２０１４．Ｎｏ．６ 四川水利 ・５・ 爆破震动信号分析技术现状及进展 张文祥。邵军锋 （中国水利水电第七工程局有限公司，成都，６１００８１） 【摘要】随着爆破技术的广泛应用，爆破震动对周围环境和建（构）筑物的影响正越来越受到人们的关注。本文 结合近几年来国内外在爆破震动信号分析方面所做的一些研究工作，对爆破震动信号分析的研究现状和发展前景进行 了系统探讨和总结。 【关键词】爆破震动非平稳信号信号分析现状进展 中图分类号：０３８４—１ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５—１８ｏ９（２ｏ１４）ｏ６—０００５—０４ １ 引言 炸药在岩土等介质中爆炸时，一部分能量转 人们研究的热潮，并且取得了长足的进展 ］。 ２．１ 傅里叶变换和短时傅里叶变换 化为地震波在岩土中传播，导致邻近的建（构）筑 物震动并由此可能产生破坏，这种现象称为爆破 震动效应ｌ１．２］。随着我国经济建设的飞速发展， 爆破技术被广泛地应用在隧道开挖、矿山开采、公 傅里叶分析技术是信号处理中的经典技术， 开创了信息处理和分析学科的新纪元。傅里叶变 换是将信号从时域转化为频域的工具，其实质是 把ｆ（ｔ）信号的波形分解为许多不同频域的正弦波 的叠加，从而将波形转化为Ｆ（ｗ）的研究。然而， 傅里叶变换只能分别从时域和频域对信号进行分 路与铁路路堑开挖、水利水电设施建设等各种工 程领域。爆破震动效应对周边建（构）筑物产生 危害，从而导致的“扰民”及“民扰”问题屡见不 鲜，已经成为工程和学术界越来越关注的重大问 题。然而，由于爆破地震波的不确定性和随机性， 析，但却不能将两者相结合。１９４６年，Ｇａｂｏｒ引入 了短时傅里叶变换（ＦＦＴｒ变换），克服了标准傅里 叶变换只在频域内有局部分析能力，而在时域内 即使是爆破地震波在岩土中的传播规律也没有得 到完整的认识，所以如何对爆破震动信号进行分 析，已经成为爆破领域内众多国内外专家研究和 探索的重大前沿课题 Ｊ。 不具备局部分析能力的缺陷，并在很长时间内成 为了分析非平稳信号的一种有力工具 Ｊ。但是， 短时傅里叶变换也具有不可克服的缺陷，即短时 傅里叶变换实质上是具有单一分辨率的分析。如 果改变分辨率，则必须重新选择窗函数，如果选择 ２ 国内外信号分析技术的现状及进展 信号分析与处理是对信号进行分析、变换、识 的窗函数窄，频率分辨率则低，如果选择的窗函数 别等加工处理，从而达到提取相关信息加以利用 宽，则为平稳假设的近似程度便会变差。因此，短 时傅里叶变换用来分析平稳信号犹可，但对于信 号变化剧烈的非平稳信号，必然对应于含有迅速 的目的。目前，随机信号的分析预处理受到了各 个领域特别是工程领域的很大重视，并产生了明 显的作用。近年来，随着科技的发展及新型数学 工具的车险，信号的时——频表示方法已经广泛 地应用于各个工程领域，小波变换、ＨＨＴ变换、人 变换的高频分量，要求较高的时间分辨率，而在变 换比较平缓的时刻主要是低频，则要较高的频率 分辨率，短时傅里叶变换不能兼顾两者。 ２．２小波变换和小波包变换 工神经网络分析等非平稳随机信号，广泛激起了 ２０１４．Ｎｏ．６ 四川水利 ・７・ ３．２信号突变检测 信号突变检测用于爆破延时时间的识别。微 差爆破具有效降低爆破震动效应、控制单响药量、 合理利用爆破能力、改善爆破块度等优点，目前在 工程爆破中已得到广泛应用。但是，起爆网络本 身的精度以及雷管在生产、运输、储存和操作中的 影响，使得理论微差间隔时间与实际中有一定的 误差甚至“跳段”，所以确定微差爆破的实际延时 时间具有重要的意义。 ２０１４年来，许多学者运用小波分析和ＥＭＤ 识别法在爆破震动信号突变检测方面做了许多研 究。例如，运用小波分析模极大值（ｍｏｄｕｌｕｓ ｍａｘｉ— ｍｕｍ ｏｆ ｗａｖｅｌｅ ｔｔｒａｎｓｆｏｒｍ）识别信号奇异性的研 究，基于小波变换的时一能密度分析（ｔｉｍｅ－ｅｎｅｒｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｍ）来检测信号中 的突变成分，爆破微差延时的ＥＭＤ识别法等。研 究证明，这几种方法在分析信号的奇异性方面都 具有较好的效果。图３、图４是以ＥＭＤ识别法对 爆破震动信号进行分析的实例。 图３爆破震动信号时程曲线 图４爆破震动信号经ＥＭＤ后的第２个ＩＭＦ分量 图５第二个ＩＭＦ分量的包络 由图５中可以清晰地看出２０个突峰，即微差 爆破各个段位的起爆时刻，表明该爆破震动信号 是由２０段爆破地震波叠加而成。通过实际各段 延时实际与设计各段延时时间的对比，即可较好 地识别各段雷管的误差精度，正确地把握实际微 差爆破延时。 ３．３消噪与滤波 由于受信号检测背景的干扰以及受信号形式 和处理方法的影响，爆破地震波信号广泛存在着 噪声，因此对信号进行消噪和滤波是爆破震动信 号分析的一项重要内容。 传统的傅里叶消噪方法要求被分析对象是线 性周期和平稳的，而且不能同时提取信号的时频 特性，所以它对包含有许多突变信号的非平稳信 号无能为力。 与傅里叶方法相比，小波分析具有同时对信 号进行时频分析的能力，且具有局部化和滤波基 灵活性的特点，能有效地区分非平稳信号中的突 变部分和噪声。但小波消噪时须先选择合适的小 波基，虽然具有时频局部化特点和滤波基选择的 灵活性，但是还没有摆脱以傅里叶变换为基础带 来的缺陷。 ＨＨＴ法主要由ＥＭＤ和Ｈｉｌｂｅｒｔ变换组成，其 ＥＭＤ即Ｈｕａｎｇ变换，不需要选择基函数且具有多 分辨率和自适应的特点。可以从信号本身的尺度 特征，对分解的某些ＩＭＦ进行组合，构成高通、低 通、带通滤波器以消除噪声或进行特定的分析。 这种ＩＭＦ分量充分保留了信号本身的非平稳特 性，减少和消除了信号中的噪声。（下转第２３页） ２０１４．Ｎｏ．６ 四川水利 ・２３・ 兰 一 混凝土浇筑，较合同工期提前约２个月。 通过对两次预裂爆破的实际效果进行分析， 拟定出最终预裂爆破参数。具体参数如下：线密 度３３０ｇ／ｍ，缓冲孔距预裂面１．５ｍ～２．０ｍ。根据 ３石方开挖技术研究成果 ３．１ 深孔梯段爆破调整为浅孔爆破，孔深由８ｍ ～拟定的爆破参数进行实施阶段基坑预裂爆破。 预裂爆破施工作为工艺控制的重点，在技术 管理体系上进行了调整及优化，使工序控制有保 １２ｍ调整至５ｍ～６ｍ，使改良型挖机钻机造孔效 率得到最大发挥；单孔造孔时间约为２０ｓ，避免软岩 层间发育裂隙造成的漏气及炮孑Ｌ堵塞困难。 障，技术控制更切实，实际施工更简便，保证了预 裂爆破的效果。 磊＾一百＾蔓 村 一１ ｌ直 ｍ ３．２通过爆破实验、爆破设计调整，炸药单耗 ３．３通过调整开挖方案，优化爆破设计和行之 ４小结 在安谷水电站厂房基坑开挖施工中，通过对 由投标阶段的０．３９１ｋｇ／ｍ 降低至０．３３９ｋｇ／ｍ ， 在保证爆破效果的同时，极大地节约了施工成本。 大面积、多层次极软岩岩性及岩体结构特征、极软 岩浅层破坏形式及成因、爆破安全监测、爆破参数 优化、施工技术方案等多方面的研究，取得了显著 的成果，并将成果用于生产，收到了良好效果。■ 有效的快速支护方式，石方开挖进度较合同工期 提前约１个月。２０１２年８月１１日实现厂房首仓 （上接第７页） 基于ＥＭＤ的滤波、消噪方法，已在某些方面取得 了较好的应用。 参考文献 ４总结与展望 ４．１ 经过近年来爆破震动信号分析方面的研 究表明，ＨＨＴ法相比于小波分析方法，能够更好 地揭示出地震波的特性，有利于爆破震动效应的 进一步研究。 ［１］张雪亮，黄树棠．爆破地震效应．北京：地震出版 社。１９８１． ［２］李冀祺，马素贞．爆炸力学．北京：科学出版社， １９９２． ［３］李夕兵，凌同华，张义平．爆破震动信号分析理论 与技术．北京：科学出版社，２００９． ４．２ ＥＭＤ方法具有自适应性、高效性的特点， 不必预先选择基函数，能将原始信号分解成少量 ［４］张贤达，保铮．非平稳信号分析与处理．北京：国 防工业出版社．１９９８． 的ＩＭＦ分量，且大部分具有物理意义。信号经过 ＨＨＴ法后能够定量描述时间与瞬时频率的关系。 ［５］胡昌华，张军波，夏军等．基于ＭＡＴＬＡＢ的系统 分析与设计——小波分析．西安：西安电子科技大学出 版社，２０００． Ｈｉｌｂｅｒｔ能量谱能清晰地刻画出信号能量随时间、 频率的分布。 ４．３ ＥＭＤ是基于经验，缺少理论推理上的严 ［６］余英林，谢胜利，蔡汉等．信号处理新方法导论． 北京：清华大学出版社，２００４． 密性，并且分离过程中存在端点污染问题，有待深 入研究。 作者简介： ４．４人工神经网络具有自学习、自组织的特 张文祥，男，助理工程师，大专，主要从事水利工程（地下 洞室爆破的研究）； 性，目前在信号处理领域正日益受到科技人员的 关注。运用人工神经网络分析爆破震动信号，需 要进一步探讨和研究。 邵军锋，男，助理工程师，大专，主要从事水利水电工程管 ■