土木工程灾后受困人员求救敲击信号辨识研究

张 颀 陶晓涵 陈 钒 陈正林

(1.西南大学工程技术学院，重庆 400716； 2.中电建路桥集团有限公司，北京 100048)

1 概述

灾后紧急救援工作经常在复杂多样的高噪声环境中进行，而被困人员发出的求救震动信号经过塌方体会有所衰减，传感器网络的布设位置也因地形因素通常受到限制，故求救信号在被检波器接收到的同时往往也都被噪声淹没，所以在灾后复杂现场情况下对搜集到的多种震动信号进行识别的研究是很有必要的。

通过将收集的波形信号通过快速傅里叶变换得到其功率谱图，可清晰地观察到求救信号与干扰信号震动信号频带、频率成分、震动主频等特征因子的差异，利用这些差异进行比对，可将求救信号识别。

2 信号特征提取的数学原理

设x(n)为N项的复数序列，在FFT中，利用WN的周期性和对称性，把一个N项序列(设N=2k,k为正整数)，分为两个N/2项的子序列，每个N/2点DFT变换需要(N/2)2次运算，再用N次运算把两个N/2点的DFT变换组合成一个N点的DFT变换。这样变换以后，总的运算次数就变成N+2×(N/2)2=N+N2/2。

设x(n)是长度为N的有限长序列，则其傅里叶变换为：

其离散傅里叶变换为：

由于功率没有负值，所以功率谱曲线上的纵坐标也没有负数值，功率谱曲线所覆盖的面积在数值上等于信号的总功率(能量)，功率谱函数如下：

3 算例分析

3.1 波形信号波形图、功率谱对比

通过快速傅里叶变换得到波形信号的功率谱，可直观比较得出不同信号的特征因子(震动信号频带、频率成分、震动主频等)，通过比较波形信号功率谱图的主频范围，筛选出求救信号，如图1，图2所示。

比较各类信号波形图可得：岩体破裂信号的振幅约在130 mV,求救信号的振幅约在50 mV，特征差异相对较小，仅通过分析波形图的特征因子通常无法准确识别出有效求救信号，而功率谱中各类波形的主频范围和幅值都有明显差异，故进一步分析信号功率谱。

3.2 功率谱特征因子对比

分析两种信号功率谱图特征因子，可得：

岩体破裂信号的主频幅值约为4 200 g2/Hz，求救信号的主频幅值约为310 g2/Hz。求救信号与岩体破裂信号的主频幅值与范围都有较大差异，通过设定求救信号主频幅值范围，再比较筛选出的主频范围，可将求救信号识别，由此也可在其他干扰信号中区分求救信号。

4 软件编程

通过MATLAB的GUI编程将对求救信号的读取、绘制、识别、分析集成，编写出灾后受困人员生命安全信息软件，可在救援现场直观反映救援信号。

4.1 软件编写流程图

软件编写流程图见图3。

4.2 软件界面介绍

通过MATLAB编程，得到一个反映受困者生命安全信息的软件。图4为土木工程灾后受困人员生命信息辨识软件界面图。

1)事件回放：对于已记录波形可以回放并重新分析，主要用于一些不确定信号以及重要波形信息查阅。

2)时间：显示当前搜救时间以及波形记录时间。

3)载入波形文件：将已采集到的现场波形信号进行分析。

4)信号处理：分析处理当前波形。

5)分析结果：在界面右方(分析结果下方)出现分析出的结果。

6)帮助：操作索引及软件操作说明书。

5 结语

由于土木工程灾后救援现场环境的复杂多样性和人耳判别求救信号的局限性，故采用将现场采集到的干扰信号与求救信号载入MATLAB中，并求取其功率谱进行频谱特征分析的方法，对不同信号功率谱主频幅值与范围分析、比对，可筛选出有效求救信号。利用MATLAB的GUI软件界面交互设计，得到独立的应用程序，将受困人员具体的求救信号直观显示在软件界面上。