基于矢量傳感器的地下振動信號檢測技術

方爾正 王歡 李響 桂晨陽 張秋實 馬旭卓

摘 要： 研究了地下振動信號的產(chǎn)生和振動機制，設計了地下振動信號檢測系統(tǒng)試驗方案。對利用矢量傳感器采集到的信號進行處理，研究了地下振動信號的功率譜分布，綜合利用信號去趨勢、經(jīng)驗模態(tài)分解、小波去噪三種去噪方法，消除了混疊于振動信號中的噪聲。通過對實測數(shù)據(jù)的處理，得到在0°到90°間，系統(tǒng)對目標的定向結果和來波方向的誤差除了0°和90°以外，均小于10°，驗證了矢量傳感器有較好的定向能力。為下一步繼續(xù)研究提供了技術支撐，且對矢量傳感器在地下振動信號檢測領域的工程化應用奠定了基礎。

關鍵詞： 矢量傳感器； 定向； 地下振動信號

中圖分類號： TP 212.9，TP 274 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2018）01-0087-04

0 引 言

利用地下振動信號進行地下探測是直接獲取地下信息的重要途徑之一，在地質(zhì)研究、地下巖層結構研究以及地下掩埋人員的救援等方面都具有重要意義。本文主要針對矢量傳感器采集得到的地下振動信號進行數(shù)據(jù)分析和信號處理，并在此基礎上分析振動信號的組成成分和頻譜特征，分析地下振動信號通過土壤介質(zhì)傳播時的速度特性以及頻譜衰減規(guī)律。對采集到的實際信號進行消趨勢和小波去噪為后續(xù)工作提供比較理想的目標信號。對目標信號進行定向計算，得到傳感器的定向情況和測量距離。本文驗證了運用矢量傳感器進行來波定向的可行性，同時為矢量傳感器在地下振動信號檢測領域的工程化應用奠定基礎，進而為后續(xù)研究內(nèi)容提供技術支持。

1 地下振動信號的產(chǎn)生和振動機制

地表或地下巖體因地層內(nèi)力過大發(fā)生破裂而產(chǎn)生激振，通過土地介質(zhì)傳播的振動信號被稱為地下振動信號。土壤介質(zhì)是一種由固體介質(zhì)和流體介質(zhì)混合而成的介質(zhì)，其地下振動信號的傳播方式更為復雜。地下振動信號的目標檢測就是通過對所接收到的振動信號特性進行研究，分析激勵源的方向、方位等特性。

根據(jù)BIOT提出的飽和多孔介質(zhì)中的彈性波傳播理論，由于快縱波主要通過流體飽和孔隙固體中的土壤固體顆粒進行傳播，孔隙具有相對較小的頻散特性和良好的矢量性。而慢縱波波速較低，橫波在低速帶中的吸收衰減很大，且橫波剖面往往信噪比不高，分辨率較低，勘探的能力有限，且激振源對地面激振形成地下振動信號中的橫波傳播至傳感器時會有一定的畸變，會給信號處理帶來困難。因此綜合上文的研究，本文主要利用地下振動信號中的快縱波對激振源進行定向。

2 地下振動信號檢測系統(tǒng)組成方案

傳感器是現(xiàn)代設備的感官，能夠?qū)⒏鞣N類型的信號轉(zhuǎn)化成與該信號成一定關系的電信號，方便電子設備對其進行處理。當激勵地面時，會產(chǎn)生向四周傳播的地下振動信號，地下振動信號可以引起周圍介質(zhì)的振動，所以對地下振動的測量可以等效于對土壤介質(zhì)振動的測量，使用哈爾濱工程大學自主研發(fā)的二維矢量傳感器進行實驗，通過對兩個正交方向傳感器得到的數(shù)據(jù)進行處理，就可以實現(xiàn)對激振源的定向。

本文設計的基于矢量傳感器的地下振動信號信號檢測系統(tǒng)主要包括兩部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集模塊和計算機信號處理系統(tǒng)。如圖3所示。

3 地下振動信號處理方法

由于土壤介質(zhì)通常是不均勻性的，而且還含有大量的環(huán)境噪聲，通過地下振動檢測系統(tǒng)采集得到的地下振動信號往往混疊這大量的環(huán)境噪聲，難以對數(shù)據(jù)進行直接分析。圖4為利用矢量傳感器采集得到的原始實測數(shù)據(jù)。

由圖4可以看出，系統(tǒng)采集得到的x和y矢量信號具有不同的零點漂移，且低頻抖動很大，難以通過對數(shù)據(jù)的直接處理獲得目標方位角，為了得到更準確的結果，需去掉地下振動信號通過土壤傳播時受到的低頻干擾和攜帶的白噪聲。對數(shù)據(jù)采集模塊采集到的地下振動信號進行信號去趨勢處理，為接下來的信號處理過程提供更有效信號。圖5為4種消趨勢法處理后的信號和噪聲功率譜。

比較圖5中采用4種消趨勢方法處理后的信號噪聲功率譜，可見利用中位數(shù)法、滑動遞歸、矩形窗三種消趨勢方法都只能夠?qū)?Hz處的低頻干擾消減到107 dB，而對中位數(shù)去趨勢處理后，再將輸出信號進行滑動遞歸擬合的中位數(shù)改進法可將1 Hz處低頻干擾消減到96 dB?？梢娭形粩?shù)改進法與其他3種方法相比具有更優(yōu)秀的去低頻干擾性能，所以本文對信號的處理均采用中位數(shù)改進法去趨勢。

通過利用經(jīng)驗模態(tài)分解對實測地下振動信號進行處理可以得到其各層經(jīng)驗模態(tài)，去除imf7以后的固有模態(tài)函數(shù)，可充分消除低頻干擾。之后對經(jīng)驗模態(tài)分解的信號進行小波去噪，選擇Daubechies小波作為基小波，采用Daubechies小波系的db5，尺度為5層，多分辨分析的同時可以實現(xiàn)消除噪聲的目的。

如圖6和圖7所示，信號經(jīng)過經(jīng)驗模態(tài)分解和小波去噪處理后，信號中混疊的噪聲聲能級明顯下降，濾除了大部分噪聲，由此可見組合運用經(jīng)驗模態(tài)分解去噪和小波去噪的方法能夠在保留原有信號的同時，去除大部分干擾信號，經(jīng)過這樣預處理的信號可以更好的實現(xiàn)對信號源的方位估計。

4 數(shù)據(jù)處理

利用外場實驗得到的原始數(shù)據(jù)，以及上述去噪的方法對信號進行處理，充分濾除信號中混疊的噪聲，再利用

可得到目標的估計所在角度。式（1）中，vx和vy分別為傳感器x和y通道得到的數(shù)據(jù)。實驗結果如表1～表3所示。由表1～表3可以看出，本文所設計的基于矢量傳感器的地下振動信號檢測系統(tǒng)可以在平坦干燥的土壤環(huán)境中，到的范圍內(nèi)，對激勵源做出較好的定向。地下振動信號檢測系統(tǒng)可以對激振源實現(xiàn)比較準確的方向估計。

5 結 論

本文完成了基于矢量傳感器的地下振動信號檢測系統(tǒng)的方案設計，通過對信號消趨勢，經(jīng)驗分解和小波去噪后得到了具有更高信噪比的有效信號。通過對外場試驗采集得到實驗數(shù)據(jù)進行處理，對激勵源實現(xiàn)了較好的方向估計，驗證了系統(tǒng)設計方案的合理性。

參考文獻：

[1] 周曉曉. 地聲信號處理方法研究[D]. 哈爾濱工程大學，2009.

[2] 時勝國. 矢量水聽器及其在平臺上的應用研究[D]. 哈爾濱工程大學，2007.

[3] 劉宏. MEMS矢量傳感器在油氣管道檢測系統(tǒng)中的優(yōu)化設計[D]. 中北大學，2014.

[4] 何光進. 基于EMD與三階累積量的水聲瞬態(tài)信號檢測[J]. 艦船科學技術，2012，34（1）：78-81.

[5] 胡廣書. 數(shù)字信號處理——理論、算法與實現(xiàn)[M]. 北京：清華大學出版社，2003：496-524.