土木工程災后受困人員求救敲擊信號辨識研究

張 頎 陶曉涵 陳 釩 陳正林

(1.西南大學工程技術學院，重慶 400716； 2.中電建路橋集團有限公司，北京 100048)

1 概述

災后緊急救援工作經常在復雜多樣的高噪聲環境中進行，而被困人員發出的求救震動信號經過塌方體會有所衰減，傳感器網絡的布設位置也因地形因素通常受到限制，故求救信號在被檢波器接收到的同時往往也都被噪聲淹沒，所以在災后復雜現場情況下對搜集到的多種震動信號進行識別的研究是很有必要的。

通過將收集的波形信號通過快速傅里葉變換得到其功率譜圖，可清晰地觀察到求救信號與干擾信號震動信號頻帶、頻率成分、震動主頻等特征因子的差異，利用這些差異進行比對，可將求救信號識別。

2 信號特征提取的數學原理

設x(n)為N項的復數序列，在FFT中，利用WN的周期性和對稱性，把一個N項序列(設N=2k,k為正整數)，分為兩個N/2項的子序列，每個N/2點DFT變換需要(N/2)2次運算，再用N次運算把兩個N/2點的DFT變換組合成一個N點的DFT變換。這樣變換以后，總的運算次數就變成N+2×(N/2)2=N+N2/2。

設x(n)是長度為N的有限長序列，則其傅里葉變換為：

其離散傅里葉變換為：

由于功率沒有負值，所以功率譜曲線上的縱坐標也沒有負數值，功率譜曲線所覆蓋的面積在數值上等于信號的總功率(能量)，功率譜函數如下：

3 算例分析

3.1 波形信號波形圖、功率譜對比

通過快速傅里葉變換得到波形信號的功率譜，可直觀比較得出不同信號的特征因子(震動信號頻帶、頻率成分、震動主頻等)，通過比較波形信號功率譜圖的主頻范圍，篩選出求救信號，如圖1，圖2所示。

比較各類信號波形圖可得：巖體破裂信號的振幅約在130 mV,求救信號的振幅約在50 mV，特征差異相對較小，僅通過分析波形圖的特征因子通常無法準確識別出有效求救信號，而功率譜中各類波形的主頻范圍和幅值都有明顯差異，故進一步分析信號功率譜。

3.2 功率譜特征因子對比

分析兩種信號功率譜圖特征因子，可得：

巖體破裂信號的主頻幅值約為4 200 g2/Hz，求救信號的主頻幅值約為310 g2/Hz。求救信號與巖體破裂信號的主頻幅值與范圍都有較大差異，通過設定求救信號主頻幅值范圍，再比較篩選出的主頻范圍，可將求救信號識別，由此也可在其他干擾信號中區分求救信號。

4 軟件編程

通過MATLAB的GUI編程將對求救信號的讀取、繪制、識別、分析集成，編寫出災后受困人員生命安全信息軟件，可在救援現場直觀反映救援信號。

4.1 軟件編寫流程圖

軟件編寫流程圖見圖3。

4.2 軟件界面介紹

通過MATLAB編程，得到一個反映受困者生命安全信息的軟件。圖4為土木工程災后受困人員生命信息辨識軟件界面圖。

1)事件回放：對于已記錄波形可以回放并重新分析，主要用于一些不確定信號以及重要波形信息查閱。

2)時間：顯示當前搜救時間以及波形記錄時間。

3)載入波形文件：將已采集到的現場波形信號進行分析。

4)信號處理：分析處理當前波形。

5)分析結果：在界面右方(分析結果下方)出現分析出的結果。

6)幫助：操作索引及軟件操作說明書。

5 結語

由于土木工程災后救援現場環境的復雜多樣性和人耳判別求救信號的局限性，故采用將現場采集到的干擾信號與求救信號載入MATLAB中，并求取其功率譜進行頻譜特征分析的方法，對不同信號功率譜主頻幅值與范圍分析、比對，可篩選出有效求救信號。利用MATLAB的GUI軟件界面交互設計，得到獨立的應用程序，將受困人員具體的求救信號直觀顯示在軟件界面上。