[发明专利]一种基于Hilbert变换的岩体破裂声发射信号伪维格纳分布二次时频分析方法

说明书

本发明公开了一种基于Hilbert变换的岩体破裂声发射信号伪维格纳分布（PWVD）二次时频分析方法。第一步：采集岩体破裂声发射原始实信号；第二步：利用Hilbert变换算法对实信号进行求解获取其对应的解析信号；第三步：根据求解得到的解析信号建立其维格纳（WVD）分布函数；第四步：对所建立的维格纳函数添加一个随时间移动的窗函数，并由维格纳分布的乘法性质变换得到信号的PWVD时频分析结果。本发明既可降低多分量复杂信号交叉项对时频分析结果的影响，同时，在时频分析上能够更为准确地反映信号时频分布且滤除了虚假频谱，提高了时频分析的可靠性。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于Hilbert变换的岩体破裂声发射信号伪维格纳分布（PWVD）二次时频分析方法。

背景技术

岩石声发射指岩石随着外载荷的加载会导致的内部局部非稳定状态发展至可见破裂，并在这一过程中向外释放弹性应变能。岩石破裂各阶段的声发射信号蕴含其破裂状态、演化情况、强度等丰富的信息，了解微破裂发生的时间、位置和强度，进而可以在时间、空间和强度上分析岩石破裂过程中各阶段的能量与岩石内部结构变化之间的关系。通过时频分析方法找出能量在破裂关键期的分布变化与岩石破裂演变的对应关系，有利于实时了解岩石内部裂隙的演化状态，并且还可以探索裂隙的形成及变化趋势，进而挖掘破裂发生的关键前兆特征。因此，时频分析法为复杂的岩石力学领域及其安全监测提供了一种较为有效的解决方法，从而对预测、预报突发性工程地质灾害地震、岩爆、冲击地压、滑坡等有十分重要的意义。

传统的WVD分布时频分析方法是基于在全局内通过傅里叶变换对信号的自相关函数进行时频分析，虽然能用来表示信号的瞬时特征，但当信号长度过大时就会出现实时处理不足，且信号越长其实时处理的性能越差，并且WVD分布在进行多分量信号的分析上时，会产生严重的交叉项干扰问题，因此，WVD分布所做的时频分析不具可靠性。为了准确对岩体破裂进行预测，则非常有必要对声发射信号的时频分析方法进行改进，从而抑制传统时频分析方法中产生交叉项及虚假信息频谱的影响，进而提高对岩体破裂的预测准确性，为高效防止各种地质灾害提供有力支撑。

与本技术有关的专利主要有：火攻冲击响应数据时频分析方法（CN201910749176.X），公开了一种火攻冲击响应数据时频分析方法，该方法包括以下步骤：获取火工冲击响应离散加速度信号；利用变分模态分解方法将火工冲击响应离散加速度信号分解为一系列从高频到低频分布排列的单模态冲击响应信号分量；同时，定义火工冲击响应信号功率谱熵值作为分解评价指标，利用粒子群优化方法对分解过程主要参数进行自动选取；计算各单模态火工冲击响应信号分量的Rihaczek分布函数并对结果进行线性叠加，表征到二维时频平面，进而得到火工冲击响应数据时频分布。本发明时频分析方法能够精细刻画火工冲击激励的时频分布规律，可用于开发针对高频瞬态冲击响应信号的数据分析系统，但其在处理中低频信号时，容易出现交叉项影响，影响时频分析的精度，因此，其难以有更加广泛适用性。

一种改进雷达信号时频分析方法（CN201910460524 .1）, 公开了一种改进雷达信号时频分析方法，包括以下步骤：S1：对信号进行基于改进经 验模式分解算法的信号分解操作，得到一系列相互正交的固有模态函数分量和一个剩余分量Res(t)，其中t为信号时长；S2：对得到的固有模态函数分量进行筛选，剔除无效的固有模态函数分 量，得到有效的固有模态函数分量；S3：对得到的各固有模态函数分量进行Hilbert变换，使各个 基本模态分量转变为解析信号；S4：对有效的固有模态函数分量分别进行基于重排平滑伪维格纳-维尔分布算法的时频分析，得到重排平滑伪 维格纳-维尔分布算法的时频分析处理后的分析结果；解决了以往方法中对单分量非线性信号的参数估计精度低，多分量非线性信号的参数分离 和估计精度低的问题，但其只进行了单次时频分析，容易出现虚假频谱，对时频分析结果正确性产生一定的影响。

基于以上分析，在传统的时频分析方法中，探寻一种既能滤除虚假频谱，又能有效抑制交叉项的时频分析精度影响，是本领域技术人员需要亟待解决的问题。

发明内容

（1）要解决的技术问题