一种基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法。该提取方法首先采集岩体声发射信号；将变分模式分解算法与相关系数结合提出一种有效分量的选取原则，通过选取原则提取出有效分量，并将有效分量进行重构，进而提取出强背景噪声下的有效声发射信号；然后将应力应变曲线按照其弹性模量的变化划分为四个阶段：线弹性阶段、非线性弹塑性阶段、临失稳阶段、失稳后阶段，最后分别提取四个阶段声发射重构信号的波形参数特征、时域特征、频域特征及熵值特征。本发明专利技术能准确地提取出包含发射信号的波形参数特征、时域特征、频域特征及熵值特征，为现场观测及预测预报岩体结构的破坏程度提供依据，进而有效地防范相关的自然灾害。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法
本专利技术属于信号特征提取
，具体涉及一种基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法。
技术介绍
我国地域幅员辽阔，存在各种复杂的地形，同时相应的也存在各种易发生的危害，而其中，山体滑坡造成的泥石流便是最为严重的一种，因此，监控岩体失稳从而准确防范此类自然灾害具有非常重大的意义。声发射现象是指当材料内部缺陷(或潜在缺陷)在外部施加应力的作用下自动发出声音的现象，而采集声发射信号便可以在一定程度上了解其内部的缺陷(或潜在缺陷)。对于此类现象岩石也不例外，通过采集其声发射信号便可以了解其内部的变化、裂纹的产生和扩展以及其他微观形变动态信息，但是，由于岩石的非均匀性、非线性、各向异性、材质差异及内部节理和外界因素的干扰，通过现有技术想要准确预测岩石的内部结构及变化却难以较好的实现；因此，为了准确防范山体滑坡及相关的自然灾害，非常有必要对声发射信号的处理方法进行突破性改进，提取出能够表征岩体破裂状态的特征参数，提高其预测的准确性，进而有效地防范此类自然灾害。
技术实现思路
(1)要解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法。(2)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了这样一种基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法，该提取方法首先采集岩体声发射信号；将变分模式分解算法与相关系数结合提出一种有效分量的选取原则，通过选取原则提取出有效分量，并将有效分量进行重构，进而提取出强背景噪声下的有效声发射信号；然后将应力应变曲线按照其弹性模量的变化划分为四个阶段：线弹性阶段、非线性弹塑性阶段、临失稳阶段、失稳后阶段，最后分别提取四个阶段声发射重构信号的波形参数特征、时域特征、频域特征及熵值特征。该提取方法的具体步骤为：步骤一、采集岩体声发射信号，并通过变分模式分解算法提取强背景噪声下的声发射信号；步骤二、通过将应力应变曲线按照其弹性模量的变化划分为四个阶段：线弹性阶段、非线性弹塑性阶段、临失稳阶段、失稳后阶段；再分别提取各阶段声发射信号的波形参数特征、时域特征、频域特征及熵值特征。优选地，在步骤一中，所述变分模式分解的尺度选取原则原则采用计算各分量与原始信号的相关系数，选取的分量为有效的IMF分量，当ρ值不变时，则认定为过分解现象产生终止分解，去除其高频噪声本征模态函数分量，对剩余本征模态函数分量进行重构作为有效声发射信号。优选地，在步骤二中，所述波形参数特征包含振铃计数、声发射事件数、幅度、持续时间、上升时间、到达时间等；所述时域特征包含峰峰值、均值、标准差、峭度值及偏度值等；所述频域特征包含主频、各频带能量、各频带聚集程度等；所述熵值特征包含近似熵、样本熵、多尺度样本熵等。(3)有益效果与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术针对现有变分模式分解算法提出了一种能有效本征模态函数的提取方法，通过该方法从而提取出强背景噪声下的有效声发射信号，同时综合现有的特征提取方式，结合对岩体失稳四个阶段信号的分析进行特征提取，使其包含发射信号波形参数特征、时域特征、频域特征及熵值特征，其中，波形参数特征包含振铃计数、声发射事件数、幅度、持续时间、上升时间、到达时间等；时域特征包含峰峰值、均值、标准差、峭度值及偏度值等；频域特征包含主频、各频带能量、各频带聚集程度等；熵值特征包含近似熵、样本熵、多尺度样本熵等；为现场观测及预测预报岩体结构的破坏程度提供依据，进而准确有效地防范山体滑坡及相关的自然灾害。附图说明为了更清楚的说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术中描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术具体实施方式中提取方法的流程图。图2为本专利技术具体实施方式中重构信号与原始信号的频谱图图3为本专利技术具体实施方式中岩体失稳现象各阶段的划分示意图。图4为本专利技术具体实施方式中振铃计数特征统计图图5为本专利技术具体实施方式中能量计数特征统计图图6为本专利技术具体实施方式中上升时间特征统计图图7为本专利技术具体实施方式中峰峰值特征统计图图8为本专利技术具体实施方式中均值特征统计图图9为本专利技术具体实施方式中峭度值特征统计图具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本专利技术具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本专利技术，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本专利技术的一部分实施方式，而不是全部的样式。本具体实施方式为基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法，该提取方法的流程图如图1所示，具体步骤为：步骤A.采用变分模式分解算法对岩体声发射信号进行不同尺度分解，计算各个IMF分量与原始信号的相关系数，根据有效分量选取原则选取有效IMF分量进行重构。其中，原始信号的自相关函数Rx和每个分解的分量的互相关函数Rj，即式中，x(i)表示原始信号某一时刻的状态，M表示信号序列的个数。求Rx和Rj的互相关系数rj，即其中|rj|的取值为0到1之间，|rj|越接近1，则IMF分量与原始信号的相关性越大；|rj|越接近0，则IMF分量与原始信号的相关性越小；|rj|大于0时，则正相关；|rj|小于0时，则负相关；|rj|等于0时，则两信号之间不相关。IMF分量与原始信号相关程度依照相关系数一般划分为三个等级：|rj|小于0.4表示IMF分量与原始信号低度相关；|rj|大于0.4小于0.7表示IMF分量与原始信号显著相关；|rj|大于0.7表示IMF分量与原始信号高度相关。选取的分量为有效的IMF分量，其中max相关系数指所有分量计算相关系数中最大值。VMD算法不同尺度的分解各个IMF分量与原始信号的相关系数值，如表1所示，其为VMD算法不同尺度的分解各个IMF分量与原始信号的相关系数，根据相关系数的有效分量选取原则选取有效分量进行重构，当K为2、3、4时根据相关系数筛选原则VMD分解的都为有效分量，并未分解出高频噪声分量，属于欠分解状态；当K为10时，通过计算VMD算法分解各个IMF分量与原始信号的相关系数可知，IMF6与IMF7的相关系数近似相等，属于过分解状态。表1、VMD算法不同尺度的分解各个IMF分量与原始信号的相关系数对比可知K选取8时，对比重构信号与原始信号的频谱，可以看出重构信号能够很好的去除原始岩体声发射信号的噪声，如图2所示。步骤B.通过应力应变曲线将岩体失稳划分为四个阶段，如图3所示。岩石应力应变关系可用表示为：σ＝Eε式中，E为岩石弹性模量即曲线斜率，σ为应力，ε为应变。(1)第Ⅰ阶段：线弹性阶段(OA阶段)；应力应变曲线呈现上凹形状，弹性模量E逐渐变大，即曲线斜率呈现逐渐增大趋势。(2)第Ⅱ阶段：非线性弹塑性阶段(AB阶段)；应力应变曲线呈现线性增长，岩石弹性模量E不变。(3)第Ⅲ阶段：临失稳阶段(BC阶段)；BC阶段起点B往往在最大应力点C的2/3处，从B点开始岩石弹性模量E不断下降，即应力应变曲线斜率随应力增加逐渐减小到零，曲线呈现下凹型。(4)第Ⅳ阶段：失稳后阶段(CD阶段)；应力逐渐下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法，其特征在于，该提取方法的具体步骤为：步骤一、采集岩体声发射信号，并通过变分模式分解算法提取强背景噪声下的声发射信号；步骤二、通过将应力应变曲线按照其弹性模量的变化划分为四个阶段：线弹性阶段、非线性弹塑性阶段、临失稳阶段、失稳后阶段；再分别提取各阶段声发射信号的波形参数特征、时域特征、频域特征及熵值特征。

【技术特征摘要】
1.一种基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法，其特征在于，该提取方法的具体步骤为：步骤一、采集岩体声发射信号，并通过变分模式分解算法提取强背景噪声下的声发射信号；步骤二、通过将应力应变曲线按照其弹性模量的变化划分为四个阶段：线弹性阶段、非线性弹塑性阶段、临失稳阶段、失稳后阶段；再分别提取各阶段声发射信号的波形参数特征、时域特征、频域特征及熵值特征。2.根据权利要求1所述的基于变分模式重构的岩体声发射信号特征提取方法，其特征在于，在步骤一中，所述变分模式分解的尺度选取原则采用计算各分量与原...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗小燕，卢文海，黄祥海，邵凡，周丹，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36