调制程序
• 3.4 Chirp信号与其它信号的比较
• 3.4.1 正弦波信号的自相关性时域波形图
• 3.4.2 雷克子波信号的自相关性时域波形图
• 3.4.3 线性等幅Chirp信号的自相关性时域波形图
• 3.4.4 指数Chirp信号的自相关性时域波形图
• 3.4.5 快速指数Chirp信号的自相关性波形图
• 3.4.6 信号叠加情况下的自相关性时域波形图
• 3.5 本章小结
• 4 检测仪器的组成与室内模拟试验
• 4.1 检测仪器的组成
• 4.2 室内模拟试验
• 4.3 室内模拟试验结果的分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士期间发表的论文