專利名稱：消減沖擊彈性波激振殘留信號(hào)以識(shí)別反射波信號(hào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于波動(dòng)傳輸與信號(hào)數(shù)值分析領(lǐng)域，特別涉及消減沖擊彈性波激振殘留信號(hào)以識(shí)別反射波信號(hào)的方法。

背景技術(shù)：
樁基礎(chǔ)是工程結(jié)構(gòu)中常用的基礎(chǔ)類型，約占全部工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的70％以上。由于它是地下隱蔽結(jié)構(gòu)物，在施工過(guò)程中極易出現(xiàn)各類缺陷，故對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行全面質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)就顯得十分必要。其中，低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)，是比較有效的方法，是上世紀(jì)7、80年代由美、日等國(guó)發(fā)展起來(lái)的一種新興的檢測(cè)方法，簡(jiǎn)稱“PIT”法。當(dāng)樁頂受到一沖擊力后，激勵(lì)產(chǎn)生的應(yīng)力以波動(dòng)形式在樁身中向下傳播，遇到端面或缺陷面等波阻抗差異面后，發(fā)生反射波信號(hào)。將反對(duì)波信號(hào)用到檢測(cè)中，通過(guò)檢測(cè)分析反射波的特性(特別是反射波信號(hào)的初至?xí)r刻)來(lái)分析樁身中缺陷的有、無(wú)、缺陷的位置以及核算樁長(zhǎng)或材質(zhì)，從而達(dá)到檢查樁身質(zhì)量的目的。該方法由于采用的是彈性波的反射信號(hào)，為了與其他方法(如“跨孔法”)區(qū)別，在此稱之為“反射波法”。
從理論上講，反射波法不僅可以用來(lái)測(cè)樁，還可以測(cè)試其他柱狀結(jié)構(gòu)物，如高速公路護(hù)欄立柱、各類錨桿等。然而，除了現(xiàn)場(chǎng)澆筑的實(shí)心樁測(cè)試結(jié)果較為理想以外，該方法對(duì)其他各類樁(特別是中空的如鋼管樁、離心預(yù)制樁等)、柱的測(cè)試效果均不理想。其主要原因在于，反射信號(hào)能量較低而且容易受到各種噪聲的影響。其中，激勵(lì)發(fā)射信號(hào)時(shí)的殘留信號(hào)(自由振動(dòng))是非常重要的影響因素之一(附圖-1)，在中空樁、柱中更為突出。振幅大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的殘留振動(dòng)信號(hào)不僅降低了信噪比，而且嚴(yán)重地影響到反射信號(hào)的識(shí)別，以至無(wú)法進(jìn)行有效的測(cè)試。因此，為了正確的識(shí)別和利用反射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，就必需消減激振殘留信號(hào)。
通常，傳統(tǒng)的抑制殘留振動(dòng)的方法是采用以下兩種作法 1)提高激振信號(hào)的角頻率ω 該方法一方面可以抑制殘留振動(dòng)，另一方面有利于提高分辨率。然而，該方法存在以下兩個(gè)缺點(diǎn) (a)在沿對(duì)象體(樁、柱、錨桿等)傳播過(guò)程中衰減較快，當(dāng)對(duì)象體較長(zhǎng)，周圍土體材料堅(jiān)硬時(shí)信號(hào)的衰減大，反射信號(hào)弱并難以捕捉。因此，過(guò)高的頻率不利于反射波法的檢測(cè)； (b)為了產(chǎn)生具有一定能量的高頻信號(hào)，在激振時(shí)往往需要沖擊錘體具有一定的沖擊力，因而在與測(cè)試對(duì)象體的碰撞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的碰撞聲響。碰撞聲的持續(xù)時(shí)間往往較長(zhǎng)，反過(guò)來(lái)又會(huì)影響測(cè)試信號(hào)，形成新的噪聲源。特別是當(dāng)對(duì)象體是中空柱時(shí)，碰撞聲很可能在空腔中產(chǎn)生共鳴，從而有所放大，嚴(yán)重地影響測(cè)試精度。
2)提高衰減比h(阻尼)； 采用提高衰減比h(阻尼)的方法是比較有效的。但是，衰減比h是對(duì)象材料及結(jié)構(gòu)的固有特性，難以通過(guò)外界方法加以改變。因此，在彈性波反射波法的檢測(cè)中，提高衰減比h的方法難以實(shí)行。
綜上所述，在“PIT法”測(cè)試中，采用通常的抑制殘留振動(dòng)的方法如提高激振信號(hào)的角頻率ω或提高阻尼的方法都難以取得明顯的效果，因此，這些作法是不適宜采取的。
為此，本發(fā)明提出一套數(shù)值計(jì)算的方法，比上述的兩種方法都有進(jìn)步性和可行性，它能夠有效地消減彈性波激勵(lì)后的殘留信號(hào)。本發(fā)明可以提高測(cè)試信號(hào)的信噪比，有利于識(shí)別和提取反射波信號(hào)，從而大大提高測(cè)試精度。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有的利用傳統(tǒng)反射波法測(cè)量樁或柱狀結(jié)構(gòu)物時(shí)，由于殘留信號(hào)的存在而產(chǎn)生如下弊端 1)降低了測(cè)試信號(hào)的信噪比；2)影響到對(duì)反射信號(hào)的識(shí)別；3)難以精確地確定反射波信號(hào)的初至?xí)r刻。從而嚴(yán)重影響其測(cè)試精度和可靠性。
為了克服這些弊端，提高測(cè)試的有效性，就需要研究出對(duì)殘留信號(hào)加以抑制的方法。本發(fā)明就是提供對(duì)沖擊彈性波激勵(lì)殘留信號(hào)的抑制，從而可精確地識(shí)別反射波信號(hào)初至?xí)r刻的方法，抽出有效的反射波信息，以實(shí)現(xiàn)有效利用。
本發(fā)明的目的是提供一種消減沖擊彈性波激振殘留信號(hào)以識(shí)別反射波信號(hào)的方法，在描述本發(fā)明所采用的技術(shù)方案之前，先說(shuō)明本方案所基于的理論基礎(chǔ)，概述本發(fā)明是通過(guò)對(duì)沖擊彈性波激勵(lì)殘留信號(hào)的回歸，進(jìn)而從測(cè)試信號(hào)中消減相應(yīng)的激振殘留信號(hào)的影響。同時(shí)，利用激勵(lì)信號(hào)與反射信號(hào)之間的相似性，結(jié)合相關(guān)分析的手段，可增強(qiáng)對(duì)反射信號(hào)的識(shí)別能力并確定反射波信號(hào)初至?xí)r刻，從而提高檢測(cè)精度。描述中三個(gè)基本問(wèn)題為 1)殘留信號(hào)影響的消除 沖擊彈性波激勵(lì)殘留信號(hào)的振動(dòng)分析力學(xué)模型如附圖1所示。附圖2所示為沖擊彈性波激勵(lì)殘留信號(hào)的振動(dòng)波形。當(dāng)外界給系統(tǒng)一個(gè)初始沖擊力后，則系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生自由衰減振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程式可以表示為式-1 (式-1) 式中ωn為系統(tǒng)固有圓頻率；n為衰減系數(shù)。
設(shè)激振結(jié)束時(shí)刻為t0，當(dāng)t＞t0后其系統(tǒng)開(kāi)始自由振動(dòng)。其響應(yīng)(如加速度)可以表示為

(式-2) 式中A0為初始振幅，

為相位角。
令表示沖擊殘留信號(hào)振動(dòng)的周期。Td可以通過(guò)殘留信號(hào)相鄰兩個(gè)峰值之間的時(shí)間差得出。如附圖3可得 Td＝t2-t1(式-3) 從殘留信號(hào)的振動(dòng)波形可以看出，在t＝t0時(shí)刻，x＝0，因此可知
根據(jù)自由振動(dòng)的衰減規(guī)律，殘留信號(hào)的振幅按幾何級(jí)數(shù)衰減(附圖3)。因此，由t＝t1時(shí)刻的振幅A1，t＝t2時(shí)刻的振幅A2，以及振動(dòng)周期Td即可推算出式-2中的A0和阻尼系數(shù)n。即 (式-4) (式-5) 即可回歸出殘留信號(hào)振動(dòng)方程，如用y(t)表示回歸后的自由振動(dòng)響應(yīng)，可得 (式-6) 值得說(shuō)明的是，在激振后的自由振動(dòng)，其周期特性及衰減特性均只與系統(tǒng)本身的特性有關(guān)，為一固定值。因此，對(duì)于測(cè)試的信號(hào)x(t)，在激振后(t＞t0)減去回歸出的衰減信號(hào)y(t)，從理論上即可消除殘留振動(dòng)的影響(附圖4)。
(式-7) 但是，由于實(shí)際的殘留振動(dòng)的特性十分復(fù)雜，利用式-4及式-5回歸的信號(hào)y(t)與實(shí)際的自由振動(dòng)信號(hào)x(t)之間有一定的差異。使得處理后的信號(hào)

中會(huì)出現(xiàn)像附圖5中的尖角信號(hào)，給反射信號(hào)的抽出帶來(lái)新的誤差要因。該類尖角信號(hào)往往具有較高的頻率和離散性。
2)信噪比的提高 我們提出了相關(guān)處理的方法，來(lái)削減附圖5中的尖角信號(hào)的影響。由于反射信號(hào)與入射信號(hào)間存在相似性，我們將通信工程中的“匹配濾波”(MatchedFilter)技術(shù)引入到本發(fā)明中，通過(guò)分析與激振波形(入射信號(hào))之間的相關(guān)性，從而能夠大幅消除高頻噪聲(附圖5中的尖角信號(hào))，提高信噪比。
匹配濾波的基本原理基于相關(guān)分析。在測(cè)試或處理波形

中，含有強(qiáng)度為a的對(duì)象信號(hào)s(t)，以及噪聲信號(hào)n(t) (式-8)

與s(t)相互相關(guān)則可以表示為 (式-9) 其中，Rss(τ)為對(duì)象信號(hào)波形的自相關(guān)，Rns(τ)為對(duì)象信號(hào)與噪聲信號(hào)的相互相關(guān)。
如果對(duì)象信號(hào)與噪聲信號(hào)完全無(wú)關(guān)， Rns(τ)→0(式-10) 則(式-9)可以表示為 Rxs(τ)＝a·Rss(τ)(式-11) 因此，通過(guò)

與對(duì)象信號(hào)s(t)的相關(guān)處理，即可大大消除掉尖角信號(hào)n(t)的影響，從而提高處理信號(hào)的信噪比。
附圖4和附圖5中，圖解說(shuō)明了上述各個(gè)信號(hào)。
a激振脈沖信號(hào)s(t)；b測(cè)試信號(hào)x(t)；c回歸自由振動(dòng)信號(hào)y(t)；d處理后信號(hào)

含噪聲；e處理后信號(hào)Rxs(t)，無(wú)噪聲。
3)反射信號(hào)的識(shí)別和初至?xí)r刻的確定 同時(shí)，由于反射信號(hào)與激振波形(入射信號(hào))具有很高的相似性，因此，通過(guò)“匹配濾波”技術(shù)可以大大增強(qiáng)反射信號(hào)的識(shí)別能力，并可自動(dòng)確定反射信號(hào)的初至?xí)r刻。
當(dāng)

中有反射信號(hào)s(t)時(shí)， (式-12) 其與激振波形(入射信號(hào))s(t)的相互相關(guān)處理可以表示為 (式-13) 由于反射信號(hào)s(t)與激振波形(入射信號(hào))s(t)之間具有極高的相似性，因此，其相關(guān)系數(shù)

(τ)數(shù)值遠(yuǎn)大于其他噪聲與入射信號(hào)間的相關(guān)系數(shù)Rsn(τ)，從而突出了反射信號(hào)(附圖6)。
值得說(shuō)明的是，附圖6中兩個(gè)峰值的時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)于激振的時(shí)刻和反射信號(hào)的初至?xí)r刻，據(jù)此即可推算出反射信號(hào)的傳播時(shí)間。由于峰值位置很容易自動(dòng)確定，因此反射信號(hào)的初至?xí)r刻也可以自動(dòng)得到。而有了這個(gè)初至?xí)r刻，就可以對(duì)所埋樁的各個(gè)參數(shù)作出較為精確的測(cè)量。
在以上敘述的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采用的技術(shù)方案如下一種消減沖擊彈性波激振殘留信號(hào)以識(shí)別反射波信號(hào)的方法，首先建立沖擊彈性波激振殘留信號(hào)的振動(dòng)分析力學(xué)模型，其特征在于，按如下步驟實(shí)施步驟A.從測(cè)試得到的波形中，識(shí)別特征波形，a入射信號(hào)激振波形、b殘留信號(hào)振動(dòng)波形；步驟B.從殘留信號(hào)的振動(dòng)波形中，選取相鄰的兩個(gè)或多個(gè)峰值，并求其特征參數(shù)；步驟C.根據(jù)上述峰值的時(shí)刻ti可求出殘留信號(hào)的自振周期Td；步驟D.根據(jù)上述峰值的特征參數(shù)回歸出殘留信號(hào)的振動(dòng)方程；步驟E.從測(cè)試的信號(hào)中減去推算出的殘留信號(hào)，得到一次處理信號(hào)；步驟F.對(duì)一次處理信號(hào)與入射的激振信號(hào)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，得到二次處理信號(hào)；步驟G.利用二次處理信號(hào)，增強(qiáng)對(duì)反射信號(hào)的識(shí)別能力，自動(dòng)確定反射信號(hào)的初至?xí)r刻。
本發(fā)明的有益效果為，利用建立沖擊彈性波激振殘留信號(hào)的振動(dòng)分析力學(xué)模形及數(shù)學(xué)處理手段，可以有效的消減沖擊彈性波激振殘留信號(hào)，從而準(zhǔn)確識(shí)別反射波信號(hào)初至?xí)r刻，以便進(jìn)行對(duì)樁，柱內(nèi)部缺陷做出有效的精確的測(cè)量。



圖1為沖擊系統(tǒng)的力學(xué)模型； 圖2為沖擊彈性波激振殘留信號(hào)的振動(dòng)波形； 圖3為振幅衰減特性； 圖4為消減殘留自由振動(dòng)的概念； 圖5為實(shí)際的處理信號(hào)； 圖6為本發(fā)明的效果； 圖7為測(cè)試的實(shí)際波形信號(hào)； 圖8為經(jīng)過(guò)本發(fā)明處理后的波形圖； 圖9為實(shí)施步驟流程概要圖。

具體實(shí)施例方式 參照?qǐng)D1、圖2、表示所建立沖擊彈性波激振殘留信號(hào)的振動(dòng)分析力學(xué)模形，以及沖擊彈性波激振殘留信號(hào)的振動(dòng)波形。參照?qǐng)D3、圖4、表示出圖2所述的振動(dòng)波形的振幅衰減特性，以及圖4進(jìn)一步認(rèn)識(shí)消減殘留自由振動(dòng)的物理概念。參照?qǐng)D5、列舉出實(shí)際的處理信號(hào)的一個(gè)實(shí)施例。在圖6中表示出本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)效果。參照?qǐng)D7、圖8、表示以一個(gè)實(shí)際波形信號(hào)為例，通過(guò)將實(shí)施步驟程序?qū)嵤?，進(jìn)而驗(yàn)證了本發(fā)明的效果，附圖7表示含有沖擊彈性波激振殘留信號(hào)的測(cè)試波形，參照?qǐng)D8表示經(jīng)本發(fā)明處理后的波形?？梢钥闯鰵埩粜盘?hào)明顯的被消減。圖8中可以看出，本發(fā)明有效地消減了沖擊彈性波的激振殘留信號(hào)，并準(zhǔn)確識(shí)別反射信號(hào)，捕捉到反射波信號(hào)的初至?xí)r刻。其中，兩個(gè)十字符號(hào)之間時(shí)間差即為反射信號(hào)的傳播時(shí)間。參照?qǐng)D9，表示本發(fā)明一種消減沖擊彈性波激振殘留信號(hào)以識(shí)別反射波信號(hào)的方法，該方法中的實(shí)施步驟流程為，首先建立沖擊彈性波激振殘留信號(hào)的振動(dòng)分析力學(xué)模型，然后再按如下步驟實(shí)施 步驟A.從測(cè)試得到的波形中，識(shí)別下面兩個(gè)特征波形a入射信號(hào)激振波形正如圖6中a，b殘留信號(hào)的振動(dòng)波形； 步驟B.從上述殘留信號(hào)的振動(dòng)波形中，選取相鄰的兩個(gè)或多個(gè)峰值，并求取其特征參數(shù)(如振幅Ai、時(shí)刻ti)等； 步驟C.根據(jù)上述峰值的時(shí)刻ti可求出殘留信號(hào)的自振周期Td(如式-3)； 步驟D.根據(jù)上述峰值的特征參數(shù)可回歸出殘留信號(hào)的振動(dòng)方程(如式-4、式-5、式-6)； 步驟E.從測(cè)試的信號(hào)中減去上述步驟D中推算出的殘留信號(hào)(如式-7)，得到一次處理信號(hào)，從理論上即可消除殘留振動(dòng)的影響；由于推算出的激振殘留信號(hào)與實(shí)際的激振殘留信號(hào)之間會(huì)有一定的區(qū)別，因此一次處理信號(hào)中會(huì)有相應(yīng)的高頻噪聲需要處理； 步驟F.通過(guò)對(duì)一次處理信號(hào)與入射的激振信號(hào)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析(如式-13)，從而提高信噪比，得到二次處理信號(hào)； 步驟G、利用二次處理信號(hào)，可以增強(qiáng)對(duì)反射信號(hào)的識(shí)別能力，并可自動(dòng)確定反射信號(hào)的初至?xí)r刻。
本發(fā)明很好地消減了沖擊彈性波的激勵(lì)殘留信號(hào)，并準(zhǔn)確識(shí)別到反射波初至?xí)r刻。
權(quán)利要求
1.一種消減沖擊彈性波激振殘留信號(hào)以識(shí)別反射波信號(hào)的方法，首先建立沖擊彈性波激振殘留信號(hào)的振動(dòng)分析力學(xué)模型，其特征在于，按如下步驟實(shí)施步驟A.從測(cè)試得到的波形中，識(shí)別特征波形，a入射信號(hào)激振波形、b殘留信號(hào)振動(dòng)波形；步驟B.從殘留信號(hào)的振動(dòng)波形中，選取相鄰的兩個(gè)或多個(gè)峰值，并求其特征參數(shù)；步驟C.根據(jù)上述峰值的時(shí)刻ti可求出殘留信號(hào)的自振周期Td；步驟D.根據(jù)上述峰值的特征參數(shù)回歸出殘留信號(hào)的振動(dòng)方程；步驟E.從測(cè)試的信號(hào)中減去推算出的殘留信號(hào)，得到一次處理信號(hào)；步驟F.對(duì)一次處理信號(hào)與入射的激振信號(hào)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，得到二次處理信號(hào)；步驟G.利用二次處理信號(hào)，增強(qiáng)對(duì)反射信號(hào)的識(shí)別能力，自動(dòng)確定反射信號(hào)的初至?xí)r刻。
全文摘要
一種消減沖擊彈性波激振殘留信號(hào)以識(shí)別反射波信號(hào)的方法，屬于波動(dòng)傳輸與信號(hào)數(shù)值分析領(lǐng)域，首先建立沖擊彈性波激振殘留信號(hào)的振動(dòng)分析力學(xué)模型，按如下步驟實(shí)施從測(cè)試得到的波形中，識(shí)別特征波形；從殘留信號(hào)的振動(dòng)波形中，選取相鄰的兩個(gè)或多個(gè)峰值，并求其特征參數(shù)；根據(jù)上述峰值的時(shí)刻ti可求出殘留信號(hào)的自振周期Td；根據(jù)上述峰值的特征參數(shù)回歸出殘留信號(hào)的振動(dòng)方程；從測(cè)試的信號(hào)中減去推算出的殘留信號(hào)，得到一次處理信號(hào)；對(duì)一次處理信號(hào)與入射的激振信號(hào)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，得到二次處理信號(hào)；利用二次處理信號(hào)，增強(qiáng)對(duì)反射信號(hào)的識(shí)別能力，自動(dòng)確定反射信號(hào)的初至?xí)r刻。本發(fā)明有利于識(shí)別和提取反射波信號(hào)，從而大大提高測(cè)試精度。
文檔編號(hào)G01B17/00GK101538872SQ20091008285
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者吳佳曄, 張高強(qiáng), 吳曾煒 申請(qǐng)人:四川升拓檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司