張 頎 陶曉涵 陳 釩 陳正林

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716； 2.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048)

1 概述

災(zāi)后緊急救援工作經(jīng)常在復(fù)雜多樣的高噪聲環(huán)境中進(jìn)行，而被困人員發(fā)出的求救震動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)塌方體會(huì)有所衰減，傳感器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)位置也因地形因素通常受到限制，故求救信號(hào)在被檢波器接收到的同時(shí)往往也都被噪聲淹沒(méi)，所以在災(zāi)后復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)情況下對(duì)搜集到的多種震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別的研究是很有必要的。

通過(guò)將收集的波形信號(hào)通過(guò)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(hào)與干擾信號(hào)震動(dòng)信號(hào)頻帶、頻率成分、震動(dòng)主頻等特征因子的差異，利用這些差異進(jìn)行比對(duì)，可將求救信號(hào)識(shí)別。

2 信號(hào)特征提取的數(shù)學(xué)原理

設(shè)x(n)為N項(xiàng)的復(fù)數(shù)序列，在FFT中，利用WN的周期性和對(duì)稱性，把一個(gè)N項(xiàng)序列(設(shè)N=2k,k為正整數(shù))，分為兩個(gè)N/2項(xiàng)的子序列，每個(gè)N/2點(diǎn)DFT變換需要(N/2)2次運(yùn)算，再用N次運(yùn)算把兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT變換組合成一個(gè)N點(diǎn)的DFT變換。這樣變換以后，總的運(yùn)算次數(shù)就變成N+2×(N/2)2=N+N2/2。

設(shè)x(n)是長(zhǎng)度為N的有限長(zhǎng)序列，則其傅里葉變換為：

其離散傅里葉變換為：

由于功率沒(méi)有負(fù)值，所以功率譜曲線上的縱坐標(biāo)也沒(méi)有負(fù)數(shù)值，功率譜曲線所覆蓋的面積在數(shù)值上等于信號(hào)的總功率(能量)，功率譜函數(shù)如下：

3 算例分析

3.1 波形信號(hào)波形圖、功率譜對(duì)比

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

比較各類信號(hào)波形圖可得：巖體破裂信號(hào)的振幅約在130 mV,求救信號(hào)的振幅約在50 mV，特征差異相對(duì)較小，僅通過(guò)分析波形圖的特征因子通常無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別出有效求救信號(hào)，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(jìn)一步分析信號(hào)功率譜。

3.2 功率譜特征因子對(duì)比

分析兩種信號(hào)功率譜圖特征因子，可得：

巖體破裂信號(hào)的主頻幅值約為4 200 g2/Hz，求救信號(hào)的主頻幅值約為310 g2/Hz。求救信號(hào)與巖體破裂信號(hào)的主頻幅值與范圍都有較大差異，通過(guò)設(shè)定求救信號(hào)主頻幅值范圍，再比較篩選出的主頻范圍，可將求救信號(hào)識(shí)別，由此也可在其他干擾信號(hào)中區(qū)分求救信號(hào)。

4 軟件編程

通過(guò)MATLAB的GUI編程將對(duì)求救信號(hào)的讀取、繪制、識(shí)別、分析集成，編寫出災(zāi)后受困人員生命安全信息軟件，可在救援現(xiàn)場(chǎng)直觀反映救援信號(hào)。

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(guò)MATLAB編程，得到一個(gè)反映受困者生命安全信息的軟件。圖4為土木工程災(zāi)后受困人員生命信息辨識(shí)軟件界面圖。

1)事件回放：對(duì)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(hào)以及重要波形信息查閱。

2)時(shí)間：顯示當(dāng)前搜救時(shí)間以及波形記錄時(shí)間。

3)載入波形文件：將已采集到的現(xiàn)場(chǎng)波形信號(hào)進(jìn)行分析。

4)信號(hào)處理：分析處理當(dāng)前波形。

5)分析結(jié)果：在界面右方(分析結(jié)果下方)出現(xiàn)分析出的結(jié)果。

6)幫助：操作索引及軟件操作說(shuō)明書。

5 結(jié)語(yǔ)

由于土木工程災(zāi)后救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜多樣性和人耳判別求救信號(hào)的局限性，故采用將現(xiàn)場(chǎng)采集到的干擾信號(hào)與求救信號(hào)載入MATLAB中，并求取其功率譜進(jìn)行頻譜特征分析的方法，對(duì)不同信號(hào)功率譜主頻幅值與范圍分析、比對(duì)，可篩選出有效求救信號(hào)。利用MATLAB的GUI軟件界面交互設(shè)計(jì)，得到獨(dú)立的應(yīng)用程序，將受困人員具體的求救信號(hào)直觀顯示在軟件界面上。