微差爆破实际延迟时间识别方法比较与优选.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 2 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A IL U R G I C A LE N G 矾E 目R 矾G Ⅷ．3 2 №3 J u n e2 0 1 2 微差爆破实际延迟时间识别方法比较与优选① 范作鹏，钱守一，李启月 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要提出了基于瞬时能量谱突变点确定雷管实际延迟时间的H H T 瞬时能量识别法，以微差爆破振动信号H I - I T 变换的H i l b e r t 能量幅值为初值，运用频率积分获取微差爆破振动信号瞬时能垣谱。进而确定雷管实际延迟时问。工程实践表明，H } r r 瞬时能量法 识别结果与小波基函数、变换尺度和L M F 分量的选取无关。此外，该方法还可用于微差时间与频率变化规律的研究。 关键词微差爆破；H H I 变换；瞬时能量；延迟时问 中图分类号T I Y 2 3 5 文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 3 - O 0 0 4 - 0 5 C o m p a r i s o na n dO p t i m i z a t i o no fM e t h o d sf o rR e a lD e l a yT i m eI d e n t i f i c a t i o n i nM i l l i s e c o n dB l a s t i n g F A NZ u o p e n g ，Q I A NS h o u y i ，L IQ i y u e S c h o o lo f R e s o u r c e sS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，t t u n a n ，C h i n a A b s t r a c t H H Ti n s t a n t a n e o u se n e r g yi d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw h i c ha s c e r t a i n st h et e a ld e l a yt i m eo fd e t o n a t o r sb a s e do n t h es a l t a t i o np o i n ti ne n e r g ys p e c t r u mW a Sp u tf o r w a r d ．T a k i n gH i l b e r te n e r g ys p e c t r u mo fm i l l i s e c o n db l a s t i n gv i b r a t i o n s i g n a lb yH H T 鹪a ni n i t i a lv a l u e ．t h ei n s t a n t a n e o u se n e r g ys l 】e e t m mo f m i l l i s e c o n db l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a lW a s o b t a i n e db yu s i n gf r e q u e n c yi n t e g r a t i o n ，t h u st h er e a ld e l a yt i m eo fd e t o n a t o r sw a ra S c e r t a i n e d ．F i e l dt e s t ss h o w e dt h a t r e s u l to b t a i n e df r o mH H Ti n s t a n t a n e o u se n e r g yi d e n t i f i c a t i o nm e t h o dW a si n d e p e n d e n to ft h ec h o i c eo fw a v e l e t - b a s e f u n c t i o n s ，s c a l e sa n dI M Fc o m p o n e n t s ．T h i sm e t h o dC a l la l s ob eu s e dt os t u d yt h er e l a t i o n sb e t w e e nm i l l i s e c o n dt i m ea n d f r e q u e n c yc h a n g e s ． K e yw o r d s m i l l i s e c o n db l a S t i n g ；H H T ；i n s t a n t a n e o u se n e r g y ；d e l a yt i m e 在爆破工程中。延期雷管的正常起爆是实施微差 爆破的关键⋯。由于普通雷管都存在精度问题，这会 造成爆破时起爆顺序混乱，影响爆破效果和爆破安全。 因此，研究和确定雷管的实际起爆时刻及延期误差，对 雷管的设计改进、爆破参数的优化和振动危害的控制 都有重要的指导意义。 早期常采用八线示波器和金属拉线的方法来测定 现场爆破雷管的实际起爆时刻，成本高，操作复杂，且 精度难以保证。随着信息处理技术的发展，信息处理 方法在爆破工程中得到了广泛应用，可用于爆破地震 波特征提取、频谱分析、微差时间识别、波形预测和反 应谱分析等。其中，在识别微差爆破实际延迟时间方 面，有3 种识别方法小波变换时能密度分析法幢．5 J 、 小波变换模极大值法H ’7 ’和E M D 识别法“ 4 』。 无论是小波变换时能密度分析法还是小波变换模 极大值法，都存在着最优小波基和变换尺度的选择问 题选择不同的小波基和尺度可能会产生很不一样的 结果o t 0 - t , l 。如果尺度参数选择过小，分析结果受噪声 的影响较大；反之。信号经小波变换后突变点所对应的 幅度衰减得厉害，这将使信号的突变特征不明显甚至 消失3 | 。而E M D 识别法在将爆破振动信号分解成多 个I M F 分量后，同样面临如何选择I M F 分量的问题， 而且分解后也无法保证一定存在合适的分量。针对这 些方法存在的弊端，本文利用新的信号时频分析方法 H H T 变换，提出了H H T 瞬时能量识别法，该方法具有 良好的自适应特点，分辨率和准确性高。 l H H T 瞬时能量识别法 1 ．1 H H T 变换的基本原理及优点 N o r d e nEH u a n g 等人经过深入分析和认真总结， 提出了一种比F o u r i e r 变换及小波变换等更具适应性 的时频局部化分析方法m H H T 变换Ⅲ‘1 “。H H T 处 ④收稿日期2 0 1 1 - 1 2 1 2 基金项目教育部新教师基金 2 0 0 9 0 1 6 2 1 2 0 0 8 4 作者简介范作鹏 1 9 6 7 一 ．男，山东高密人，博士研究生。高级工程师．主要从事采矿理论与技术研究。 万方数据 第3 期范作鹏等微差爆破实际延迟时问识别方法比较与优选 理非平稳信号的基本过程是首先利用E M D 将给定的 信号分解为若干I M F 分量后，再对每个I M F 分量进行 H i l b e r t 变换，即将每一个I M F 分量表示在联合的时频 域中，最后汇总所有I M F 的H i l b e r t 谱得到原始信号的 H i l b e r t 谱。 与F o u r i e r 变换、G a b o r 变换及小波变换等相比， H H T 变换能够根据信号的局部时变特征进行自适应 地时频分解，消除了人为因素，克服了传统信号处理方 法中用无意义的谐波分量来表示非平稳、非线性信号 的缺陷，可得到极高的时频分辨率，并且H H T 变换不 受H e i s e n b e r g 测不准原理的制约．能够在时间和频率维 度同时达到很高的精度，非常适合分析非线性非平稳 信号。 1 ．2 H H T 瞬时能量识别法 因为对信号X t 经H H T 变换得到的铲 ∞，t 具 有能量密度的物理意义，则根据H H T 变换前、后信号 的能量守恒原理有 ， ∞l2． ∞， o Jx t ld t JI 酽 山。t d t o d t 1 J 。∞J 一∞J 一蕾 令饱 t I H 2 1 ．O ，t d t o 2 J 利用式 2 即可得到信号X t 的瞬时能量随时间 的分布函数，然后提取图中的突峰位置即可确定信号 突变点的时刻。 2 不同微差爆破实际延迟时间识别方 法比较 爆破振动信号是一种典型的非平稳随机信号，具 有短时、突变等特点，因此爆破振动信号分析方法要有 突出的时频局域化功能。图l 为一微差爆破振动信 号，现分别采用小波变换时能密度分析法、小波变换模 极大值法、E M D 识别法和H H T 瞬时能量识别法来识 别该微差爆破中所用雷管的实际延迟时间。 零 量 交 霎 骚 鬈 I - ●l k l I f ，k {_ E I l ，．”．，II IU - ．一I 』 1 1 i l l H T _ 旷⋯⋯丁．．- - r _ 。一T ● m00 2蜩1 ．01 ．21 ．4l - ‘1 ．82 ．0 时间／I 圈1 爆破振动时程曲线 2 ．1 小波变换时能密度分析法 小波变换时能密度分析法通过分析微差爆破振动 ．信号在不同频带内的能量随时间的分布情况来提取信 号突变特征。从而识别出爆破中各段雷管的实际起爆 时刻。其中，信号在不同频带内的能量随时间的分布 是通过改变变换尺度的上下限来实现的。 图2 为选择相同变换尺度l ～1 0 ，小波基函数分 别为d b 7 和m o r l 时对图l 信号进行处理的结果。从 图中可以看出，使用d b 7 小波基时，图中出现了4 个明 显的突峰，成功识别4 个起爆时刻；而使用m o r l 小波 基时，相应的图中仅出现2 个明显的突峰，无法识别起 爆时刻2 和4 ，这说明在变换尺度为l 一1 0 时选择m o r l 小波基来分析该信号是不恰当的。 ■ 甩n 0 髂吼 r ．7 4 舯 弛0 ．5 2 “ r ．1 2 ．3 4 0 0 m 20 小浊基函截d “ 麦换尺度1 1 0 0 ．20 ．40 ．60 ．81 ．01 21 ．41 ．61 ．82 ．0 时问／s 时间／| 图2 小波变换时能密度曲线 图3 为同取m o r l 小波基函数，尺度分别为1 3 0 和1 一1 0 时对图1 信号处理的结果图。从中可以看 出，当尺度为1 3 0 时，图中有4 个明显的突峰点，说 明该尺度的选取符合要求；当尺度为l 一1 0 时，则无法 识别起爆时刻2 和4 。 由此可见，在使用小波变换时能密度分析法处理 微差爆破振动信号时，必须要选用合适的小波基函数 和尺度，否则会大大降低检测效率，影响工程应用。 2 ．2 小波变换模极大值法 小波变换模极大值法利用小波变换模的局部极大 值和信号奇异点之间的关系来检测信号突变点的位 置，进而确定微差爆破的实际延迟时间。与小渡变换 时能密度分析法不同的是，该方法在编程计算时是在 某一尺度值下对信号进行小波变换取模的。 6 9尉3 l I胁n ■ ，‘lm 硼 I l耻n ■● 鲫 ∞ 舳 加 飞v删翟 万方数据 6矿冶工程第3 2 卷 l ∞ 地伽2 吼， n 稻．5 8 一 甩7 3 2 } n 1 7 - n 小液基函教m o r I 变换R 度l 一加 00 ．20 , 40 ．60 , 81 ．01 ．21 , 41 ．61 ．8 2 ．0 时问／- 图3 小波变换时能密度曲线 m o i l 函数 图4 为选用相同小波基函数d b 3 ，变换尺度分别 为1 0 和4 0 时对图1 所示信号进行小波变换取模的结 果。从图中可以看出，当尺度取4 0 时，图中只有3 个 明显的突峰，无法识别起爆时刻4 ，说明选择尺度4 0 是不恰当的；而当尺度为1 0 时，该方法成功识别4 个 0o - _ I 仉20吐0 ．40 ．60 ．81 ．01 ．21 ．4 1 ．61 ．82 ．0 时间／ 图4 莲续小波变换模值 起爆时刻，这说明小波变换尺度会影响小波变换模极 大值法对爆破振动信号实际微差时间的识别，即在不 同的变换尺度下小波变换突出信号局部特征的能力是 不一样的。 2 ．3E M D 识别法 E M D 识别法是将爆破振动信号分解成多个I M F 分量的组合后，再根据I M F 主成分分量的包络幅值来 达到识别爆破实际微差延时的目的。 图1 的微差爆破振动信号经E M D 分解后，共获得 1 2 个I M F 分量，图5 为其中的第3 个和第4 个I M F 分 量的包络图。从图5 可以看出，当选择第4 个I M F 分 量进行分析时，对应的图中只出现了3 个明显的突峰， 即无法识别起爆时刻3 ；而当选择第3 个I M F 分量时， 相应的图中完整地呈现出4 个明显的突峰。成功识别 4 个起爆时刻，这说明在使用E M D 识别方法时必须要 选择合适的I M F 分量，否则影响识别结果。 ’ 暑 暑 趔 馨 瓣 嗣 时间／I 图5E M D 包络图 2 ．4 H H T 瞬时能量识别法 图6 为图1 信号对应的H H T 瞬时能量图，图中共 出现了4 个明显的突峰点，其时刻分别为0 ．0 3 0s ， 0 ．5 1 98 ，1 ．0 1 4s 和1 ．5 4 1s 。另外，图6 中第2 个突峰 位置后有另一明显的突峰，说明了该段位的雷管在起 爆炸药时有一时间差。与其它识别方法相比，该方法 不存在任何的影响因素，其高分辨率和准确性能更好 ～肌化 一船n ， ■ 缸蟹 1 l～弛n }●●●P●●●P●●●r●lL n 舯 砷 钟 如 。加 e 埘 嘲罂 I_s；珊、犟馨瓣早 万方数据 第3 期范作鹏等微差爆破实际延迟时间识别方法比较与优选 地突出被分析信号的突变性质。 时间， 图6 爆破振动信号瞬时能■图 2 ．5 各识别方法的比较 表l 综合了各种识别方法对图l 爆破振动信号的 处理结果。从表1 以及之前的分析中可以碍出，在使 用E M D 方法时，I M F 分量的选择会影响其识别结果， 并且通过比较可以发现使用第3 个I M F 分量识别出 来的起爆时刻l O ．0 4 6s 和起爆时刻4 1 ．5 6 5s ，与 其他方法得到的0 ．0 2 9s 和1 ．5 4 6s 有较大出入，说明 E M D 法准确性不高。所以无论是小波变换模极大值 法、时能密度分析法还是E M D 识别法，都存在各自的 问题，而且准确性欠佳，甚至会出现无法识别的情况。 表1 各识别方法的分析结果比较 雾罢影响因素选择的参数T j 笋塑塑‰ 择合适的I M F 分量，消除了人为因素的影响，准确性 高，非常适用于爆破实际微差延迟的识别工作。 3 H H T 瞬时能量法的工程应用 利用分辨率和精度较高的加拿大I n s t a n t e l 公司生 产的B l a s t m a t e1 1 I 型测振仪和两台标准三向地震检波 器，对某地下矿山进行多次爆破振动测试，从中抽取一 微差爆破振动信号，见图7 。此次爆破所使用的导爆 管雷管段位分别为1 ，2 , 4 ，5 ，6 ，7 。 时间，| 圈7 实测爆破振动信号蕾线图 现使用H H T 瞬时能量法分析处理图7 所示的实 测爆破振动信号，图8 和图9 分别为处理后得到的爆 破信号瞬时能量图和时频图 其中图9 中的虚线位置 代表各雷管起爆时刻 。图8 曲线中共出现了5 个突 峰，这些突峰点即是爆破中各段雷管的实际起爆时刻。 童 瓤 要 蠢 时间，。 注方法I 为小波变换时璧密度分析法，方法2 ．为小波变换模极大值 图8 实测爆破振动信号瞬时能量图 法，方法3 为E M D 识别法，方法4 为H H T 瞬时能量法。 而H I - I T 瞬时能量法识别出的微差时间与其它方 法成功识别出的结果一致，并且该方法能够自适应产 生“基”，即不需要任何先验基函数，这使得它不受其 它影响因素的干扰，保证成功识别，准确性高。 在表I 的识别时刻2 这列中，共出现了两类时问， 即0 ．5 1 9s 、0 ．5 2 4s 和0 ．5 7 7s 、0 ．5 7 3s 、0 ，5 7 6s ，说明 此次爆破中该段位的雷管引爆炸药时存在大约5 0 眦 的时间差，这也可以从图6 中的第2 个突峰后又紧跟 另一明显的突峰直观地得出，可见H H T 瞬时能量法的 分辨率较其他方法要高。 显然，与其它方法相比，H H T 瞬时能量法具有自 适应和高效的特点，不需要预设基函数、变换尺度或选 时间／． 离9 实谢爆破振动信号时频图 将爆破振动记录的起始点作为爆破中所采用的最 低段次雷管的起爆时刻，则此次爆破中采用的各雷管 的实际起爆时刻分别为0s , 0 ．0 1 3s , 0 ．0 5 5 s , O ．0 8 9s ． 0 ．1 5 2s 和0 ．2 0 98 ，从而得到1 2 段、2 4 段、4 5 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 段、5 6 段和6 7 段雷管的实际段问延迟间隔1 3 m B ，4 2 m s ，3 4I n s ，6 3m s 和5 7m s ，见表2 。从表2 可 知，2 ，4 ，5 段雷管都出现了早爆现象，但其段问延迟间 隔均在设计的精度范围内，没有影响爆破效果。另外， 图9 表明，爆破引起的振动频率均处于2 0 0H z 以内的 变化范围[ 18 | ，并且从其中的虚线可以得出，炸药的每 次起爆都会引起振动频率朝低频化运动，而一般构筑 物的固有频率恰恰处于低频区域，所以在考虑爆破振 动危害时，振动频率是除质点振动速度外的另一重要 判据。 表2雷管的理论延迟与实际延迟的比较 删甏瓣蕊段别理船隔实熙隔 I 1 3 0l 一22 3 51 3 22 5 1 01 32 42 5 7 5 4 2 4 7 5 l O 5 54 50 5 53 4 51 1 0 - t - 1 58 95 61 0 一加6 3 61 5 0 2 01 5 26 7l O 一9 05 7 72 0 0 2 02 0 9 4 结语 1 H H T 瞬时能量识别法可以高效地识别出爆破 中所用雷管的实际起爆时刻，进而确定微差爆破的实 际延迟时间。同时，该方法还能用来研究爆破微差时 间与相应的频率变化之间的关系问题。 2 通过与其它识别方法的比较，发现H H T 瞬时 能量识别法的自适应和分辨率高的特点能够克服其它 方法的弊端，确保该方法不会出现像其他方法无法识 别或不准确的情况。 3 通过识别爆破实际微差时间，可以获知所用雷 管性能的优劣。从而指导雷管的设计和爆破参数的 优化。 参考文献 [ 1 ] 藏俊．爆破工程[ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 7 ． [ 2 ] D a n b e c h i e sI ．T e nl e c t r u r e s ∞W a v e l e t [ M ] ．S I A M ，1 9 9 2 ． [ 3 ] M a l l a ts ．AW a v e l e tT o u ro fS i s , u dP r o c e s s i n g [ M ] ．A c a d e m i cP r e s s 。 1 9 9 8 ． [ 4 】凌同华，李夕兵，基于小波变换的时能分布确定徽差爆破的实际 延迟时问[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 4 ．2 3 1 3 2 2 6 6 2 2 7 0 ． [ 5 ] 李启月，刘高．黄志成，等基于小波变换的时能密度法的盲炮 识别研究J ] ．矿冶工程．2 0 11 。3 1 2 1 4 ． [ 6 ]凌同华。李夕兵．用小波变换识别微差爆破中的实际延迟时问 [ J 】．湖南科技大学学报，2 0 0 4 ，1 9 2 2 1 2 3 ． [ 7 ] M n l l mS ，H w a n gW e n l i a n g ．s i n g u h r i 叶D e t e c t i o na n dP r o c e s s i n gw i t h W a v e l e t s [ J ] ．I E E ET r a n sO nI T ，1 9 9 2 ，3 8 2 6 1 7 6 4 3 ． [ 8 ]张义平．李夕兵，赵国彦．爆破锾差延时的E M D 识别法[ J 】．地下 空间与工程学报，2 0 0 6 。2 3 4 8 8 4 9 0 ． [ 9 】李夕兵，凌同华，张义平．爆破震动信号分析理论与技术[ M ] ．北 京科学出版杜。2 0 0 9 ． 1 0 ]何岭松小波函数性质及其对小波分析结果的影响[ J ] ．振动工 程学报，2 0 0 0 ．1 3 1 1 4 3 1 4 5 ． [ 1 1 ] 胡吕华，李国华，周涛．基于M A T L A B 的系统分析与设计一 小波分析[ M ] ．西安西安电子科技大学出版社，2 0 0 8 ． [ 1 2 ] M a l l a tS ．At h e o r y f o rm u l t i r e m l u t l o nt i 训d e c a m p o s l d o n t h e w a v e l e tr e p r e s e n t a t i o n [ J ] ．I E E ET r a n sp s a e mA n a la n dM a c h i n e l n k J l 。1 9 8 9 ，I I 7 6 4 7 6 9 3 ． [ 1 3 ]张引红，吴胜举．鼾音信号奇异点检测的小渡变换分析方法 [ J ] ．计算机工程与应用．2 0 0 8 ．4 4 5 2 3 2 2 3 4 ． [ 1 4 ] H u a n gNE ，S h e nZ ，L o n gSR ，e lB 1 ．T h ee m p i r i c a lm o d ed e e o m p o - 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