基于EEMD-SVM 的混凝土大壩活動裂紋電磁輻射信號識別方法

摘 要： 為解決混凝土大壩活動裂紋電磁輻射信號與電磁干擾信號混淆、識別準(zhǔn)確率低的問題，該文提出一種基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）-支持向量機(jī)（SVM）的混凝土大壩活動裂紋電磁輻射信號識別方法。該方法利用EEMD 將混凝土大壩周圍環(huán)境電磁輻射信號分解為多個本征模態(tài)函數(shù)，構(gòu)建漢克爾矩陣和奇異值分解方法，獲取不同本征模態(tài)函數(shù)的平均值、方差和峭度值等信號特征量，結(jié)合SVM 識別混凝土大壩活動裂紋電磁輻射信號和周圍環(huán)境干擾噪聲。對400 組混凝土活動裂紋電磁輻射信號與干擾噪聲進(jìn)行比較，所提出的方法識別成功率高，最終識別準(zhǔn)確率大于95%，高于其他傳統(tǒng)信號處理算法的識別率，可為混凝土大壩活動裂紋的識別提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 混凝土大壩; 活動裂紋; 電磁輻射; EEMD-SVM; 信號識別

中圖分類號： TB9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）03–0016–06

0 引 言

混凝土大壩作為重要的水利工程結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著水資源調(diào)控和防洪任務(wù)。然而，長期的自然和人為因素的影響，使混凝土大壩存在越來越多的活動裂紋。活動裂紋一旦發(fā)生快速擴(kuò)展，將導(dǎo)致混凝土大壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，易發(fā)生安全事故[1-2]。因此，準(zhǔn)確、及時地監(jiān)測和識別混凝土大壩中的活動裂紋是至關(guān)重要的工作。

研究表明，混凝土等脆性材料在開裂過程中，裂紋表面存在電荷的產(chǎn)生和移動，從而產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象[3-4]。然而，混凝土大壩周圍電磁環(huán)境復(fù)雜，活動裂紋產(chǎn)生的電磁輻射信號弱，電磁干擾噪聲時域波形與活動裂紋產(chǎn)生的電磁信號類似。若依靠人工方式識別活動裂紋信號，則經(jīng)常出現(xiàn)漏檢和誤檢的情況。

由于混凝土大壩活動裂紋產(chǎn)生的電磁輻射信號為非平穩(wěn)信號，傅里葉分析方法不適用于其電磁輻射信號的識別。常用的信號特征提取方法主要有短時傅里葉變換[5]（STFT）、小波變換[6]（WT）、希爾伯特黃變換[7]（HHT）、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解[8]（EMD）和經(jīng)驗(yàn)小波變換[9]（EWT）。Wei 等[10] 研究了巖石破裂電磁輻射波形的傅里葉譜。結(jié)果表明，在不同應(yīng)力水平下，主頻率隨裂紋的演化而減小。Yin 等[8] 利用希爾伯特黃變換對煤塊破裂的不同階段進(jìn)行分析，破裂信號的頻率隨階段的變化而降低。Lou 等[11]利用EWT 對巖石破裂產(chǎn)生的電磁輻射信號進(jìn)行分析，與STFT 和HHT 相比，EWT 在時頻分辨率和克服模態(tài)混疊方面具有顯著優(yōu)勢。Li 等[12] 用連續(xù)小波變換方法得到不同干擾噪聲和危險(xiǎn)信號在時頻上存在顯著差異。然而現(xiàn)有方法主要應(yīng)用于煤層或巖石破裂的研究中，而缺乏混凝土材料開裂時電磁輻射信號的研究。

因此，本文提出一種基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）-支持向量機(jī)（SVM）的混凝土大壩活動裂紋電磁輻射信號識別方法。通過集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法將所需識別的電磁輻射信號分解為多個本征模態(tài)函數(shù)，對每個本征模態(tài)函數(shù)構(gòu)建漢克爾矩陣，進(jìn)行奇異值分解，提取其平均值、峭度值和方差等特征量，結(jié)合支持向量機(jī)分類方法，構(gòu)建電磁輻射信號識別模型，最終實(shí)現(xiàn)混凝土活動裂紋電磁輻射信號和電磁干擾信號的區(qū)分。

1 集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）作為一種自適應(yīng)信號分解方法，原理簡單，構(gòu)造方便，廣泛應(yīng)用于非線性和非平穩(wěn)信號分解中。EMD 將非線性和非平穩(wěn)信號分解成多組本征模態(tài)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號在不同頻率范圍內(nèi)的細(xì)節(jié)層次劃分。與小波分析和短時傅里葉變化等時頻分析方法相比，其對信號局部細(xì)節(jié)的提取能力不受窗函數(shù)和小波基的影響，更具普適性。

但是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法存在噪聲和模態(tài)混疊問題，多頻信號之間存在相互耦合，無法提取單一信號，因此在此基礎(chǔ)上黃鍔學(xué)者提出了一種集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法[13]，通過在原始信號的多次迭代過程中加入隨機(jī)噪聲，以減小模態(tài)之間的相互影響和混疊問題。混凝土大壩活動裂紋產(chǎn)生的電磁輻射信號為非平穩(wěn)信號，頻率成分復(fù)雜。因此，本文采用EEMD 方法對原始信號進(jìn)行處理，其主要步驟流程如圖1 所示。

S1：x（t） 為混凝土大壩周圍環(huán)境電磁輻射信號，w（t） 為白噪聲序列，取r（t）=x（t）+ w（t），i=0，k=1；設(shè)置終止閾值條件為r（t）lt;δ，取δ=0.2。