纵波的提取及其在地面振动目标探测中的应用
张 旭，李 环，任 波
【摘 要】 目标振动时会产生多种信号及噪声，为保证研究数据的一致性和有效性，基于纵波自身频率的特点以及小波包滤波对信号更有效的时频分析特性，结合Matlab和Labview平台对实验数据进行小波包滤波处理，提取出纵波。二维平面距离定位法可以在已知三个传感器坐标位置以及传感器到振动目标的距离的情况下计算出振动目标的坐标位置。为得到距离数据，对纵波的峰峰值与传感器到振动目标的距离的关系进行了研究，提出两者关系式。定位精度均方根误差为3.7138。
【期刊名称】沈阳理工大学学报 【年(卷),期】2014(033)005 【总页数】5
【关键词】关 键 词： 振动目标；纵波；小波包滤波；距离定位法 【文献来源】
https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_journal-shenyang-ligong-
university_thesis/0201250704152.html
地面上的振动目标在振动过程中产生了类似于人工激发的地震波，只要能够找到振动目标产生的振动信号的传播规律，就能够对振动目标进行探测。与地震波相同，振动信号一般分为体波和面波，体波又分为纵波和横波。相对于横波和面波，纵波的传播速度最快，在传感器到振动目标的距离相同的情况下，纵轴传感器最先接收到信号。我国在利用振动信号对目标定位方面，已有一些研究成果，比如基于到达角的定位方法[1]和基于到达时间差的定位方法[2-3]等，事实上还有一种基于距离的定位方法，但是传感器到目标的距离不易获取，所
以很少有人研究。波的能量与振幅和传播距离之间都有一定关系，振幅与传播距离之间必然有一定联系，利用这种联系，由纵波的振幅就可计算出传感器到振动目标的距离，进而根据距离定位法实现对目标的探测。
1 测距原理
振动目标产生的信号在向周围介质传播时，其能量不断衰减，衰减程度与振动信号本身的能量、传播介质及传播距离等多种因素有关。随着传感器到振动目标的距离的越来越远，振动信号的波前面不断向外扩散，振幅就越来越小，这种现象称为球面发散效应[4]。假设es是距离振动目标s米的球面单位面积上的能量，则以s为半径的波前面的能量为E=4πs2es。在理想情况下波的能量E是恒定的，所以对于某一距离s处的单位能量es与s2是反比关系，而在实际情况下，造成振动信号能量衰减的因素很多，不能保证es与s2有绝对的反比关系，但是二者一定是反相关的。另外，根据能量密度(即单位波前面面积上的能量es)按距离的平方反比衰减[5]，可假设振幅与传播距离s成反相关关系。
2 信号采集及纵波提取
2.1 信号采集过程
振动信号的激发振源可以是炸药、重锤、电火花或空气枪等。实验采用微量炸药作为激发振源，实验地点选取远离车辆人群的郊外广场；用纵向加速度传感器进行接收，然后将接收的信号通过10dB放大器处理，经信号采集器连接到计算机；采用Labview环境下的信号采集虚拟仪器进行信号观测，并根据纵波的频率特征采用小波包对信号进行滤波处理。实验分别对传感器到振动目标的距离为50～900m的不同爆破信号进行接收，每次爆破间隔50m，共得到18组有效实验数据。选取15组数据进行研究，其他3组数据作为研究结果的验
证数据。由于传感器自身会有温度补偿造成信号产生零点漂移，所以采用峰峰值进行研究会比采用振幅值更准确。 2.2 基于小波包的纵波提取
传感器在接收时，由于有偏移距的存在及环境本身的干扰，纵轴传感器会接收到各种干扰波，为了得到更准确的纵波参数，首先对纵波进行提取。对于浅层近距离振动目标，纵波的频率一般集中在50～60Hz。
小波变换在时域和频域都具有良好的局部化性质，可以同时表征信号的时域和频域的特征，因此小波可以处理振动信号这种非平稳信号，并对局部突变信号进行提取。小波包在小波分析的基础上具有更加精确的局部分析能力，小波变换只是对上一层的低频进行分解，小波包则对上一层的低频和高频成分同时进行分解，把时频窗口进一步分割变细，具有对信号特征的自适应性，能够更有效地显示信号的时频特征。小波包分解是通过正交镜像滤波器进行的，假设信号为x(t)，则具有以下递推公式[6]
函数系{xn(t)}称为正交小波包，是信号x(t)在各尺度上所有频段的全部分解结果。令k=n-2j，则y2j+k(t)为信号对于尺度j在频段k上的分解结果。 实验使用的采样率为25600Hz，为得到纵波(频率：50～60Hz)，需对信号进行小波包分解，(8,1)节点对应的频率为50～100Hz，(9,2)节点对应的频率为50～75Hz，虽然(9,2)节点更接近纵波频率，但是该节点不在最优小波树中，故选取(8,1)节点。这一节点对应的频段内含有纵波，并且不含高频噪声的干扰。小波包可采用多种小波基对信号进行分解，使熵最小的小波基即为最佳基，用最佳基对信号进行分解能够得到信号最佳的时频分析效果。通过Matlab调用wpdec小波包分解函数得到不同小波基下的小波树，再调用最优小波包树函数
纵波的提取及其在地面振动目标探测中的应用
