武山銅礦采場頂板爆破震動信號去噪方法的選取*

徐 輝，劉江超，高 祥，馮 銳，王亮亮

(江西理工大學 資源與環境工程學院， 江西 贛州市 341000)

武山銅礦采場頂板爆破震動信號去噪方法的選取*

徐 輝，劉江超，高 祥，馮 銳，王亮亮

(江西理工大學 資源與環境工程學院， 江西 贛州市 341000)

為了研究武山銅礦采場頂板爆破震動效應，需要選擇精確的去噪方法來獲得精確的處理結果，針對這一問題，用EMD法和小波閥值法對收集的含噪爆破震動信號進行去噪分析處理，運用信噪比(SNR)法和均方根誤差(RMSE)法對處理所得結果進行質量評估，從而獲取較準確的信號去噪方法，為后續研究提供合適的處理方法，結果表明：小波閥值法去噪結果誤差值和信噪比分別為0.0231，0.6078；EMD去噪法結果誤差值和信噪比分別為0.0535，0.491，小波閥值法要優于EMD去噪法。

爆破震動；EMD法；小波閥值法；信號去噪；質量評估

在爆破工程過程中容易產生爆破危害，而在諸多的爆破危害中震動效應是主要危害之一[1]。對爆破震動效應的研究，其有效辦法之一便是對巖石爆破震動信號進行分析處理，因此相關方向受到專家的持續關注。徐學勇等[2]通過對比小波分析與傅里葉分析得出小波分析要優于傅里葉分析，楊漢軍等[3]通過利用SSNF法、小波包分解法與小波變換系數閥值收縮法來去噪，并進行比較得出小波變換系數閥值最優，孫新建等[4]比較EEMD和EMD得出EEMD具有優勢。EMD法和小波閥值法依靠其良好的多分辨特性和自適性，因而應用較為廣泛。

參考相關研究人員的成果[5￣15]，針對武山銅礦爆破震動情況，利用信噪比(SNR)和均方根誤差(RMSE)與MATLAB軟件相結合，分別對EMD和小波閥值法兩種方法去噪前后的結果進行計算，由此來選取效果更加明顯的去噪方法。

1 爆破震動效應實測

1.1 BlastmatⅢ測振儀

BlastmatⅢ型監測儀由加拿大 Instantel公司生產,主機包括自帶固化程序的微型電腦、熱敏打印機、充電蓄電池3部分，輔體則包括三維測振傳感器(拾震器)與噪聲測試麥克風兩部分。用該監測儀進行測震時，只需分別將拾震器與噪聲測試麥克風插進主機對應的插孔，便可組成完整的測試系統。測震研究時 BlastmateⅢ型監測儀所選取的性能參數包括以下9點：自動觸發、觸發水平 1～3 mm/s、連續監測、1024或 2048標準采樣率、通頻帶 2～300 Hz、速度誤差 <0.1 mm /s、加速度誤差 < 0.0098 m/s2、位移誤差 < 0.001 mm、單個事件的記錄時間 5～7 s。

1.2 拾震器的安裝

測震前，首先在充填體頂板選擇監測點，然后在測點處鉆入深20 m 的鉆孔,并將長 30 m、直徑 10 m的螺栓插進鉆孔，再在鉆孔附近澆筑速凝水泥將其膠結；其次把拾振器插入螺栓中，注意拾震器箭頭要指向爆源，再用螺母將其固定 ；最后照就近原則把監測儀綁在最近的木支柱上。在儀器的安裝過程中要保證拾振器是水平安放的，如若不然，將會影響所測試結果的精度。另外，為了可以相互比較采場頂板和底板的震動效應，在頂板和底板某個相距爆源中心水平距離相等點同時安置了拾震器。

1.3 測試情況及數據

本次共起爆22個炮孔，爆破總藥量為13.95 kg，共分成7段起爆，單段最大炸藥量為2.7 kg，測點布置見圖1，測試結果見表1。本文研究內容為爆破震動信號的去噪，因此選取其中一個檢測點測試數據進行分析，數據見表1。

2 MATLAB實例仿真

爆破震動信號來源于武山銅礦，本次試驗采用Minimate Blaster型爆破振動監測儀，在信號收集過程中需要特別注意的是在測震的過程中要嚴格參照儀器使用說明安裝儀器，盡可能減少周圍人員的走動和其他礦山設備的干擾，將外部條件的干擾降低到最大限度，信號采集后將數據導入Math Work公司開發的MATLAB軟件中進行分析處理，獲得現場爆破過程中收集的震動原始信號(見圖2)。

表1 爆破測振儀測試結果

圖1 測點布置平面圖

圖2 原始震動信號

2.1 EMD法去噪實例

通過分解原始信號，獲得如圖3所示的12個IMF分量，從圖像中可以看出C1～C12頻率逐步遞減，波長逐步增加，其中大部分都含有明確的物理意義，通過對比可以明確得到C2中信號頻率最高，結合圖4展示的能量和頻率的關系，可知信號能量主要集中在低頻，所以C2的能量所占總能量的比值最小，屬于爆破震動信號中的噪聲，是去噪的對象。剩余的C1、C3～C12則是此次爆破震動信號的真實數據，用MATLAB軟件對這11個信號數據進行編程重構，即可獲得如圖5所示的去噪后的純凈有用信號。

圖3 IMF(模態函數分量)

2.2 小波閥值去噪實例

小波閥值法去噪最重要的就是在對信號處理前先要確定合適的小波基和閥值，選擇的好壞直接影響到處理結果的成敗。小波基大致分為8種，分別是：Haar小波、Daubechies(dbN)小波系、biorthogonal(bioNr.Nd)小波系、coiflet(coifN)小波系、Symlets(symN)小波系、Morlet小波、墨西哥草帽小波、Meyer小波。在選取時要對各種方法的優缺點進行比較，再結合礦山實際條件，分析巖石和信號的特殊性，選擇出最佳小波基[16-17]，參考相關文獻，本次去噪選用sym5小波基較合適。至于閥值如何選取，和小波基的選取一樣，由于軟閥值處理的結果相較硬閥值處理的結果光滑性更好，所以考慮從軟閥值中選擇，分別對heursure、rigrsure、sqtuolog、minimaxi 4種軟閥值函數做比較，在比較優缺點的同時考慮實際情況，并結合前人的研究和各個軟閥值處理信號的特點，從其中確定了sqtuolog閾值函數對信號處理最合適[18]。最后通過對爆破震動信號施行小波閥值處理，便可獲得如圖6所示的去噪后的純凈有用信號。

圖6 小波閥值去噪后的爆破震動信號

2.3 結果對比

對比圖5和圖6，可以看到在1.5 s內震動速度變化最為明顯，不僅最大震動速度不同，而且某些對應的時間點震動速度都有差別，同樣的一組信號數據經過去噪處理后產生的純凈信號都有如此大的差別，這就要求人們對這兩種計算手段進行判斷甄別，從中選擇出一種去噪方法可以在最大限度的保留原始數據的基礎上使誤差更小，對信號造成的影響和破壞最小，因此還需要對兩種去噪結果進行必要的質量評價。

3 去噪效果評價

3.1 RMSE(均方根誤差)量化評價

RMSE(均方根誤差)又叫標準誤差，是一種比較傳統的去噪信號質量評價方法，它包含的意義并不代表測量信號的真實誤差和所在的誤差范圍，只是對所測量數據的可靠性進行衡量，是信號數據精確度的參數，所以標準誤差越小，說明測量數據的可靠性越大，相反，則可靠性越小。根據標準誤差的定義，它的平方(f(k)-f(0))2的分布期望[19]如下式所示：

在礦山實際的生產爆破中，k值(即信號的長度)是不可能取無限大的，從而導致真實的震動信號只能用最佳的數據表示，所以只能取它的近似值，用含躁信號與去噪后純凈信號方差再開平方[20]，計算得到的一個參數，該參數值越小，則證明去噪的效果越顯著。這種算法依據的原理，如下式所示：

表2 均方根誤差值

3.2 SNR(信噪比)量化評價

SNR所指的是檢測信號中有用信號和噪聲信號的比值，其定義可用下式表示：

式中，x(t)為原始信號；x(t)'為去噪后的純凈信號。計算值見表3。

表3 信噪比計算值

量化評價結果可知：小波閥值法均方根誤差更小，并且信噪比更高，顯然其去噪效果更顯著。根據以上描述，小波閥值法去噪誤差小于EMD法去噪誤差，去噪效果也要更好，所以對本礦山的信號去噪處理選取小波閥值去噪法。

4 結 論

(1) 通過對爆破震動信號進行EMD分解，獲得12個IMF分量，其中C12頻率最高而且頻率沿時間軸基本不發生衰減，但是其包含的能量占總能量的比值最小，屬于需要去除的噪聲。

(2) 用EMD法對爆破震動信號進行去噪處理后所得純凈信號，與用小波閥值法(sym5小波基和sqtuolog閾值函數)對爆破震動信號進行去噪處理后所得純凈信號之間具有較大差異。

(3)RMSE(均方根誤差)法對EMD法和小波閥值法的結果進行計算處理，得出誤差值分別為0.0535和0.0231；SNR(信噪比)計算值為0.491和0.6078，所以小波閥值法的誤差更小，能夠為后續研究提供更加精確的數據。

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作者簡介：徐 輝(1991-)，男，江西修水縣人，碩士研究生，研究方向為工程爆破技術與理論，Email:598767464@qq.com。

吳衛強(1989-)，男，江西上饒人，碩士研究生，主要從事采礦工程、爆破工程等方面的研究，Email：465719156@qq.com。

江西省研究生創新專項資金項目(YC2014-S352).

2016￣11￣18)