基于小波分析的岩石声发射信号处理技术

第４卷第５期　矿　业　工　程　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２００６年１Ｏ月　・岩土工程・　基于小波分析的岩石声发射信号处理技术　王更峰　（江西理工大学，江西赣州３４１０００）　摘要：根据岩石声发射信号的特点，利用小波分析方法对岩石声发射信号进行分解、消噪和重构，得　到了较为直观的声发射信号。介绍了小波与小波包分析的特点；对声发射信号进行小波消噪，比较了不同　阈值下的消噪效果；并提出了基于能量阈值法的小波包消噪，其效果优于小波消噪。　关键词：声发射；小波分析；小波包分析；信号处理；能量阈值　中图分类号：ＴＢ　９５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—８５５０（２００６）０５—００１１—０３　０　引言　当应力达到材料所受的最大先期应力时，其内　部将产生局部弹塑性能量集中，会有声发射　（ＡＥ——ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）现象发生ｕ　。岩石在　外载荷的作用下产生微破裂时，一部分应变能将以　弹性波的形式释放出来，称为岩石的声发射。岩石　声发射信号具有瞬态性和多样性的特点，属于典型　的非平稳信号。而且在岩石声发射试验过程中，由　于声发射本身的特点以及现有技术手段的，得　到的声发射信号中夹杂着许多“干扰”信号，除了　声发射系统内部、电磁干扰及机械噪声等常见噪声　外，还包括岩石试件端面与压力机之间的摩擦噪声　等岩石力学试验环境噪声，声发射信号提取和去噪　是目前还没有解决好的问题。这在很大程度上影响　了声发射技术在岩土及采矿工程中的应用。　本文对砂岩岩芯加工后进行单轴加载破坏全过　程声发射试验，在选择合适的小波基的基础上提出　了基于小波变换的岩石声发射信号的信噪分离方　法，采用上述方法对声发射信号进行了分解、去　噪、重构等信号处理，得到了比较理想的试验结　果。　能力，既能够刻画某个局部时间段信号的频谱信　息，又可以描述某一频谱信息对应的时域信息，这　对于分析含有瞬态现象的声发射信号是最合适的。　在分析声发射信号的时频特性、特征提取、噪声去　除等方面具有传统的时域和频域分析所不具备的优　越性。由于声发射信号属于典型的非平稳信号，而　传统的ＦＦＴ分析由于自身的缺陷不适于分析处理　这类信号，相关的研究结果指出：小波变换是目前　分析瞬态非平稳随机信号最有效的方法。　小波分析是把信号分解成低频和高频两部分，　在分解中，低频部分失去的信息由高频捕获；在下　层分解中，又将分解出的低频部分分解成低频和　高频两部分，低频中失去的信息同样由高频部分捕　获。如此类推下去，可以完成更深层次的分解。从　小波分解的结构可以看出，小波变换的频率分辨率　一随频率升高而降低。　２岩石单轴加载声发射试验方案　声发射试验设备主要由加载、声发射及计算机　信息处理系统组成。加载系统采用ＲＭＴ一１５０Ｃ型　压力机，控制模式为力，速率为０．１Ｏ　ｋＮ／ｓ；声发　射系统采用ｗＡＥ２００２全波形多通道声发射检测仪　及其分析系统，采样频率２　５００　ｋＨｚ，采样长度　２　０４８　Ｂｙｔｅ，相关图设定为振铃计数和时间相关　图；传感器采用ＳＲ１５型，共振频率１５０　ｋＨｚ，灵　敏度＞６５　ｄＢ；前置放大器增益４０　ｄＢ。　岩芯采用现场套孔应力解除法得到的砂岩岩　芯，加工成　５０　ｍｍ、高１００　ｍｍ的圆柱体试件，　采用ＳＨＭ一２００型双端面磨石机加工，使两端面　保持平行。为了消除试件端部与压力盘之间因摩擦　而产生的噪声，试验中要在试件两端加垫层隔噪　声，减小摩擦。垫层材料采用橡胶，其厚度均匀，　且岩芯的轴线应与加载的轴线重合。试件安装好　后，设置好声发射检测系统参数后进行试验，试验　１小波分析及其特点　小波分析作为一门学科，诞生于２０世纪８０年　代末，是以严密的数学理论和数值计算方法为基　础，近１０年来小波分析的理论和应用发展十分迅　速，成为目前国际上公认的信号信息获取与处理领　域的高新技术。与传统的时域和频域分析不同，小　波分析具有同时在时域和频域表征信号局部特征的　收稿日期；２００６—０４—２ｌ；修回日期：２００６～０６～１８　作者简介：王更峰（１９７９一），男，汉族，湖北襄樊人，江西理工　大学环境与建筑工程学院，岩土工程硕士研究生。　维普资讯 http://www.cqvip.com

１２　矿　业　工　程　第４卷第５期　时同时点击加载系统的程序运行按扭和声发射检测　系统的开始按扭，两台计算机同时采集试验所需要　的数据。　３　基于小波分析岩石声发射信噪分离技术　到目前为止，小波去噪的方法可分３类＿３］：１）　基于小波变换模极大值原理，根据信号和噪声在小　波变换各尺度上的不同传播特性，剔除由噪声产生　的模极大值点，保留信号所对应的模极大值点，然　后利用所余模极大值点重构小波系数，进而恢复信　号；２）对含噪信号计算相邻尺度间小波系数的相　关性，根据相关性的大小区别小波系数的类型，进　而进行取舍，然后直接重构信号；３）是Ｄｏｎｏｈｏ　提出的阈值方法，该方法认为信号对应的小波系数　包含有信号的重要信息，其幅值较大，但数目较　少，而噪声对应的小波系数是一致分布的，个数较　多，但幅值小。基于这一思想，Ｄｏｎｏｈｏ等人提出　硬阈值和软阈值去噪方法，即在众多小波系数中，　把绝对值较小的系数置为零，而让绝对值较大的系　数保留或收缩，分别对应于硬阈值和软阈值方法，　得到估计小波系数，然后利用估计小波系数直接进　行信号重构，达到去噪的目的。在参阅了大量文献　之后，本文采用小波阈值去噪方法。　３．１小波基的选择　选择合适的小波基是进行信号处理、分析的重　要环节，因为不同的小波基分析同一个信号会产生　不同的结果＿４］。根据声发射信号小波基选择的经　验＿５Ｊ，在目前比较成熟的和常用的小波基中选用对　称的双正交小波和有一定近似对称性的正交小波。　经过筛选，选择Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ小波族作为岩石声发　射信号处理的小波基，该小波系列具有较好的紧支　撑性、光滑性和近似对称性　］，在声发射信号处理　中得到较广泛的应用，比较适合岩石声发射信号处　理。该小波系列按正整数Ｎ具有不同的序列　（ｄｂＮ），目前在声发射信号的处理中用得最多的是　ｄｂ３和ｄｂ５，本文选用ｄｂ３小波基进行信号处理。　３．２岩石声发射信号的小波去噪　小波信噪分离的步骤如下：　信号多尺度一维小波分解：　［Ｃ，Ｌ］一ｗａｖｅｄｅｃ（Ｘ，Ｎ，ｗｎａｍｅ）　式中　Ｘ——被分解信号；』＼，——尺度（整数）；　硼　ａ　Ｐ——选用的小波。　小波分解高频系数的阈值量化。对各分解　尺度下的高频系数选择一个阈值进行软阈值量化处　理，也就是将小波变换后的细节部分与阈值进行比　较，小于阈值的细节部分被置为零；　根据小波分解的底层低频系数和量化处理　后的高频系数进行重构，得到降噪后的信号。　在上述步骤中，最关键是如何选择阈值和进行　阈值量化，在某种程度上，它决定了信号的降噪质　量。阈值的选择分硬阈值和软阈值两种处理方式。　一般来说，用硬阈值处理后的信号更为粗糙，而软　阈值则有着很好的数学特性，实践证明是有效的方　法。　在实际应用中，阈值的确定方法还有很多种，　应具体问题具体分析。根据现有的资料文献，对于　被高斯白噪声污染的信号基本噪声模型，选择阈值　一般可用以下准则：　ｒｉｇｒｓｕｒｅ规则：基于Ｓｔｅｉｎ的无偏似然估　计原理的自适应阈值选择；　ｓｑｔｗｏ１ｏｇ规则：采用的是一种固定的阈　值形式，它所产生阈值为ｓｑｒｔ（２×ｌｏｇ（１ｅｎｇｔｈ　（ｘ）））；　启发式阈值ｈｅｕｒｓｕｒｅ规则：是前两种阈　值的综合，所选择的是最优预测变量阈值；　ｍｉｎｉｍａｘｉ规则：采用极大极小值准则选　择阈值，也是一种固定的阈值选择形式，它所产生　的是一个最小均方差的极值，而不是无误差。　由于无偏似然估计和极大极小原理，阈值选择　规则比较保守（它们只将部分高频系数置零）。当　有用信号的高频信息有很少一部分在噪声范围内　时，这两种阈值非常有用，可将弱小的信号提取出　来；另外其它两种阈值选取规则，在去除噪声时显　得更为有效，但它们可能把有用的高频特征信号当　作噪声去除。　阈值的量化处理方法：１）默认阈值消噪处理。　该方法利用Ｍａｔｌａｂ函数ｄｄｅｎｃｍｐ生成信号的默认　阈值，然后利用函数ｗｄｅｎｃｍｐ进行消噪处理；２）　给定阈值消噪处理。在实际的消噪处理过程中，阈　值往往可以通过经验公式获得，且这种阈值可信程　度比默认阈值高；３）强制消噪处理。该方法是将　小波分解中所有高频系数全部置为零，即滤掉所有　高频成分，然后对信号进行重构。这种方法比较简　单，但容易丢失信号中的有用成分。　目前，由于小波变换在岩石声发射信号处理中　的应用尚在初步阶段，所以本文分别采用强制消　噪、默认阈值消噪、给定阈值消噪３种方法对　Ｋａｉｓｅｒ点信号进行信噪分离。同时研究４种阈值规　则在给定阈值消噪处理方式下的去噪效果。通过比　较分析，确定最适合的基于小波变换的岩石声发射　信号信噪分离方法。　选取ｄｂ３小波将声发射信号进行４层分解，然　后分别采用上述３种方式对各层高频系数进行阈值　量化后，进行重构得到消噪后的声发射信号，如图　１、２所示。图１表明强制消噪将所有高频系数置　零，导致了信号很大一部分的高频有效信息丢失。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第５期　王更峰　基于小波分析的岩石声发射信号处理技术　１３　相比而言，默认阈值信号则保留了信号大部分信　息，而且有效消除了一部分高频噪声，降噪后的波　形直观地显现了声发射原始信号的波形特征。　图２利用４种阈值准则以给定阈值的形式对声　发射信号进行去噪，对比原始信号Ｓ，固定阈值和　启发式阈值处理的效果较好，极大极小原理阈值处　理效果次之，里面还有少许噪声信号，而自适应阈　值处理后里面还是包含有较多的噪声信号。　因此，对岩石声发射信号处理来说，可选择固　定和启发式阈值来作为信号处理阈值。另外图２也　说明以给定阈值形式来进行量化，通常要进行多次　阈值调整，才能在保留有效信号的前提下获得较好　的降噪效果。　３．３声发射信号的小波包能量阈值去噪　小波包分析是小波概念的推广，相对于小波分　析而言，小波包分析不但对低频部分进行分解，而　且对高频部分也做了二次分解，从而进一步提高了　图１　强制消噪和默认阈值消噪效果　原始信号ｓ　极大极小原理阈值消噪　ｌ　０００　１　５Ｏ０　２０００　２５００　图２给定阈值下４种阈值准则消噪效果　信号的时频分辨率，克服了小波变换在中高频段频　率局部性差的缺陷。小波包分解能根据信号特性和　分析要求自适应地选择相应频带与信号频谱相匹　配，是一种比小波分解更为精细的分解方法。　由小波分析可知，随着小波变换尺度的增加，　噪声的能量逐渐减小。由于信号的性质是由它的小　波变换系数来刻画，系数大者携带的信号能量较　多，系数较小者携带的能量较少，因此用所携带能　量的多少作为衡量小波包系数在信号中的权重大　小。基于小波包变换的优点，本文从能量阈值的角　度，提出一种新的声发射信号消噪算法。　３．３．１　能量阈值的算法　首先算出小波包分解得到的高频部分所对应的　能量，然后以高频总能量的平均值作为其阈值。同　理，计算低频部分对应的阈值。若阈值太小，可将　其乘以一个倍数ｎ（ｎ＞１），这样就可以确定适当　的阈值。　３．３．２能量阈值消噪的基本步骤　能量阈值消噪的基本处理过程（如图３），具　体编程通过ｍａｔｌａｂ实现。　小　，Ｊ、　高频　原始　能量　小波　信号　波包　包系　包系　处理　变换　数的　数的　后的　能量　低频　能量　重构　信号　图３能量阈值消噪的基本过程　根据上述的岩石声发射信号小波包能量阈值消　噪方法，采用ｄｂ３小波对声发射信号进行４层小波　包分解和重构。降噪后的波形如图４所示。可以看　出相同条件下，小波包的降噪效果优于小波降噪。　原始信号　Ｉｏ　５。　Ｉ：ｌ．．．Ｉ．．．．ＩＩ．．Ｉ．．．ｌＩ．．Ｉ．．．．．　．．．．．．．－．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．－．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．—～．．．．．．・．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿－Ｊ　１　０　５００　１　０００　Ｉ　５００　２０００　２５００　小波包能量阚值消噪　０　１厂—————’——————　——————　——————　—————］　＿０。　・　—————茹广————　丽————　矗　———　１　小波消噪　————互　图４小波包能量阈值消噪　４　结语　采用小波分析方法能够有效地处理声发射　信号，降噪后的波形更为直观地显现了岩石声发射　原始信号的特征；　维普资讯 http://www.cqvip.com

矿　业　工　程　１４　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　第４卷第５期　２００６年１Ｏ月　凤凰山铜矿地压活动研究与控制　余茂杰　（铜陵有色金属（集团）公司，安徽铜陵２４４００１）　摘要：通过对凤凰山铜矿地压活动的调查研究，全面掌握其地压活动现状、基本特征和显现机制，采　取有效的地压活动控制措施，减少了因地压活动而发生的事故，实现了矿山持续稳定的安全生产。　关键词：地压活动研究；地压活动控制；膨胀岩地压　中图分类号：ＴＤ　３１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—８５５０（２００６）０５—００１４—０４　１　概述　凤凰山铜矿位于淮阳山字形构造带前东翼中　部，地层从志留系到三迭系较发育，矿体赋存于三　固，上盘花岗闪长岩蚀变后含有绿泥石和高岭土，　稳固性较差。矿区断裂构造较为发育，断层和节理　均被晚期岩脉所充填，形成闪长岩、正长斑岩、方　解石和辉绿岩脉等。水文地质较为复杂，大理岩为　丰水岩层，底盘矿岩接触带溶洞发育，互通性较　好；矿区处于亚热带，年平均降水量１　３８９　ｍｍ，　地表汇水面积较大，且在矿体顶盘地表有想思河流　过，因采空区用尾砂充填，其渗水性好，成为地下　水活动的重要途径。　矿床开拓采用下盘竖井开拓，开拓中段有＋　１Ｏ、一４Ｏ、一１２Ｏ、一２４０、一１８Ｏ、一３００和　迭系大理岩与花岗闪长岩体的接触带附近，矿床属　矽卡岩型中一高温热液接触交代铜矿床。主要矿体　有４个，呈“似板状”，走向近南北，倾向不定，　倾角７Ｏ。～８０。；矿体长３００～１　０００　ｍ，一般厚为　１４～３５　ｍ，最厚达６８　ｍ，斜探２００～５００　ｍ；矿石　主要为铜铁矿石和含铜矽卡岩，主矿体矿石储量占　全矿总储量的９５　。矿体与围岩接触线明显，围　岩主要为大理岩和花岗闪长岩，下盘大理岩较稳　收稿日期：２００６—０８－－０３　作者简介：余茂杰，男（汉族），铜陵有色金属（集团）公司生产　安全部采矿工程师。　３６０　ｍ及正在开拓的一４４０　ｍ中段，其中一１８０和　３００　ｍ为辅助中段。生产中段有一１２０和一２４０　ｍ　中段边、难、残矿体的回采，一３６０　ｍ主生产中段　及矿区南部一４３　ｍ水平以上残矿的露天开采。由　对小波消噪而言，默认阈值消噪效果优于　强制阈值消噪。在给定阈值形式下，固定阈值和启　发式阈值处理的效果较好，极大极小原理阈值处理　效果次之；　提出新的小波包能量阈值消噪方法比传统　的小波阈值消噪法效果更好。　——［２］　钱书清，郝锦绮，邓明德．混凝土样品受压破裂过程中的电　磁信号ＥＪ３．《岩石力学与工程报》，２００１（６）：７９７．　［３］　徐晨，赵瑞珍．小波分析与应用算法．北京：科学出版　社，２００４：９１．　［４］　胡昌华，张军波，夏军等．基于ＭＡＴＩ　ＡＢ的系统分析与　设计小波分析［Ｍ３．西安：西安电子科技大学出版社，　２０００—０６：２６６．　参考文献：　［１］　樊运晓．单轴压缩实验下裂纹闭合阶段岩石ＫＡＩＳＥＲ效应　的研究ＥＪ３．《岩石力学与工程报》，２００１（６）：７９３．　－［５３　张平，施克仁，耿荣生等．小波变换在声发射检测中的应　用ＥＪ］．《无损检测》．　［－６３　飞思科技．小波分析理论与ＭＡＴＩ　ＡＢ７实现．电子工业出　版社，２００５—０３．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ｍｅｔｈｏｄ　Ｗａｎｇ　Ｇｅｎｇ－ｆｅｎｇ　（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇａｎｚｈｏｕ　３４１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ＡＥ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ’Ｓ　ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ＡＥ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｗａｖｅｌｅｔ　ａｎｄ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｒｅ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｓｉｇｎａｌｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ＡＥ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｌｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ；ｗａｖｅｌｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｅｎｅｒｇｙ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ