基于HHT方法的露天矿爆破振动信号分析-矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
基于HHT方法的露天矿爆破振动信号分析
2012-10-23
爆破振动信号处理是目前爆破振动研究领域里的一个重要课题。在某露天矿爆破振动监测的基础上,采用希尔伯特黄变换(HilbertHuangtransform,HHT)对爆破振动信号进行了分析处理,通过经验模态分解(EMD),将信号分解为包含不同成分的数个IMF分量,对各分量进行绘制信号的频谱、瞬时能量、等高线能量图等,得出波的时频特性及能量分布等特性。
Serial No. 522 October. 2012 现 ꢀ 代 ꢀ 矿 ꢀ 业 2012年总 第105月22第期 10 期 MORDEN MINING 基 于 HHT 方 法 的 露 天 矿 爆 破 振 动 信 号 分 析 王 福 缘 ꢀ 璩 世 杰 ꢀ 申 旭 鹏 ꢀ 衣 ꢀ 方 ( 北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 ) ꢀ ꢀ 摘 ꢀ 要 ꢀ 爆 破 振 动 信 号 处 理 是 目 前 爆 破 振 动 研 究 领 域 里 的 一 个 重 要 课 题 。 在 某 露 天 矿 爆 破 振 动 监 测 的 基 础 上 , 采 用 希 尔 伯 特 黄 变 换 ( HilbertHuang transform, HHT) 对 爆 破 振 动 信 号 进 行 了 分 析 处 理 , 通 过 经 验 模 态 分 解 ( EMD) , 将 信 号 分 解 为 包 含 不 同 成 分 的 数 个 IMF 分 量 , 对 各 分 量 进 行 绘 制 信 号 的 频 谱 、 瞬 时 能 量 、 等 高 线 能 量 图 等 , 得 出 波 的 时 频 特 性 及 能 量 分 布 等 特 性 。 关 键 词 ꢀ 微 差 爆 破 ꢀ 振 动 信 号 分 析 ꢀ HHTꢀ 信 号 特 性 Analysis on Blasting Vibration Signals of Open Pit Mine based on HHT Method Wang Fuyuanꢀ Qu Shijieꢀ Shen Xupengꢀ Yi Fang ( School of Civil and Environment Engineering, Beijing University of Science and Technology) Abstractꢀ The processing technology of blasting vibration signals has been an important subject in current blasting vibration study field. Based on the monitoring of blasting vibration of an open pit mine, blasting vibration signals were analyzed by using HilbertHuang transform( HHT) . Signals were decom posed into several IMF components which contain different components through EMD, Hilbert transform was done on each component, then drew the graphics of signal spectra, instantaneous energy, contour en ergy and so on in order to get the characteristics of timefrequency and energy distribution of the vibration signals. WWW.KY114.CN Keywordsꢀ Millisecond blasting, Vibration signals analysis, HHT, Signal character ꢀ ꢀ 振 动 信 号 的 数 字 处 理 方 法 是 近 年 来 信 号 特 性 研 征 信 号 的 局 部 特 征 信 息 , 且 具 有 较 高 的 分 辨 率 ; ④在 非 线 性 情 况 下 , 通 过 HHT 方 法 分 析 得 出 的 三 维 谱 图 , 并 运 用 波 内 调 制 机 制 , 能 够 准 确 地 反 映 出 系 统 的 非 线 性 变 换 特 征 , 因 而 能 够 很 好 地 运 用 于 非 线 性 非 平 稳 信 号 的 处 理 中 。 [ 1] , 在 许 多 领 域 都 具 有 广 泛 究 领 域 的 重 要 课 题 之 一 的 应 用 。 爆 破 振 动 研 究 领 域 振 动 信 号 的 数 字 化 处 理 方 法 , 大 体 经 历 了 傅 里 叶 变 换 、 快 速 傅 里 叶 变 换 、 短 时 傅 里 叶 变 换 、 小 波 和 小 波 包 变 换 以 及 较 新 的 HHT 变 换 几 个 阶 段 。 相 较 于 傅 里 叶 变 换 和 小 波 变 换 等 方 法 , 由 美 国 宇 航 局 的 Norden E Huang 等 人 提 出 的 希 尔 伯 特 黄 变 换 ( 简 称 HHT) 的 信 号 处 理 方 法 , 被 认 为 是 近 年 来 对 以 傅 里 叶 变 换 为 基 础 的 线 性 和 稳 态 谱 分 析 的 一 个 重 大 突 破 2] , 其 主 要 优 点 : ①HHT 变 换 不 需 要 固 定 的 先 验 基 底 , 与 傅 里 叶 变 换 以 正 弦 函 数 为 基 底 和 小 波 变 换 需 在 计 算 前 选 取 适 当 的 小 波 基 进 行 信 号 分 解 不 同 , HHT 方 法 是 自 适 应 的 ; ②大 量 的 由 于 傅 里 叶 变 换 和 小 波 变 换 等 都 存 不 同 程 度 上 的 缺 陷 36] , 而 HHT 方 法 相 对 而 言 在 信 号 处 理 方 面 具 有 更 加 优 越 的 性 质 , 因 此 本 文 运 用 Matlab 软 件 将 HHT 方 法 程 序 化 , 对 露 天 矿 爆 破 振 动 数 字 信 号 进 行 经 验 模 态 分 解 , 得 到 信 号 中 包 含 的 各 IMF 分 量 , 经 Hilbert 变 换 绘 制 信 号 的 频 谱 、 瞬 时 能 量 图 等 , 并 分 析 得 出 爆 破 振 动 信 号 的 时 频 特 性 , 能 量 分 布 等 特 性 , 从 而 对 爆 破 振 动 信 号 的 特 点 做 进 一 步 的 了 解 。 [ [ [ 2] , EMD 法 是 目 前 提 取 信 号 趋 势 或 均 值 的 实 验 表 明 最 好 方 法 , 其 准 确 性 是 其 他 几 种 方 法 所 不 能 相 比 的 ; 1 ꢀ HHT 方 法 的 原 理 HHT 方 法 从 本 质 上 讲 是 对 数 据 信 号 的 平 稳 化 ③ HHT 方 法 具 有 更 强 的 局 部 特 性 , 能 清 晰 明 了 地 表 处 理 , 即 将 时 间 信 号 经 过 经 验 模 态 分 解 ( Empirical Mode Decomposition, 简 称 EMD) , 使 存 在 于 信 号 中 不 同 尺 度 的 波 动 ( 或 趋 势 ) 逐 层 分 解 出 来 , 产 生 一 组 具 ꢀ ꢀ 王 福 缘 ( 1987— ) , 男 , 硕 士 研 究 生 , 100083 北 京 市 海 淀 区 学 院 路 3 0 号 北 京 科 技 大 学 372 信 箱 。 2 4 ꢀ ꢀ 王 福 缘 ꢀ 璩 世 杰 等 : 基 于 HHT 方 法 的 露 天 矿 爆 破 振 动 信 号 分 析 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 年 10 月 第 10 期 有 不 同 特 征 尺 度 的 信 号 数 据 序 列 , 其 中 每 个 序 列 称 为 一 个 固 有 模 态 函 数 ( Intrinsic Mode Function, 简 称 IMF) , 然 后 对 每 个 经 验 模 态 分 解 后 得 到 的 IMF 分 量 分 别 进 行 Hilbert 函 数 变 换 , 从 而 可 得 到 各 个 IMF 分 量 的 瞬 时 频 谱 , 综 合 所 有 IMF 分 量 的 瞬 时 频 谱 可 得 到 一 种 新 的 时 频 描 述 方 式 , 即 Hilbert 谱 。 具 体 计 算 步 骤 如 下 。 图 1ꢀ 砖 场 及 村 庄 位 置 分 布 坑 间 隔 一 条 小 河 及 一 条 排 土 运 输 用 道 。 爆 区 位 于 第 三 开 采 平 台 - 18 m 水 平 , 距 测 点 523 m, 采 用 逐 孔 微 差 爆 破 技 术 , 炮 孔 为 三 角 形 布 置 , 具 体 爆 破 条 件 及 爆 破 参 数 见 表 1。 对 IMF 分 量 c( t) 作 Hilbe∞rt 变 换 , 得 到 : 1 H[ c( t) ] = PV π c( t′) dt' . ( 1) ∫ -∞ t - t′ ꢀ ꢀ PV 代 表 柯 西 主 值 , 以 此 构 建 出 解 析 信 号 z( t) : z( t) = c( t) + jH[ c( t) ] = a( t) ejΦ( T) , ( 2) 表 1ꢀ 微 差 爆 破 参 数 2 2 微 差 延 期 时 间 / ms a( t) = c ( t) + H [ c( t) ] , ( 3) ( 4) 孔 径 孔 深 排 数 孔 数 总 装 药 量 槡 / mm / m / 排 / 个 / kg 孔 间 排 间 Φ( t) = tan-1 H[ c( t) ] , c( t) 310 14 ~ 14. 5 2 14 6 650 40 100 式 中 , a( t) 为 幅 值 函 数 ; Φ( t) 为 相 位 函 数 。 ꢀ ꢀ 采 用 成 都 中 科 动 态 仪 器 有 限 公 司 生 产 的 经 过 处 理 之 后 , 可 将 原 始 信 号 的 幅 度 数 值 在 三 维 空 间 中 表 达 出 来 , 即 可 表 达 成 时 间 与 瞬 时 频 率 的 函 数 , 同 时 信 号 的 幅 度 也 可 表 示 成 时 间 与 频 率 所 构 成 平 面 上 的 等 高 线 , 即 Hilbert 时 频 谱 ( 亦 称 Hilbert IDTS3850 爆 破 震 动 测 试 仪 , 采 样 频 率 选 取 为 4 000 Hz, 量 程 2 V, 触 发 电 平 0. 78% V 2. 2ꢀ 测 试 结 果 。 max 仪 器 记 录 的 一 组 数 据 包 含 X、 Y、 Z 3 个 方 向 的 振 动 数 值 。 而 在 工 程 实 践 中 , 一 般 情 况 下 , 我 国 通 常 采 用 爆 炸 地 震 波 的 垂 直 振 动 速 度 ( 即 Z 方 向 的 振 动 谱 ) , 表 达 式 为 : n H( ω, t) = Re Σ a ( t) e ωi( t) dt , ( 5) ∫ i [ 7] , Z 方 向 的 振 动 波 形 如 图 2 所 W i = 1WW.KY114.CN 速 度 ) 作 为 分 析 依 据 示 。 式 中 , Re 为 取 实 部 ; a , ω 为 常 数 。 i i 将 H( ω, t) 对 时 间 进 行 积 分 , 即 可 得 到 Hilbert 边 际 谱 : T h( ω) = H( ω, t) dt . ( 6) ∫ 0 ꢀ ꢀ 另 一 方 面 , 还 可 以 得 到 Hilbert 边 际 谱 的 附 加 结 果 , 即 可 以 定 义 Hilbert 瞬 时 能 量 : T 2 IE( t) = H ( ω, t) dω . ( 7) ∫ 图 2ꢀ Z 方 向 振 动 波 形 3ꢀ 数 据 处 理 与 分 析 0 ꢀ ꢀ 瞬 时 能 量 提 供 了 信 号 中 所 携 带 的 能 量 随 时 间 的 3 . 1ꢀ 波 形 信 号 EMD 分 解 变 换 情 况 , 如 果 将 振 幅 的 平 方 对 时 间 进 行 积 分 , 可 以 得 到 Hilbert 能 量 谱 : 运 用 测 试 仪 自 带 的 软 件 将 波 形 数 据 导 出 , 随 后 T ES( ω) = H2 ( ω, t) dt . ( 8) 导 入 Matlab 程 序 , 再 对 波 形 信 号 进 行 EMD 分 解 , 得 到 如 图 3 所 示 的 各 IMF 分 量 。 从 图 3 可 看 出 : ∫ 0 2 ꢀ 爆 破 振 动 测 试 某 矿 区 东 北 部 境 界 外 为 一 砖 厂 , 东 部 约 160 m ( 1) 原 始 信 号 被 分 解 为 10 个 具 有 不 同 特 征 尺 处 有 一 村 庄 , 如 图 1 所 示 。 矿 山 日 常 爆 破 生 产 导 致 砖 厂 部 分 墙 面 出 现 裂 隙 , 村 庄 振 感 较 强 干 扰 民 众 日 常 生 活 , 因 此 研 究 爆 破 振 动 信 号 的 特 性 , 以 了 解 信 号 的 特 点 , 为 解 除 爆 破 振 动 的 不 利 影 响 提 供 参 考 。 度 的 IMF 分 量 , 并 依 次 按 时 间 尺 度 从 大 至 小 的 顺 序 分 解 出 来 , 即 先 分 解 出 高 频 信 号 再 依 次 分 解 出 低 频 信 号 , 分 别 为 c1 ~ c10( 余 量 c10 也 作 为 一 个 IMF 分 量 ) ; 在 所 有 IMF 分 量 中 , 最 初 得 到 的 c1 分 量 频 率 最 高 , 波 长 最 短 , 随 着 EMD 分 解 过 程 的 进 行 , 随 后 得 2 . 1ꢀ 振 动 测 试 爆 破 振 动 测 点 选 择 在 村 庄 边 沿 , 测 点 与 露 天 矿 2 5 总 第 522 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 现 代 矿 业 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 年 10 月 第 10 期 图 5ꢀ 信 号 的 瞬 时 能 量 图 3ꢀ 通 过 EMD 变 换 后 得 到 的 各 IMF 分 量 ( c1 ~ c10) 到 的 IMF 分 量 频 率 逐 渐 变 低 , 波 长 逐 渐 变 长 , 这 说 明 在 振 动 波 的 传 播 过 程 中 , 信 号 中 的 高 频 部 分 会 大 幅 衰 减 , 而 低 频 部 分 的 衰 减 较 慢 。 图 6ꢀ 信 号 的 Hilbert 能 量 谱 WWW.KY114.CN ( 2) 从 各 IMF 分 量 振 动 的 幅 值 情 况 可 以 看 出 , 能 量 主 要 集 中 在 c2 ~ c6 这 5 个 IMF 分 量 上 , 为 该 信 号 的 优 势 频 段 , 体 现 了 原 始 信 号 所 具 有 的 特 征 , 是 分 析 的 侧 重 点 所 在 。 3 . 2ꢀ 绘 制 信 号 谱 图 对 各 IMF 分 量 进 行 Hilbert 变 换 之 后 , 通 过 Mat lab 软 件 的 制 图 功 能 , 作 出 信 号 的 边 际 谱 图 ( 图 4) 、 瞬 时 能 量 图 ( 图 5) 、 Hilbert 能 量 谱 图 ( 图 6) 、 等 高 线 能 量 图 ( 图 7) 及 三 维 能 量 图 ( 图 8) 。 图 7ꢀ 信 号 的 等 高 线 能 量 幅 度 ( 或 能 量 ) , 图是 8统ꢀ 计信 意号 的义 三上维的能 全量 部 累 加 幅 度 3] 。 从 图 4 中 可 以 看 出 , 该 信 号 主 要 以 低 频 为 主 , 其 主 频 带 分 两 部 分 , 分 布 在 4 ~ 30 Hz, 在 5. 9 Hz 处 达 到 最 [ 图 4ꢀ 边 际 谱 3 . 3ꢀ 谱 图 分 析 ( 1) 图 4 的 边 际 谱 表 达 了 每 个 频 率 在 全 局 上 的 2 6 ꢀ ꢀ 王 福 缘 ꢀ 璩 世 杰 等 : 基 于 HHT 方 法 的 露 天 矿 爆 破 振 动 信 号 分 析 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 年 10 月 第 10 期 大 幅 值 。 ( 2) 测 试 信 号 其 能 量 主 要 分 布 在 0 ~ 50 Hz, 在 5. 9 Hz 处 达 到 能 量 峰 值 , 与 普 通 工 程 结 构 的 自 振 频 率 ( 一 般 工 程 结 构 的 自 振 频 率 为 1 ~ 5 Hz) 相 近 , 因 此 对 一 般 工 程 结 构 造 成 的 破 坏 较 大 , 这 也 是 砖 厂 及 村 庄 震 感 较 强 的 原 因 所 在 。 以 上 说 明 对 于 现 有 的 微 差 爆 破 设 计 而 言 , 仍 然 有 优 化 的 空 间 , 尤 以 增 大 爆 破 峰 值 频 率 , 减 小 对 建 ( 构 ) 筑 物 的 破 坏 为 首 要 工 作 。 ( 2) 图 5 的 瞬 时 能 量 图 所 表 示 的 是 信 号 所 包 含 的 能 量 随 时 间 的 变 换 情 况 。 从 图 5 中 可 看 出 , 信 号 的 能 量 分 布 较 为 集 中 , 当 t = 0. 26 s 时 能 量 达 到 峰 值 , 在 0. 23、 0. 29 和 0. 33 s 时 均 取 得 较 大 的 值 , 这 一 现 象 亦 符 合 微 差 爆 破 中 能 量 叠 加 的 原 理 。 ( 3) 图 6 的 Hilbert 能 量 谱 表 达 了 每 个 不 同 频 率 在 整 个 时 间 长 度 内 所 累 积 的 能 量 分 布 情 况 。 图 7 的 等 高 线 能 量 图 拥 有 与 Hilbert 能 量 谱 相 同 的 作 用 , 从 两 图 中 可 清 晰 地 看 出 , 信 号 所 包 含 的 能 量 主 要 集 中 在 频 率 为 100 Hz 的 范 围 内 , 并 主 要 集 中 于 50 Hz 以 下 的 低 频 区 段 , 而 高 于 100 Hz 的 频 率 段 所 包 含 的 能 量 仅 占 信 号 总 能 量 分 布 的 极 少 部 分 。 这 说 明 远 离 爆 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 [ 1] ꢀ 丁 ꢀ 康 , 陈 健 林 , 苏 向 荣 . 平 稳 和 非 平 稳 振 动 信 号 的 若 干 处 理 方 法 及 发 展 [ J] . 振 动 工 程 学 报 , 2003, 16( 1) : 110. [ 2] ꢀ Huang N E, Shen Z, Long S R, et al. The empirical mode decom position and the Hilbert spectrum for nonlinear and nonstationary time series analysis[ J] . Pro. Roy. Soc. London. A, 1998, 454: 9 03995. 区 起 主 要 作 用 的 是 低 频 振 动 , 对 于 建 ( 构 ) 筑 物 , 由 德 国 的 DIN4150 爆 破 振 动 安 全 标 准 [ 8] 及 我 国 爆 破 [ 3] ꢀ 李 夕 兵 , 凌 同 华 , 张 义 平 . 爆 破 震 动 信 号 分 析 理 论 与 技 术 [ M] . 北 京 : 科 学 出 版 社 , 2009. [ 9] 来 看 , 低 于 50 Hz 的 能 量 主 要 集 中 振 动 安 全 标 准 [ 4] ꢀ Cohen L. Timefrequency analysis: theory and application[ M] . Prentice Hall, 1995. 频 段 对 建 ( 构 ) 筑 物 的 破 坏 起 到 了 很 大 的 影 响 , 是 需 要 重 点 关 注 的 频 段 。 [ 5] ꢀ 何 ꢀ 军 , 于 亚 伦 , 梁 文 基 . 爆 破 振 动 信 号 的 小 波 分 析 [ J] . 岩 土 工 程 学 报 , 1998, 20( 1) : 4750. ( 4) 图 8 为 时 间 频 率 能 量 的 分 布 , 清 晰 地 描 述 [ [ [ 6] ꢀ 黄 文 华 , 徐 全 军 , 沈 ꢀ 蔚 , 等 . 小 波 变 换 在 判 断 爆 破 地 震 灾 害 中 的 应 用 [ J] . 工 程 爆 破 , 2001, 7( 1) : 2427. 出 原 始 信 号 在 不 同 时 间 、 频 域 内 , 能 量 分 布 的 情 况 , 具 有 较 高 的 分 辨 率 , 与 原 始 信 号 经 过 EMD 分 解 得 到 的 分 析 结 果 相 吻 合 , 这 也 证 明 了 HHT 作 为 处 理 爆 破 振 动 信 号 的 手 段 是 明 确 而 有 效 的 。 7] ꢀ 朱 瑞 赓 , 李 ꢀ 铮 . 爆 炸 地 震 波 的 现 场 测 量 及 其 安 全 距 离 [ J] . 爆 炸 与 冲 击 , 1982( 1) : 6067. 8] ꢀ 唐 春 海 , 于 亚 伦 , 王 建 宇 . 爆 破 振 动 安 全 判 据 的 初 步 探 讨 [ J] . WWW.KY114.CN 有 色 金 属 , 2011, 53( 1) : 14. 4 ꢀ 结 ꢀ 语 [ 9] ꢀ 中 国 工 程 爆 破 协 会 . GB 6722— 2003ꢀ 爆 破 安 全 规 程 [ S] . 北 ( 1) HHT 方 法 对 于 具 有 非 线 性 、 非 平 稳 特 性 的 京 : 中 国 标 准 出 版 社 , 2004. 爆 破 振 动 信 号 处 理 及 分 析 而 言 , 简 单 而 有 效 , 并 且 能 够 准 确 地 提 取 时 程 曲 线 的 主 要 特 征 信 息 , 并 赋 予 其 物 理 意 义 , 是 爆 破 振 动 信 号 分 析 研 究 的 有 效 工 具 。 ( 收 稿 日 期 20120723) 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 · 记 者 在 线 · 新 疆 发 现 大 型 镍 矿 资 源 探 明 储 量 120 万 t ꢀ ꢀ 记 者 日 前 从 中 央 地 勘 基 金 管 理 中 心 了 解 到 , 由 入 资 金 1 389 万 元 , 先 后 在 4 个 探 矿 权 区 块 范 围 内 2 中 央 地 勘 基 金 合 作 投 资 、 新 疆 地 质 六 队 实 施 的 《 新 疆 若 羌 县 坡 北 - 旋 窝 岭 一 带 镍 矿 普 查 》 项 目 , 地 质 找 矿 实 现 重 大 突 破 。 根 据 目 前 已 完 成 工 作 量 初 步 估 算 , 该 项 目 累 计 探 获 铜 、 钴 、 镍 金 属 总 资 源 量 达 156 万 t, 达 到 特 大 型 规 模 。 完 成 1∶ 1 万 地 质 草 测 10. 66 km 、 地 质 修 测 43. 94 2 km 和 重 力 、 磁 测 、 TEM 剖 面 测 量 19. 20 km, 1∶ 2 000 2 3 地 质 修 测 2 km 、 槽 探 1 万 余 m 、 钻 探 1. 87 万 m。 经 过 普 查 , 目 前 全 区 共 探 得 镍 资 源 量 128 万 t, 伴 生 铜 22 万 t、 钴 6 万 t, 铜 、 钴 、 镍 总 资 源 量 达 156 万 t, 矿 床 规 模 达 到 特 大 型 。 该 勘 查 区 厚 大 矿 层 尚 未 完 全 控 制 , 推 测 深 部 延 伸 超 过 3 000 m, 远 景 规 模 有 望 突 破 200 万 t, 远 远 超 出 了 提 交 可 供 详 查 的 大 中 型 镍 矿 产 地 2 处 的 初 期 目 标 。 《 新 疆 若 羌 县 坡 北 — 旋 窝 岭 一 带 镍 矿 普 查 》 项 目 由 坡 一 、 罗 东 、 笔 架 山 、 旋 窝 岭 4 个 探 矿 权 组 成 , 矿 区 位 于 若 羌 县 境 内 , 距 已 有 罗 中 铁 路 连 接 的 罗 布 泊 镇 仅 30 km。 2009 年 以 来 , 中 央 地 勘 基 金 在 此 共 投 2 7
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号