基于應(yīng)力波小波包能量的土壤含水率監(jiān)測*

冷志鵬 何敬民 侯爽

開發(fā)設(shè)計

基于應(yīng)力波小波包能量的土壤含水率監(jiān)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(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640）

目前土壤含水率只能在一點(diǎn)或一條線上進(jìn)行監(jiān)測，為在更大范圍的空間區(qū)域進(jìn)行土壤含水率監(jiān)測，提出基于應(yīng)力波小波包能量的土壤含水率監(jiān)測方法。采用壓電型傳感器分別激勵和接收土壤中的應(yīng)力波信號；利用小波包總能量建立能量指標(biāo)與土壤含水率的關(guān)系。試驗結(jié)果顯示：能量指標(biāo)幅值與土壤含水率呈正相關(guān)關(guān)系。基于小波包波動能量的土壤含水率監(jiān)測方法可應(yīng)用于滑坡預(yù)警。

小波包能量；土壤含水率；滑坡監(jiān)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(jiān)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(xiàn)場土體中取樣烘干，費(fèi)時費(fèi)力，無法大面積實時連續(xù)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(xù)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(xué)量變化監(jiān)測線狀區(qū)域土壤含水率，測量設(shè)備昂貴，無法實現(xiàn)空間區(qū)域的含水率監(jiān)測。

壓電陶瓷材料具有信號抗干擾、反應(yīng)迅速、頻帶寬等特點(diǎn)，且可實現(xiàn)驅(qū)動、傳感一體化。基于壓電陶瓷的主動傳感技術(shù)已應(yīng)用于土壤凍融過程的監(jiān)測[3]，然而環(huán)境噪聲對監(jiān)測結(jié)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(fā)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(diǎn)，可提高信號的抗噪性和損傷敏感性。目前小波包能量指標(biāo)已經(jīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)界面剝離狀態(tài)監(jiān)測[4]。

為實現(xiàn)較大范圍的空間區(qū)域土壤含水率監(jiān)測，本文提出利用壓電陶瓷傳感器及應(yīng)力波小波包能量的土壤含水率監(jiān)測方法。首先，在試驗土體中預(yù)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(fā)射端壓電傳感器，對接收端信號進(jìn)行小波包分解并計算能量值；最后，建立能量指標(biāo)與土壤含水率之間的關(guān)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(shù)。

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(jiān)測試驗

本文選取沙土作為研究對象，根據(jù)GB50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行試驗測定。本文采用一對壓電傳感器實現(xiàn)應(yīng)力波的收發(fā)機(jī)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(dāng)土壤高度達(dá)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(xù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)照片如圖2所示，詳細(xì)內(nèi)容參考文獻(xiàn)[6]。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)照片

本試驗設(shè)計的土壤含水率變化范圍為10%~30%。試驗開始時，F(xiàn)DR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(diào)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(jié)果及分析

激勵信號是頻率為10 Hz~2000 Hz的正弦掃頻信號。當(dāng)含水率從24.1%增大到33.2%時，共采集24組數(shù)據(jù)，結(jié)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(jié)果

圖3 不同含水率下掃頻信號結(jié)果（續(xù)）

本文采用db9（Daubechies 9）小波基對信號進(jìn)行分解，分解階數(shù)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(jù)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(yīng)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(jìn)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(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 小波包總能量與含水率的關(guān)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(jié)論

針對滑坡區(qū)土壤含水率難以進(jìn)行區(qū)域性監(jiān)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(jiān)測方法進(jìn)行試驗研究。試驗結(jié)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(tài)；2）小波包能量值對土壤含水率變化較為敏感，采用基于應(yīng)力波小波包能量的土壤含水率監(jiān)測在土壤區(qū)域性含水率監(jiān)測方面具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 常丹,李旭,劉建坤,等.土體含水率測量方法研究進(jìn)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(shù),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(xué)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(yīng)力波時間反演法的土壤含水率監(jiān)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(nóng)業(yè)工程學(xué)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(qū)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)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(jiān)測。

侯爽，男，1977年生，博士，副教授，主要研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)抗震、監(jiān)測。E-mail: cthous@scut.edu.cn