兵器科學與技術

爆破振動波疊加數值預測方法

楊年華，張樂

摘要：目的：爆破振動波傳播衰減受地形地質條件影響較大，由于巖土傳播介質特性千變萬化，難以建立理想的數學力學模型，準確計算爆破振動波傳播衰減規律。目前主要通過在大量實測數據統計分析，以經驗系數估算爆破振動質點速度峰值衰減規律。利用爆破振動波疊加原理，建立仿真計算模型，獲得任意預測點的仿真爆破振動波形，可預測爆破振動的各項參數。原理：實測的單孔爆破振動波形實質包含了本地區地形地質條件和爆破條件的信息，理論上群組炮孔爆破是由多個單孔爆破在不同時空下的疊加組合。依據地震波的傳播疊加原理，可以用單個炮孔的爆破振動波形作為基波，按照線性疊加原理來模擬計算群組藥包爆破振動波形。這樣既回避了建立復雜的地質模型，也擺脫了依靠經驗系數的假設修正。只需利用實測的單孔爆破振動波，考慮各炮孔至預測點的相對距離，按照實際起爆時差以及實測的波速等參數，建立爆破振動波疊加仿真計算模型，即可計算獲得預測點的爆破振動波形和各項參數。方法與結果：采用數碼電子雷管在德興銅礦和廣元大中壩邊坡爆破進行了工程試驗，具體步驟為：（1）在待爆區范圍內進行同藥量的單孔爆炸試驗，或安排某次群孔爆破的首末炮孔作為單孔爆炸的振源，該首末炮孔與其他炮孔的延時間隔應在200 ms以上。（2）在預測振動點的測線方向設多臺測振儀采集單孔爆破振動波形，各測點需在預測點距離范圍內。（3）收集現場爆破參數，包括炮孔坐標、孔深、裝藥量、爆破網路等。（4）利用所開發的軟件對采集到的爆破振動波形和參數進行分析，選擇與預測點相近距離的單孔爆破振動波為基波。（5）輸入群炮孔爆破參數和對應的設計延期時間，通過軟件計算得到爆破地震波的預測結果。（6）根據預測結果對爆破網路延期設計進行調整，使之滿足允許的爆破振動指標后再進行爆破。（7）再次記錄現場爆破振動，并與預測結果進行對比，進一步優化仿真計算參數，在爆破現場進行2～3個循環的實測對比和計算參數優化，振動預測值與實測值相比誤差不超過10%。結論：基于實際單孔爆破振動波的疊加計算模型預測群組爆破的振動波形，與傳統的統計加經驗系數預報方法相比有以下優點：（1）爆破振動參數的預報結果不僅局限于振動峰值速度，而是預測全部地震波的波形，使得振動分析評價中包含了爆破振動的頻率和持續時間，預測結果更全面。（2）該方法在工程實際應用中不必選用經驗系數，避免了人為因素的影響；基波包含了現場地質條件和爆破條件的信息，對于高精度延時雷管的炮孔爆破振動預測結果更準確。理論模型簡練，實用價值更大。（3）該方法需要現場實測振動點數量相比傳統預測方式要少得多，預測效率和準確度有顯著提高，便于在實際工程中推廣。

來源出版物：爆炸與沖擊, 2012, 32(1): 84-90

入選年份：2016

基于分數階傅里葉變換的線性調頻脈沖信號波達方向估計

王瑞，馬艷

摘要：寬帶線性調頻（LFM）信號的波達方向（DOA）估計方法在聲納、魚雷自導、通信和海底勘測等探測設備中有著廣泛的應用。目前為止這些方法都是以觀測時間等于信號時寬為前提的，此時信號的中心頻率就是信號在t＝0時刻的頻率，基于FRFT直接估計出的信號頻率直接對應于信號的中心頻率。但在實際情況中觀測時間內是否包含目標回波信號、包含回波信號的長度等都是未知的。對于這種脈沖LFM不完全包含于觀測時間（包含的脈沖信號時寬不等于觀測時間）的情況，由于信號中心頻率不再對應于t＝0時刻的中心頻率，因此基于FRFT方法估計的中心頻率將有一定的誤差，從而給方位估計帶來較大的偏差。針對雷達、聲納和魚雷自導中觀測時間與信號時寬不相等的LFM脈沖信號導致對寬帶LFM信號DOA估計誤差偏大的問題，提出了一種新的基于FRFT的中心頻率估計方法，并據此對基于FRFT的MUSIC算法的波達方向（DOA）估計進行了改進。鑒于FRFT對LFM信號良好的能量聚焦性能，在分數階傅里葉域構造相關矩陣和陣列流行向量，實現對多個寬帶LFM的DOA估計。通過對分數階傅里葉域的MUSIC算法的研究發現LFM分數階傅里葉域的陣列流行向量與信號的中心頻率有關，對于觀測時間不等于信號時寬的脈沖信號，由于信號成分不完全包含于觀測時間內，因此信號經過FRFT后估計得到的頻率不再是脈沖信號的中心頻率，而是對應于t＝0時刻的頻率，這就給傳統的基于FRFT的MUSIC算法帶來估計上的誤差。為此文中提出了一種針對脈沖LFM的FRFT的基于MUSIC算法，對估計的中心頻率進行修正，重新構造分數階域的方向向量。當信號的起點和觀測時間的起點相同時，信號的中心頻率正好是t＝0時刻點的信號頻率，但是當LFM脈沖信號沿t軸平移后（信號不完全包含于觀測時間內的情況），在觀測時間內的時寬有所變化，所以此時信號的中心頻率與經過FRFT后估計的信號頻率不再相等。因此本文對分數階傅里葉域的陣列流行向量進行了修正，得到了修正后的方向向量，從而FRFT的MUSIC算法的波達方向（DOA）估計進行了改進。數值仿真驗證了該算法對方位估計的有效性，并仿真分析信噪比（SNR）和脈沖信號時間寬度對方位估計結果的影響。在延遲較小時，盡管未修正的傳統FRFT估計DOA算法的估計結果的方差與修正后估計的方差相差無幾，但是估計的均值和實際的入射角有較大差異。當延遲較大時，未修正的算法不僅估計的均值偏差較大，而且方差也隨之增大許多，但是修正后的估計均值與理論值相差無幾，方差增大了。這是由于隨著觀測時間中包含的信號脈寬的減少，FRFT域的信噪比下降。因此，可以表明修正后的算法較傳統的基于FRFT的MUSIC算法提高了對脈沖信號中心頻率估計準確性、提高了DOA估計的準確性，并且在脈沖信號寬度特別小時，也能夠準確估計DOA，而且方差較小。該方法擴大了用FRFT處理寬帶LFM信號的適用范圍。在統計時間內，該方法對各頻率單元波束輸出結果進行了特征信息分析，提取到了不同頻率單元波束輸出結果所具有的不同特征信息，然后對各頻率單元波束輸出結果進行了信息融合，綜合了寬帶能量累積和FFT分析對目標檢測所具有的優勢，即在目標輻射信號不具有強線譜情況下，該方法具有寬帶能量累積的檢測優勢，在目標輻射信號具有強線譜情況下，該方法具有FFT分析的檢測優勢，進而克服了寬帶能量累積和FFT分析對另一情況下存在的檢測性能不足，且避免了FFT分析需要對每一個頻率單元的結果進行循環分析判斷以及四維顯示的麻煩。通過仿真和實驗數據驗證了，在目標輻射信號具有強線譜情況下，該方法的檢測性能與頻率已知時的檢測性能一致，遠高于寬帶能量累積的檢測性能。該方法利用陣列信號處理方法對目標輻射信號所含有的特征信息進行了分析與融合，突破了傳統檢測方法采用單一方式實現目標檢測所存在的弊端，為遠程目標檢測提供了一個新的思路和途徑。

來源出版物：兵工學報, 2014, 35(3): 421-427

入選年份：2016

水下聲信號未知頻率的目標檢測方法研究

陳新華，鮑習中，李啟虎，等

摘要：在傳統寬帶檢測體制下，能量檢測器常被作為最佳檢測器用于高斯噪聲背景下高斯信號的目標檢測。理論和實驗證明，水下目標輻射信號含有豐富的單頻分量，通常線譜譜級比連續譜譜級要高出10～25 dB。在小信噪比下，基于寬帶能量累積的常規被動聲納檢測技術已遠遠不能滿足遠程探測的需要。在高斯噪聲背景下，研究有別于寬帶能量累積的目標檢測方法，利用目標輻射信號中的線譜成份所包含的特征信息實現對遠程目標的檢測，將為遠程目標檢測提供一種新的途徑。目前，針對具有線譜情況的水下目標檢測，一般使用FFT分析，但通常情況下目標輻射信號中的線譜位置是未知的，即目標輻射信號的線譜頻率大小未知，因此為了利用最大輸入信噪比檢測信號，需要對分析頻帶內的每個頻率單元進行處理，每一個頻率單元對應一個波束輸出，需要對每一個頻率單元的結果進行循環分析判斷才能得到對目標的正確檢測，存在四維顯示的難點，在實際工程應用中是不可取的。針對頻率未知情況下的水下目標檢測，如何使檢測結果輸出簡便，而且利用較高的輸入信噪比和獲得足夠大的處理增益，提出了一種基于方位穩定性的目標檢測方法。當線譜信噪比足夠大使得該線譜能夠穩定檢測目標，且在統計時間內目標方位變化較慢時，該方法首先對接收的基元信號進行FFT分析和相位補償，對每一個頻率單元進行波束形成，得到各頻率單元的波束輸出結果；其次對各頻率單元的波束輸出結果求最大值，該值所在位置即為對應著該頻率單元的DOA估計值；然后對上述信號處理過程重復N次，即連續處理N幀信號后再分別計算每個頻率單元的DOA方差；最后對每一個方位的輸出值進行統計計算，作為最后的波束輸出，其統計過程為：首先將最后的波束輸出置0，在某一個頻率單元的某一幀DOA對應值上累加該頻率單元對應的DOA方差的倒數。該方法依據噪聲對應頻率單元波束輸出的最大值對應位置隨機、方差較大，目標對應頻率單元波束輸出最大值對應位置基本一致、方差較小甚至為零的特點，在統計計算各頻率單元的方位估計結果后，目標真實方位附近的波束輸出值將遠遠大于其它方位波束輸出值，從而實現對目標的檢測。在統計時間內，該方法對各頻率單元波束輸出結果進行了特征信息分析，提取到了不同頻率單元波束輸出結果所具有的不同特征信息，然后對各頻率單元波束輸出結果進行了信息融合，綜合了寬帶能量累積和FFT分析對目標檢測所具有的優勢，即在目標輻射信號不具有強線譜情況下，該方法具有寬帶能量累積的檢測優勢，在目標輻射信號具有強線譜情況下，該方法具有FFT分析的檢測優勢，進而克服了寬帶能量累積和FFT分析對另一情況下存在的檢測性能不足，且避免了FFT分析需要對每一個頻率單元的結果進行循環分析判斷以及四維顯示的麻煩。通過仿真和實驗數據驗證了，在目標輻射信號具有強線譜情況下，該方法的檢測性能與頻率已知時的檢測性能一致，遠高于寬帶能量累積的檢測性能。該方法利用陣列信號處理方法對目標輻射信號所含有的特征信息進行了分析與融合，突破了傳統檢測方法采用單一方式實現目標檢測所存在的弊端，為遠程目標檢測提供了一個新的思路和途徑。

來源出版物：兵工學報, 2012, 33(4): 471-475

入選年份：2016