振动信号分级判断识别方法、落石能量规模计算方法、落石危险预警方法技术

本发明专利技术公开了一种振动信号分级判断识别方法。针对现有技术中缺乏将多种分析方法结合使用且旨在提高振动信号分析精度的缺陷，本发明专利技术提供了一种将振幅分析、能量分析、频率分析结合一体，并通过在不同判识级别层面上采用不用的信号分析指标与分析方法，实现提高判识准确度的振动信号的多级判识方法。本方法的运算中心将原始时间‑振幅信号后依照去噪处理、振幅指标的信号I级判识、基于FFT变换的信号II级判识、基于STFT变换的信号Ⅲ级判识的步骤实施，最终判断目标振动是否发生。本发明专利技术还公开了落石能量规模计算方法以及落石预警监测方法。本发明专利技术方法原理可靠，计算过程科学简便，实施仪器简单，安装方便，测算结果精度高，特别适用于工程领域的需要。

【技术实现步骤摘要】
振动信号分级判断识别方法、落石能量规模计算方法、落石危险预警方法
本专利技术涉及一种振动信号分级判断识别方法，以及落石能量规模计算方法与落石危险预警方法，属于振动信号监测测量
、灾害监测预警
、土木工程

技术介绍
振动信号是指由非静止物体所产生的信号，而由于非静止状态是物体的绝对状态，因而振动特性及产生的振动信号成为物体的固有特性。在受激发状态下，若振动源的激励与物体的固有特性参数相同或接近时，会产生共振响应。物体的振动响应是各个频率特征信息的叠加。振动信号的时域特征主要体现在振幅、周期、相位等特性上，其频域特征则主要表现在频率、能量信息中。振动信号处理技术通过提取并分析振动信号中原始或经由变换产生的各种特征信息，反向演算掌握振动本身的特性。在此基础上，进一步通过对振动原因进行朔源分析或者对振动结果进行预测分析，可以将振动信号处理技术应用于参数检测、质量评价、状态监测和故障诊断等诸多领域。现有技术中，振动信号的处理方法大致可分为2类：一类是传统方法，典型的有幅值域分析法、傅里叶变换和相关分析等。另一类是现代方法，典型的有Wigner-Ville分布、谱分析、小波分析、盲源分离、Hilbert-Huang变换和高阶统计量分析等。尽管这些分析方法各有其优劣及适用性，也曾在某些
被加以结合使用，但现有技术中还没出现将多种分析方法结合使用且旨在提高振动信号分析精度，尤其是通过将技术流程不同阶段使用不同分析方法，以实现对振动信息的分级判识，综合提高振动信息分析精度的技术方案。在地质环境灾害监测领域中，目标灾害发生所产生的振动信号的分析技术的有效性更是关涉重大。漏识漏报可能出现响应迟缓，造成人身财产损失，误识误报又可能出现响应无功，造成不必要的紧急状态投入，特别是造成人员的心理疲劳、警惕性降低。在地质灾害监测领域中，由于需监测的目标振动随时处于复杂环境中，各类干扰性振动信号交错叠加，更需提高目标振动信号的判断识别精度。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，首先提供一种对目标振动信号进行分级分析，以实现对目标振动进行分级判识的方法。其技术方案如下：一种振动信号分级判断识别方法，用于在振动监测工程中判断识别目标振动信号，所述目标振动是阻尼类振动；方法是在目标振动潜在发生位点布置振动传感器实时采集、传输原始信号至运算中心，运算中心获得原始时间-振幅信号；运算中心依如下步骤判断识别目标振动信号；步骤S1、去噪处理滤除原始信号中的直流成分、长周期偏移、低频异常，得到滤波后信号，进入步骤S2；步骤S2、目标振动信号I级判识设置振幅阈值As，当滤波后信号振幅≥As时，判识为I级目标振动信号，记录该点时刻值T1，进入步骤S3；所述振幅阈值As通过目标振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的目标振动振幅变化特征确定；其特征在于：步骤S3、目标振动信号II级判识步骤S31、FFT变换将滤波后信号进行FFT变换，得到自时刻值T1起的频率-振幅信号，进入步骤S32；步骤S32、信号判识由步骤S31所得频率-振幅信号计算得到频率-能量信号，计算能量比值，若能量比值≥能量比值阈值RE，判识为II级目标振动信号，记录时间刻值T2，退出步骤S32进入步骤S4；否则进入步骤S1；所述能量比值是频率-能量信号中目标振动频率范围内信号能量值与全部信号能量值的比值；所述能量比值阈值RE通过目标振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的目标振动能量变化特征确定；步骤S4、目标振动信号Ⅲ级判识步骤S41、STFT变换将滤波后信号进行STFT变换，得到自时刻值T2起的时间-频率-能量信号，进入步骤S42；步骤S42、信号判识自时间刻值T2起沿时间轴向右选取时间-频率点，并计算已选取的时刻-频率点的能量值均值，当能量值均值≥能量均值阈值A0时判定为振动发生，继续沿时间轴向右选取时间-频率点，当连续2s内的能量值均值＜A0时，判断为振动结束；所述能量均值阈值A0通过目标振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的目标振动能量变化特征确定；对振动起止时间内的时间-频率点的能量值进行最小二乘拟合，得到该次振动期间的拟合系数集合；若拟合系数集合满足能量拟合阈值时，判识为Ⅲ级目标振动信号，目标振动发生在时刻值T3，T3是当能量值均值≥能量均值阈值A0的时刻值，否则进入步骤S1；所述能量拟合阈值通过目标振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的目标振动能量变化特征确定；根据Ⅲ级目标振动信号判识结果判断目标振动是否发生。上述振动信号分级判断识别方法中，作为监测对象的目标振动是随机阻尼类型振动，具有随机性、撞击过程引起的震动初次最明显，慢慢减小直到最终停止特征。其振动信号具有阻尼震动特征，信号先呈最大，然后逐渐震荡减小，直至为0特征，属于阻尼类型振动信号。例如落石振动、高空坠物引起的振动、蹦极运动引起绳索的振动、自由落体过程中的振动等都属于这类振动。上述方法是综合运用多种分析方法，对振动信号中时域内的振幅信息与频域内的频率、能量信息进行分步分析识别，以实现对振动信号分级判识确认、提高识别准确性的目的。技术方案对滤波去噪后的滤波后振动信号采用三级判断识别：(1)I级判识是振动幅值判识。振幅是振动信号在时域中最基本的振动特征参数，采用振动判识，可以初步判识该状态下是否有高量级震动事件引起信号的突变，排除基本的背景噪声。但振幅判识方法过于粗略，仅能定性判识事件的大概可能性，因而采用振幅判识振动信号存在将背景噪声、仪器本身误差误判为有效事件的缺点，为克服此缺陷，需要信号处理进一步定量判识。(2)II级判识是基于FFT变换的频域频率-能量判识。FFT变换的典型用途是将信号分解成频率-幅度谱，这样我们就可以知道震动信号的各个频率成分及其振幅，进而获取信号在各个频率范围内的能量分布情况。II级判识能够通过FFT变换可以在得到震动信号的频率分布，能够定量获取事件信号主要成分集中的频率范围，但该方法缺失了信号的时间信息，存在仅保留信号的频率-能量信息的缺陷，因此需要进一步的Ⅲ级判识。(3)Ⅲ级判识是基于STFT变换的频率-能量判识。STFT变换是一种二维时频变换，可以得到震动信号在时间-频率域的能量分布，不同事件的震动信号在时间-频率域有明显区别，可以通过定量计算震动信号在时间-频率域能量的分布范围和强度进行判识。通过Ⅲ级判识能够定量计算震动事件在时间-频率域能量的分布范围和强度，最终确定震动事件的类型和发生时间。本技术方案在对振动信号的逐级判断识别中，每一级的判识都采用阈值比对的基本方法。I级判识依据振幅阈值As，II级判识依据能量比值阈值RE，Ⅲ级判识依据能量均值阈值A0、能量拟合阈值。这些阈值都可以通过前期的目标振动试验结果分析得出的，或者根据目标振动历史资料记录统计分析得出的。例如落石振动试验或相应的历史数据，列车行车时车轮与轨道间的振动试验或相应的历史数据，复合材料材料抗阻特性实验或相应的历史振动数据，地震波衰减特性实验或相应的历史数据，岩石力学中弹性波传播实验或相应的历史数据等等。本专利技术上述振动信号分级判断识别方法的技术方案中，目标振动可以具体确定为落石振动，进而，技术方案可以针对性用于落石发生的振相分析方法，用于落石振动信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
振动信号分级判断识别方法，用于在振动监测工程中判断识别目标振动信号，所述目标振动是阻尼类振动；方法是在目标振动潜在发生位点布置振动传感器实时采集、传输原始信号至运算中心，运算中心获得原始时间‑振幅信号；运算中心依如下步骤判断识别目标振动信号；步骤S1、去噪处理滤除原始信号中的直流成分、长周期偏移、低频异常，得到滤波后信号，进入步骤S2；步骤S2、目标振动信号I级判识设置振幅阈值A

【技术特征摘要】
1.振动信号分级判断识别方法，用于在振动监测工程中判断识别目标振动信号，所述目标振动是阻尼类振动；方法是在目标振动潜在发生位点布置振动传感器实时采集、传输原始信号至运算中心，运算中心获得原始时间-振幅信号；运算中心依如下步骤判断识别目标振动信号；步骤S1、去噪处理滤除原始信号中的直流成分、长周期偏移、低频异常，得到滤波后信号，进入步骤S2；步骤S2、目标振动信号I级判识设置振幅阈值As，当滤波后信号振幅≥As时，判识为I级目标振动信号，记录该点时刻值T1，进入步骤S3；所述振幅阈值As通过目标振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的目标振动振幅变化特征确定；其特征在于：步骤S3、目标振动信号II级判识步骤S31、FFT变换将滤波后信号进行FFT变换，得到自时刻值T1起的频率-振幅信号，进入步骤S32；步骤S32、信号判识由步骤S31所得频率-振幅信号计算得到频率-能量信号，计算能量比值，若能量比值≥能量比值阈值RE，判识为II级目标振动信号，记录时间刻值T2，退出步骤S32进入步骤S4；否则进入步骤S1；所述能量比值是频率-能量信号中目标振动频率范围内信号能量值与全部信号能量值的比值；所述能量比值阈值RE通过目标振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的目标振动能量变化特征确定；步骤S4、目标振动信号Ⅲ级判识步骤S41、STFT变换将滤波后信号进行STFT变换，得到自时刻值T2起的时间-频率-能量信号，进入步骤S42；步骤S42、信号判识自时间刻值T2起沿时间轴向右选取时间-频率点，并计算已选取的时刻-频率点的能量值均值，当能量值均值≥能量均值阈值A0时判定为振动发生，继续沿时间轴向右选取时间-频率点，当连续2s内的能量值均值＜A0时，判断为振动结束；所述能量均值阈值A0通过目标振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的目标振动能量变化特征确定，对振动起止时间内的时间-频率点的能量值进行最小二乘拟合，得到该次振动期间的拟合系数集合；若拟合系数集合满足能量拟合阈值时，判识为Ⅲ级目标振动信号，目标振动发生在时刻值T3，T3是当能量值均值≥能量均值阈值A0的时刻值，否则进入步骤S1；所述能量拟合阈值通过目标振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的目标振动能量变化特征确定；根据Ⅲ级目标振动信号判识结果判断目标振动是否发生。2.利用权利要求1所述的监测目标振动信号分级判断识别方法实现的监测目标振动能量规模计算方法方法，其特征在于：在所述步骤S42中，判识为Ⅲ级目标振动信号后，记录时间刻值T3，退出步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏志满，严炎，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51