基于應力波小波包能量的土壤含水率監測*

冷志鵬 何敬民 侯爽

開發設計

基于應力波小波包能量的土壤含水率監測*

冷志鵬1何敬民2侯爽2

（1.寧波杉工智能安全科技股份有限公司，浙江 寧波 315153 2．華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640）

目前土壤含水率只能在一點或一條線上進行監測，為在更大范圍的空間區域進行土壤含水率監測，提出基于應力波小波包能量的土壤含水率監測方法。采用壓電型傳感器分別激勵和接收土壤中的應力波信號；利用小波包總能量建立能量指標與土壤含水率的關系。試驗結果顯示：能量指標幅值與土壤含水率呈正相關關系。基于小波包波動能量的土壤含水率監測方法可應用于滑坡預警。

小波包能量；土壤含水率；滑坡監測；壓電材料

0 引言

降雨引起的土壤含水率增加是造成山體滑坡的重要原因。目前，工程上土壤含水率監測方法主要包括烘干法、頻域反射計法（frequency domain reflector, FDR）和時域反射計法（time domain reflector, TDR）。烘干法需從現場土體中取樣烘干，費時費力，無法大面積實時連續測量[1]。FDR利用電磁波頻率變化來測量土壤含水率，體積小、操作簡單，可實時連續測量，但常用于單個位置的土壤含水率測量[2]。TDR利用插在土壤中的電纜電學量變化監測線狀區域土壤含水率，測量設備昂貴，無法實現空間區域的含水率監測。

壓電陶瓷材料具有信號抗干擾、反應迅速、頻帶寬等特點，且可實現驅動、傳感一體化。基于壓電陶瓷的主動傳感技術已應用于土壤凍融過程的監測[3]，然而環境噪聲對監測結果的影響不容忽視。小波包分析理論基于信號的傅里葉變換發展，具有可變分辨率、時頻局部化、高頻段時間分辨率高等特點，可提高信號的抗噪性和損傷敏感性。目前小波包能量指標已經用于混凝土結構界面剝離狀態監測[4]。

為實現較大范圍的空間區域土壤含水率監測，本文提出利用壓電陶瓷傳感器及應力波小波包能量的土壤含水率監測方法。首先，在試驗土體中預埋壓電傳感器和FDR水分計；其次，利用噴淋方法改變土體含水率；再次，掃頻信號作用于發射端壓電傳感器，對接收端信號進行小波包分解并計算能量值；最后，建立能量指標與土壤含水率之間的關系。

1 小波包能量法

在小波包分析中，傳感器接收信號可通過階波包分解成2個頻帶，其能量譜可表示為[5]

式中為采樣數。

第個頻帶能量E計算公式為

信號總能量可由分解信號能量求和取得，計算公式為

2 監測試驗

本文選取沙土作為研究對象，根據GB50007—2011建筑地基基礎設計規范進行試驗測定。本文采用一對壓電傳感器實現應力波的收發機制。為避免傳感器在土壤振搗過程中移位，用鐵絲將傳感器固定于同一條直線上，且2個傳感器間的距離為1 m。

制作用于盛放試驗土體的立方體容器，尺寸為1.5 m×0.6 m×0.6 m。將土壤分層加入容器中，并振搗壓實。當土壤高度達20 cm時，放置事先固定的壓電傳感器，同時將3個FDR水分計均勻埋置于壓電傳感器之間；然后，繼續填入土壤，并充分振搗壓實；最后，試驗土體高度為0.4 m，壓電傳感器置于土體縱向的中心位置。土壤試驗體及傳感器布置圖如圖1所示。

圖1 土壤試驗體及傳感器布置圖

試驗數據采集系統照片如圖2所示，詳細內容參考文獻[6]。

圖2 數據采集系統照片

本試驗設計的土壤含水率變化范圍為10%~30%。試驗開始時，FDR通過烘干將土壤含水率控制為10%；試驗過程中，通過噴淋裝置調整土壤含水率，使含水率變化梯度為1%，并通過FDR水分計實時觀察土壤含水率。

3 試驗結果及分析

激勵信號是頻率為10 Hz~2000 Hz的正弦掃頻信號。當含水率從24.1%增大到33.2%時，共采集24組數據，結果如圖3所示。如圖3可見，隨著含水率的增加，采集信號的幅值呈降低趨勢。

圖3 不同含水率下掃頻信號結果

圖3 不同含水率下掃頻信號結果（續）

本文采用db9（Daubechies 9）小波基對信號進行分解，分解階數為6，即把信號分解為64（26）個頻帶。信號采樣率為25600 Hz，頻帶分辨率為200 Hz。因為掃頻信號頻率范圍為50 Hz ~2000 Hz，所以只有前10個頻帶信號幅值較大，本文只給出前10個頻帶的各個頻帶分解信號。

以含水率為24.1%時的信號為例，基于小波包分解法，根據式(2)前10個頻帶的分解信號如圖4所示。由圖4可知，在0 Hz~2000 Hz頻帶應力波能量分布大致均值。

圖4 頻帶1~10分解信號

通過式(3)可計算各個頻帶能量，由于第11~64個頻帶能量較小，此處只給出前10個頻帶能量，如表1所示。

表1 前10個頻帶能量

通過式(4)，對1~64個頻帶能量進行疊加，可得含水率24.1%時的小波包總能量為3496 v2。以此類推，可計算出不同含水率時的小波包總能量，對應關系如圖5所示。

圖5 小波包總能量與含水率的關系

由圖5可知：小波包總能量隨土壤含水率的增大而減小。這是因為土壤含水率增大時，土壤孔隙中流動水增多，流動水的擾動使土壤中孔隙變大，因此傳播能量下降[7]。

4 結論

針對滑坡區土壤含水率難以進行區域性監測的問題，本文采用基于壓電主動傳感信號小波包分解法對土壤含水率監測方法進行試驗研究。試驗結果表明：1）小波包能量值隨著含水率的增大而減小，通過分析小波包能量值可以確定土壤的含水率狀態；2）小波包能量值對土壤含水率變化較為敏感，采用基于應力波小波包能量的土壤含水率監測在土壤區域性含水率監測方面具有很好的應用前景。

[1] 常丹,李旭,劉建坤,等.土體含水率測量方法研究進展及比較[J].工程勘察,2014,42(9):17-22,35.

[2] 李玥,汪雅婷,黃致綺.土壤含水率測量方法分析及比較[J].儀表技術,2017(8):15-17.

[3] KONG Q, WANG R, SONG G, et al. Monitoring the soil freeze-thaw process using piezoceramic-based smart aggregate[J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2014, 28(2): 6014001.

[4] 許斌,李冰,宋剛兵,等.基于壓電陶瓷的鋼管混凝土柱剝離損傷識別研究[J].土木工程學報,2012,45(7):86-96.

[5] YEN G G, LIN K. Wavelet packet feature extraction for vibration monitoring[J]. IEEE transactions on industrial electronics, 2000, 47(3): 650-667.

[6] 侯爽,何敬民.基于應力波時間反演法的土壤含水率監測[J]. 自動化與信息工程, 2020,41(6):32-36

[7] 李君,徐巖,姜銳,等.超聲波土壤含水量檢測裝置的模型建立與驗證[J].農業工程學報,2017,33(13):127-133.

Soil Moisture Monitoring Based on Wavelet Packet Energy of Stress Wave

Leng Zhipeng1He Jingmin2Hou Shuang2

(1. NingBo ShanGong Intelligent Security Technology Co.，Ltd. Ningbo 315153, China 2. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China )

At present, soil moisture can only be monitored at a point or along a line. In order to monitor soil moisture in a larger spatial area, a monitoring method based on stress wave wavelet packet energy is proposed. The piezoelectric sensor is used to excite and receive the stress wave signal in soil, and then the relationship between energy index and soil moisture content is established by using the total energy of wavelet packet. The results show that the amplitude of energy index is positively correlated with soil moisture content, and the soil moisture monitoring based on wavelet packet energy can be applied to landslide early warning

wavelet packet energy; soil moisture; landslide monitoring; piezoelectric material

TP277

A

1674-2605(2021)01-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.01.006

寧波市海曙區科技計劃資助項目（201804F027）

冷志鵬，男，1983年生，碩士研究生，主要研究方向：結構健康監測。

何敬民，男，1993年生，碩士研究生，主要研究方向：混凝土材料健康監測。

侯爽，男，1977年生，博士，副教授，主要研究方向：混凝土結構抗震、監測。E-mail: cthous@scut.edu.cn