基于矢量传感器的地下振动信号检测技术

方尔正 王欢 李响 桂晨阳 张秋实 马旭卓

摘 要： 研究了地下振动信号的产生和振动机制，设计了地下振动信号检测系统试验方案。对利用矢量传感器采集到的信号进行处理，研究了地下振动信号的功率谱分布，综合利用信号去趋势、经验模态分解、小波去噪三种去噪方法，消除了混叠于振动信号中的噪声。通过对实测数据的处理，得到在0°到90°间，系统对目标的定向结果和来波方向的误差除了0°和90°以外，均小于10°，验证了矢量传感器有较好的定向能力。为下一步继续研究提供了技术支撑，且对矢量传感器在地下振动信号检测领域的工程化应用奠定了基础。

关键词： 矢量传感器； 定向； 地下振动信号

中图分类号： TP 212.9，TP 274 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2018）01-0087-04

0 引 言

利用地下振動信号进行地下探测是直接获取地下信息的重要途径之一，在地质研究、地下岩层结构研究以及地下掩埋人员的救援等方面都具有重要意义。本文主要针对矢量传感器采集得到的地下振动信号进行数据分析和信号处理，并在此基础上分析振动信号的组成成分和频谱特征，分析地下振动信号通过土壤介质传播时的速度特性以及频谱衰减规律。对采集到的实际信号进行消趋势和小波去噪为后续工作提供比较理想的目标信号。对目标信号进行定向计算，得到传感器的定向情况和测量距离。本文验证了运用矢量传感器进行来波定向的可行性，同时为矢量传感器在地下振动信号检测领域的工程化应用奠定基础，进而为后续研究内容提供技术支持。

1 地下振动信号的产生和振动机制

地表或地下岩体因地层内力过大发生破裂而产生激振，通过土地介质传播的振动信号被称为地下振动信号。土壤介质是一种由固体介质和流体介质混合而成的介质，其地下振动信号的传播方式更为复杂。地下振动信号的目标检测就是通过对所接收到的振动信号特性进行研究，分析激励源的方向、方位等特性。

根据BIOT提出的饱和多孔介质中的弹性波传播理论，由于快纵波主要通过流体饱和孔隙固体中的土壤固体颗粒进行传播，孔隙具有相对较小的频散特性和良好的矢量性。而慢纵波波速较低，横波在低速带中的吸收衰减很大，且横波剖面往往信噪比不高，分辨率较低，勘探的能力有限，且激振源对地面激振形成地下振动信号中的横波传播至传感器时会有一定的畸变，会给信号处理带来困难。因此综合上文的研究，本文主要利用地下振动信号中的快纵波对激振源进行定向。

2 地下振动信号检测系统组成方案

传感器是现代设备的感官，能够将各种类型的信号转化成与该信号成一定关系的电信号，方便电子设备对其进行处理。当激励地面时，会产生向四周传播的地下振动信号，地下振动信号可以引起周围介质的振动，所以对地下振动的测量可以等效于对土壤介质振动的测量，使用哈尔滨工程大学自主研发的二维矢量传感器进行实验，通过对两个正交方向传感器得到的数据进行处理，就可以实现对激振源的定向。

本文设计的基于矢量传感器的地下振动信号信号检测系统主要包括两部分组成，分别是数据采集模块和计算机信号处理系统。如图3所示。

3 地下振动信号处理方法

由于土壤介质通常是不均匀性的，而且还含有大量的环境噪声，通过地下振动检测系统采集得到的地下振动信号往往混叠这大量的环境噪声，难以对数据进行直接分析。图4为利用矢量传感器采集得到的原始实测数据。

由图4可以看出，系统采集得到的x和y矢量信号具有不同的零点漂移，且低频抖动很大，难以通过对数据的直接处理获得目标方位角，为了得到更准确的结果，需去掉地下振动信号通过土壤传播时受到的低频干扰和携带的白噪声。对数据采集模块采集到的地下振动信号进行信号去趋势处理，为接下来的信号处理过程提供更有效信号。图5为4种消趋势法处理后的信号和噪声功率谱。

比较图5中采用4种消趋势方法处理后的信号噪声功率谱，可见利用中位数法、滑动递归、矩形窗三种消趋势方法都只能够将1Hz处的低频干扰消减到107 dB，而对中位数去趋势处理后，再将输出信号进行滑动递归拟合的中位数改进法可将1 Hz处低频干扰消减到96 dB。可见中位数改进法与其他3种方法相比具有更优秀的去低频干扰性能，所以本文对信号的处理均采用中位数改进法去趋势。

通过利用经验模态分解对实测地下振动信号进行处理可以得到其各层经验模态，去除imf7以后的固有模态函数，可充分消除低频干扰。之后对经验模态分解的信号进行小波去噪，选择Daubechies小波作为基小波，采用Daubechies小波系的db5，尺度为5层，多分辨分析的同时可以实现消除噪声的目的。

如图6和图7所示，信号经过经验模态分解和小波去噪处理后，信号中混叠的噪声声能级明显下降，滤除了大部分噪声，由此可见组合运用经验模态分解去噪和小波去噪的方法能够在保留原有信号的同时，去除大部分干扰信号，经过这样预处理的信号可以更好的实现对信号源的方位估计。

4 数据处理

利用外场实验得到的原始数据，以及上述去噪的方法对信号进行处理，充分滤除信号中混叠的噪声，再利用

可得到目标的估计所在角度。式（1）中，vx和vy分别为传感器x和y通道得到的数据。实验结果如表1～表3所示。由表1～表3可以看出，本文所设计的基于矢量传感器的地下振动信号检测系统可以在平坦干燥的土壤环境中，到的范围内，对激励源做出较好的定向。地下振动信号检测系统可以对激振源实现比较准确的方向估计。

5 结 论

本文完成了基于矢量传感器的地下振动信号检测系统的方案设计，通过对信号消趋势，经验分解和小波去噪后得到了具有更高信噪比的有效信号。通过对外场试验采集得到实验数据进行处理，对激励源实现了较好的方向估计，验证了系统设计方案的合理性。

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