兵器科学与技术

爆破振动波叠加数值预测方法

杨年华，张乐

摘要：目的：爆破振动波传播衰减受地形地质条件影响较大，由于岩土传播介质特性千变万化，难以建立理想的数学力学模型，准确计算爆破振动波传播衰减规律。目前主要通过在大量实测数据统计分析，以经验系数估算爆破振动质点速度峰值衰减规律。利用爆破振动波叠加原理，建立仿真计算模型，获得任意预测点的仿真爆破振动波形，可预测爆破振动的各项参数。原理：实测的单孔爆破振动波形实质包含了本地区地形地质条件和爆破条件的信息，理论上群组炮孔爆破是由多个单孔爆破在不同时空下的叠加组合。依据地震波的传播叠加原理，可以用单个炮孔的爆破振动波形作为基波，按照线性叠加原理来模拟计算群组药包爆破振动波形。这样既回避了建立复杂的地质模型，也摆脱了依靠经验系数的假设修正。只需利用实测的单孔爆破振动波，考虑各炮孔至预测点的相对距离，按照实际起爆时差以及实测的波速等参数，建立爆破振动波叠加仿真计算模型，即可计算获得预测点的爆破振动波形和各项参数。方法与结果：采用数码电子雷管在德兴铜矿和广元大中坝边坡爆破进行了工程试验，具体步骤为：（1）在待爆区范围内进行同药量的单孔爆炸试验，或安排某次群孔爆破的首末炮孔作为单孔爆炸的振源，该首末炮孔与其他炮孔的延时间隔应在200 ms以上。（2）在预测振动点的测线方向设多台测振仪采集单孔爆破振动波形，各测点需在预测点距离范围内。（3）收集现场爆破参数，包括炮孔坐标、孔深、装药量、爆破网路等。（4）利用所开发的软件对采集到的爆破振动波形和参数进行分析，选择与预测点相近距离的单孔爆破振动波为基波。（5）输入群炮孔爆破参数和对应的设计延期时间，通过软件计算得到爆破地震波的预测结果。（6）根据预测结果对爆破网路延期设计进行调整，使之满足允许的爆破振动指标后再进行爆破。（7）再次记录现场爆破振动，并与预测结果进行对比，进一步优化仿真计算参数，在爆破现场进行2～3个循环的实测对比和计算参数优化，振动预测值与实测值相比误差不超过10%。结论：基于实际单孔爆破振动波的叠加计算模型预测群组爆破的振动波形，与传统的统计加经验系数预报方法相比有以下优点：（1）爆破振动参数的预报结果不仅局限于振动峰值速度，而是预测全部地震波的波形，使得振动分析评价中包含了爆破振动的频率和持续时间，预测结果更全面。（2）该方法在工程实际应用中不必选用经验系数，避免了人为因素的影响；基波包含了现场地质条件和爆破条件的信息，对于高精度延时雷管的炮孔爆破振动预测结果更准确。理论模型简练，实用价值更大。（3）该方法需要现场实测振动点数量相比传统预测方式要少得多，预测效率和准确度有显著提高，便于在实际工程中推广。

来源出版物：爆炸与冲击, 2012, 32(1): 84-90

入选年份：2016

基于分数阶傅里叶变换的线性调频脉冲信号波达方向估计

王瑞，马艳

摘要：宽带线性调频（LFM）信号的波达方向（DOA）估计方法在声纳、鱼雷自导、通信和海底勘测等探测设备中有着广泛的应用。目前为止这些方法都是以观测时间等于信号时宽为前提的，此时信号的中心频率就是信号在t＝0时刻的频率，基于FRFT直接估计出的信号频率直接对应于信号的中心频率。但在实际情况中观测时间内是否包含目标回波信号、包含回波信号的长度等都是未知的。对于这种脉冲LFM不完全包含于观测时间（包含的脉冲信号时宽不等于观测时间）的情况，由于信号中心频率不再对应于t＝0时刻的中心频率，因此基于FRFT方法估计的中心频率将有一定的误差，从而给方位估计带来较大的偏差。针对雷达、声纳和鱼雷自导中观测时间与信号时宽不相等的LFM脉冲信号导致对宽带LFM信号DOA估计误差偏大的问题，提出了一种新的基于FRFT的中心频率估计方法，并据此对基于FRFT的MUSIC算法的波达方向（DOA）估计进行了改进。鉴于FRFT对LFM信号良好的能量聚焦性能，在分数阶傅里叶域构造相关矩阵和阵列流行向量，实现对多个宽带LFM的DOA估计。通过对分数阶傅里叶域的MUSIC算法的研究发现LFM分数阶傅里叶域的阵列流行向量与信号的中心频率有关，对于观测时间不等于信号时宽的脉冲信号，由于信号成分不完全包含于观测时间内，因此信号经过FRFT后估计得到的频率不再是脉冲信号的中心频率，而是对应于t＝0时刻的频率，这就给传统的基于FRFT的MUSIC算法带来估计上的误差。为此文中提出了一种针对脉冲LFM的FRFT的基于MUSIC算法，对估计的中心频率进行修正，重新构造分数阶域的方向向量。当信号的起点和观测时间的起点相同时，信号的中心频率正好是t＝0时刻点的信号频率，但是当LFM脉冲信号沿t轴平移后（信号不完全包含于观测时间内的情况），在观测时间内的时宽有所变化，所以此时信号的中心频率与经过FRFT后估计的信号频率不再相等。因此本文对分数阶傅里叶域的阵列流行向量进行了修正，得到了修正后的方向向量，从而FRFT的MUSIC算法的波达方向（DOA）估计进行了改进。数值仿真验证了该算法对方位估计的有效性，并仿真分析信噪比（SNR）和脉冲信号时间宽度对方位估计结果的影响。在延迟较小时，尽管未修正的传统FRFT估计DOA算法的估计结果的方差与修正后估计的方差相差无几，但是估计的均值和实际的入射角有较大差异。当延迟较大时，未修正的算法不仅估计的均值偏差较大，而且方差也随之增大许多，但是修正后的估计均值与理论值相差无几，方差增大了。这是由于随着观测时间中包含的信号脉宽的减少，FRFT域的信噪比下降。因此，可以表明修正后的算法较传统的基于FRFT的MUSIC算法提高了对脉冲信号中心频率估计准确性、提高了DOA估计的准确性，并且在脉冲信号宽度特别小时，也能够准确估计DOA，而且方差较小。该方法扩大了用FRFT处理宽带LFM信号的适用范围。在统计时间内，该方法对各频率单元波束输出结果进行了特征信息分析，提取到了不同频率单元波束输出结果所具有的不同特征信息，然后对各频率单元波束输出结果进行了信息融合，综合了宽带能量累积和FFT分析对目标检测所具有的优势，即在目标辐射信号不具有强线谱情况下，该方法具有宽带能量累积的检测优势，在目标辐射信号具有强线谱情况下，该方法具有FFT分析的检测优势，进而克服了宽带能量累积和FFT分析对另一情况下存在的检测性能不足，且避免了FFT分析需要对每一个频率单元的结果进行循环分析判断以及四维显示的麻烦。通过仿真和实验数据验证了，在目标辐射信号具有强线谱情况下，该方法的检测性能与频率已知时的检测性能一致，远高于宽带能量累积的检测性能。该方法利用阵列信号处理方法对目标辐射信号所含有的特征信息进行了分析与融合，突破了传统检测方法采用单一方式实现目标检测所存在的弊端，为远程目标检测提供了一个新的思路和途径。

来源出版物：兵工学报, 2014, 35(3): 421-427

入选年份：2016

水下声信号未知频率的目标检测方法研究

陈新华，鲍习中，李启虎，等

摘要：在传统宽带检测体制下，能量检测器常被作为最佳检测器用于高斯噪声背景下高斯信号的目标检测。理论和实验证明，水下目标辐射信号含有丰富的单频分量，通常线谱谱级比连续谱谱级要高出10～25 dB。在小信噪比下，基于宽带能量累积的常规被动声纳检测技术已远远不能满足远程探测的需要。在高斯噪声背景下，研究有别于宽带能量累积的目标检测方法，利用目标辐射信号中的线谱成份所包含的特征信息实现对远程目标的检测，将为远程目标检测提供一种新的途径。目前，针对具有线谱情况的水下目标检测，一般使用FFT分析，但通常情况下目标辐射信号中的线谱位置是未知的，即目标辐射信号的线谱频率大小未知，因此为了利用最大输入信噪比检测信号，需要对分析频带内的每个频率单元进行处理，每一个频率单元对应一个波束输出，需要对每一个频率单元的结果进行循环分析判断才能得到对目标的正确检测，存在四维显示的难点，在实际工程应用中是不可取的。针对频率未知情况下的水下目标检测，如何使检测结果输出简便，而且利用较高的输入信噪比和获得足够大的处理增益，提出了一种基于方位稳定性的目标检测方法。当线谱信噪比足够大使得该线谱能够稳定检测目标，且在统计时间内目标方位变化较慢时，该方法首先对接收的基元信号进行FFT分析和相位补偿，对每一个频率单元进行波束形成，得到各频率单元的波束输出结果；其次对各频率单元的波束输出结果求最大值，该值所在位置即为对应着该频率单元的DOA估计值；然后对上述信号处理过程重复N次，即连续处理N帧信号后再分别计算每个频率单元的DOA方差；最后对每一个方位的输出值进行统计计算，作为最后的波束输出，其统计过程为：首先将最后的波束输出置0，在某一个频率单元的某一帧DOA对应值上累加该频率单元对应的DOA方差的倒数。该方法依据噪声对应频率单元波束输出的最大值对应位置随机、方差较大，目标对应频率单元波束输出最大值对应位置基本一致、方差较小甚至为零的特点，在统计计算各频率单元的方位估计结果后，目标真实方位附近的波束输出值将远远大于其它方位波束输出值，从而实现对目标的检测。在统计时间内，该方法对各频率单元波束输出结果进行了特征信息分析，提取到了不同频率单元波束输出结果所具有的不同特征信息，然后对各频率单元波束输出结果进行了信息融合，综合了宽带能量累积和FFT分析对目标检测所具有的优势，即在目标辐射信号不具有强线谱情况下，该方法具有宽带能量累积的检测优势，在目标辐射信号具有强线谱情况下，该方法具有FFT分析的检测优势，进而克服了宽带能量累积和FFT分析对另一情况下存在的检测性能不足，且避免了FFT分析需要对每一个频率单元的结果进行循环分析判断以及四维显示的麻烦。通过仿真和实验数据验证了，在目标辐射信号具有强线谱情况下，该方法的检测性能与频率已知时的检测性能一致，远高于宽带能量累积的检测性能。该方法利用阵列信号处理方法对目标辐射信号所含有的特征信息进行了分析与融合，突破了传统检测方法采用单一方式实现目标检测所存在的弊端，为远程目标检测提供了一个新的思路和途径。

来源出版物：兵工学报, 2012, 33(4): 471-475

入选年份：2016