專利名稱：一種基于小波分形組合的爆破振動信號特征提取方法
技術領域：
本發(fā)明爆破振動信號特征的提取方法，具體涉及一種基于小波分形組合的爆破振動信號特征提取方法。
背景技術：
目前，工程爆破引起的爆破振動效應是爆破公害中最重要的研究課題之一，通過爆破振動信號分析，準確提取爆破振動特征是進行爆破振動效應分析及爆破振動危害控制的基礎。由于爆破振動信號屬于典型的短時非平穩(wěn)隨機過程，建立在平穩(wěn)過程上傳統(tǒng)的 Rmrier變換等方法已無法反應其本質(zhì)特征，對于爆破振動信號的時頻局部化特征也不能進行精細化刻畫。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種可以對爆破振動信號特征進行高精度刻畫的基于小波分形組合的爆破振動信號特征提取方法。技術方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種基于小波分形組合的爆破振動信號特征提取方法，是這樣提取爆破振動信號特征首先，給出爆破振動信號小波分形閾值去噪方法，采用適宜于爆破振動信號特征分析的小波基進行多尺度分解，對高頻系數(shù)進行閾值量化后進行重構，得到不同分解尺度條件下的去噪結果；基于爆破振動信號分形盒維數(shù)計算模型，確定矩形盒尺寸、k值，計算不同分解尺度條件下去噪后爆破振動時程曲線的分形維數(shù)值，根據(jù)盒維數(shù)最小時對應的分解尺度確定為最佳的小波分解尺度進行爆破振動信號的小波閾值去噪；然后，通過爆破振動信號小波系數(shù)的相似性及自相似性驗證爆破振動信號的分形特性；通過爆破振動信號分形維數(shù)隨頻率變化規(guī)律，將分形維數(shù)作為爆破振動信號的特征參量。具體來說，本發(fā)明的一種基于小波分形組合的爆破振動信號特征提取方法，包括以下步驟(a)建立分形維數(shù)計算模型，確定爆破振動信號分形維數(shù)①設振動時程曲線S e R2，將曲線覆蓋的整個平面RXR劃分為盡可能小的網(wǎng)格 (S1X S 2)，該網(wǎng)格也稱為矩形盒，采用基本步長為HS1X δ2)的矩形覆蓋待分析的信號， 統(tǒng)計對應尺度下有效覆蓋網(wǎng)格數(shù)Nks，設所有與S相交的網(wǎng)格數(shù)為M5,，則振動分形維數(shù)計算公式為
_9]仏減=·!^“^ 或 2) (1)其中k = 1，2，3L表示網(wǎng)格的放大倍數(shù)，Nkgi = [(maxO(ZO)-minO(ZO)/M2] + 於(rew(max(>(/0)-min(>(/0),M2)),h e (1，η)，
η 為采樣點數(shù)，rem (max (s (h)) -min (s (h))，k δ 2)表示(max (s (h)) -min (s (h))與 k δ 2 相除1,χ>0
時的余數(shù)，樹χ)= Λ Λ ；
+l，T為主振周期，At為采樣時間間隔；③確定網(wǎng)格尺寸HS1X δ2)網(wǎng)格寬度IcS1最大不超過振動信號半周期的寬度 T/2，網(wǎng)格高度k δ 2最小值不小于整個分析信號相鄰數(shù)據(jù)點間的最小非零幅值差AAmin，同時k δ 2不大于信號的最高峰值Amax (實際確定δ 2時采用Matlab中sort (s)命令對采樣數(shù)據(jù)進行排序，從而容易確定出ΔAmin)；④根據(jù)振動分形維數(shù)計算公式(1)，在無標度區(qū)內(nèi)-Iogk δ i與-IogA^滿足線性回歸方程=IogA^=-Aw2(i = 1或2)，根據(jù)確定的網(wǎng)格尺寸和放大倍數(shù)，通過作 {-\ogk5t,\ogNks) (i = 1或幻雙對數(shù)擬合曲線的斜率求得爆破振動信號分形維數(shù)；(b)對爆破振動信號進行去噪①采用小波變換對信號進行多尺度分解；②對分解所得高頻細節(jié)分量按下式進行閾值處理d(k) = ign(d(kM\ d(k) \ -Tj) = d(k) -TjJ(U) > Tj(2)
d{k)+ T^d(U)K-Tj其中各個尺度的閾值按下式確定:Γ;=σν21ο§(#)/(1ο§(7 + 1)),Τ,.為各分解尺度對
應的閾值，j為分解尺度；爆破振動信號的噪聲方差σ未知，由下式進行估計ο = median (I dj(k) )/0. 6745，其中，為中值函數(shù)；③將逼近信號和經(jīng)閾值處理后的細節(jié)信號重構，得到去噪后的爆破振動信號；④分別計算不同分解尺度條件下去噪后爆破振動波形的盒維數(shù)值，分形維數(shù)最小時對應的分解尺度確定為最佳分解尺度；(c)確定爆破振動信號不同頻帶信號分量的分維數(shù)特征①對實測爆破振動信號進行小波多尺度分解；②計算步驟①中所得小波分量對應的分形維數(shù)值，刻畫振動時程曲線復雜度；③小波分量對應分形維數(shù)值隨頻率變化，頻率越高，分維數(shù)越大，且工程爆破振動測試信號中滿足1 < D < 2，D為分形盒維數(shù)，將分形盒維數(shù)D作為表征爆破振動信號中頻率成份的新參量。本發(fā)明中，可以通過對爆破振動信號分形特性進行小波分析，驗證爆破振動信號分形特征①對實測爆破振動信號進行最佳分解層數(shù)條件下的小波分解；②對爆破振動信號及小波分量進行連續(xù)小波變換，得出自相似指數(shù)圖；③在小波分解后顯示的自相似指數(shù)圖中，驗證爆破振動信號分形特征。有益效果本發(fā)明的一種基于小波分形組合的爆破振動信號特征提取方法，一方面通過不同分解尺度條件下分形維數(shù)的變化規(guī)律確定小波閾值去噪中最佳的小波分解尺度；另一方面通過小波分量的相似與自相似性科學驗證爆破振動信號的分形特性，通過爆破振動信號小波分量的分維數(shù)隨頻率變化規(guī)律，提出將爆破振動信號分形維數(shù)作為表征爆破振動的新的無量綱參量，該方法步驟簡單、可操作性強，通過該方法能夠精確獲取爆破振動信號的特征，滿足工程中爆破振動信號分析中特征提取的使用需求。


圖1為典型的爆破振動實測信號圖；圖2為矩形盒覆蓋模型圖；圖3為不同分解層數(shù)小波閾值去噪效果圖；圖4為不同分解層數(shù)條件下盒維數(shù)值；圖5為最佳分解尺度條件下去噪效果圖；圖6為小波分解(j = 3)圖；圖7為時間-尺度-系數(shù)圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。本實施例中，首先獲取一典型的爆破振動實測信號S，如圖1所示，其中含有噪聲分量；圖2為本實施例中建立的爆破振動雙尺度矩形盒覆蓋模型。本發(fā)明的一種基于小波分形組合的爆破振動信號特征提取方法，包括以下步驟(a)建立分形維數(shù)計算模型，確定爆破振動信號分形維數(shù)①設振動時程曲線S e R2，將曲線覆蓋的整個平面RXR劃分為盡可能小的網(wǎng)格 (S1X S 2)，采用基本步長為HS1X δ2)的矩形覆蓋待分析的信號，統(tǒng)計對應尺度下有效覆蓋網(wǎng)格數(shù)Nks，設所有與S相交的網(wǎng)格數(shù)為，則振動分形維數(shù)計算公式為
權利要求
1. 一種基于小波分形組合的爆破振動信號特征提取方法，其特征在于包括以下步驟 (a)建立分形維數(shù)計算模型，確定爆破振動信號分形維數(shù)①設振動時程曲線S e R2，將曲線覆蓋的整個平面RXR劃分為盡可能小的網(wǎng)格 O1X S 2)，采用基本步長為HS1X δ2)的矩形覆蓋待分析的信號，統(tǒng)計對應尺度下有效覆蓋網(wǎng)格數(shù)Nks，設所有與S相交的網(wǎng)格數(shù)為M5,，則振動分形維數(shù)計算公式為 其中k= 1，2，3L表示網(wǎng)格的放大倍數(shù)，Nkgi = [(max(X/0)-min(5(/z))/M2] + ^(rew(max(5(/z))-min(5(/z)),M2)) , h e (1，η), η 為采樣點數(shù)，rem(max(S(h))-min(S(h))，kS2)表示(max (s (h))-min (s (h))與 kS2相除時的余數(shù)，沿) ②確定網(wǎng)格的放大倍數(shù)k:l彡k彡[T/2At]+l，T為主振周期，At為采樣時間間隔；③確定網(wǎng)格尺寸k(δ iX δ 2)網(wǎng)格寬度k δ工最大不超過振動信號半周期的寬度T/2， 網(wǎng)格高度kS2最小值不小于整個分析信號相鄰數(shù)據(jù)點間的最小非零幅值差AAmin，同時 kS2不大于信號的最高峰值Amax ；④根據(jù)振動分形維數(shù)計算公式(1)，在無標度區(qū)內(nèi)滿足線性回歸方程log =-A^log(^;)+6 (i = 1或2)，根據(jù)確定的網(wǎng)格尺寸和放大倍數(shù)，通過作 {-\ogk5t,\ogNks) (i = 1或幻雙對數(shù)擬合曲線的斜率求得爆破振動信號分形維數(shù)；(b)對爆破振動信號進行去噪①采用小波變換對信號進行多尺度分解；②對分解所得高頻細節(jié)分量按下式進行閾值處理 其中各個尺度的閾值按下式確定:Γ;=σν21ο§(#)/(1ο§(7 + 1)),Τ,.為各分解尺度對應的閾值，j為分解尺度；爆破振動信號的噪聲方差。未知，由下式進行估計σ = median (I dj(k) |)/0. 6745, 其中，為中值函數(shù)；③將逼近信號和經(jīng)閾值處理后的細節(jié)信號重構，得到去噪后的爆破振動信號；④分別計算不同分解尺度條件下去噪后爆破振動波形的盒維數(shù)值，分形維數(shù)最小時對應的分解尺度確定為最佳分解尺度；(c)確定爆破振動信號不同頻帶信號分量的分維數(shù)特征①對實測爆破振動信號進行小波多尺度分解；②計算步驟①中所得小波分量對應的分形維數(shù)值，刻畫振動時程曲線復雜度；③小波分量對應分形維數(shù)值隨頻率變化，頻率越高，分維數(shù)越大，且工程爆破振動測試信號中滿足1 < D < 2，D為分形盒維數(shù)，將分形盒維數(shù)D作為表征爆破振動信號中頻率成份的新參量。全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于小波分形組合的爆破振動信號特征提取方法，該方法一方面通過不同分解尺度條件下分形維數(shù)的變化規(guī)律確定小波閾值去噪中最佳的小波分解尺度；另一方面通過小波分量的相似與自相似性科學驗證爆破振動信號的分形特性，通過爆破振動信號小波分量的分維數(shù)隨頻率變化規(guī)律，提出將爆破振動信號分形維數(shù)作為表征爆破振動的新的無量綱參量。本發(fā)明的爆破振動信號特征提取方法，步驟簡單、可操作性強，通過該方法能夠精確獲取爆破振動信號的特征，滿足工程中爆破振動信號分析中特征提取的使用需求。
文檔編號G01H17/00GK102359815SQ20111019009
公開日2012年2月22日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權日2011年7月8日
發(fā)明者李興華, 謝全民, 路亮, 郭濤, 鐘明壽, 高振儒, 龍源 申請人:中國人民解放軍理工大學工程兵工程學院