希尔伯特-黄变换在微震信号分析中的应用
[摘要]采用希尔伯特-黄变换（HHT）的基本原理，对微震监测信号进行了分析，得到了固有模态函数（IMF）及Hilbert边际谱，并总结了IMF的分解规律。通过对边际谱分析，指出忻州窑矿的坚硬顶板破断呈脆性断裂，破断前主震一般为20-55Hz，破断时能量急剧释放，主频低于10Hz，顶板破断频率一般在5Hz附近。总之， HHT方法具有高度的自适应性，能有效提取微震信号的幅频特性，对有效预报煤岩冲击失稳有一定的借鉴作用。
【关键词】HHT；微震监测；煤岩冲击失稳
1、引 言
利用微震监测方法预报煤岩冲击失稳等动力灾害已经成为近年来的研究热点之一。微震信号包含煤岩体内部应力状态变化的丰富信息，对接受到的微震信号进行分析、处理，可以对有效预报煤岩失稳提供可靠依据。
过往的信号分析理论，傅里叶变换，短时傅里叶变换、Winger-Ville分布和小波分布等信号分析方法，都属于全局分析的范畴,并且依赖基函数的选取,缺乏自适应性。在此背景下，1998
年，美国华裔科学家黄锷等人提出了一种真正基于瞬时频率的信号处理方法——经验模态分析方法（EMD），并在此基础上提出了希尔伯特-黄变换（HHT），从直观上解决了上述问题。
本文采用HHT方法，对忻州窑矿的实时微震监测信号进行分析，提取IMF分量、边际谱等，分析失稳前微震信号的幅频特性，总结微震前兆信息特点，为进一步结合现场生产情况，研究微震规律提供依据。
2、Hilbert-Huang变换
HHT变换主要由经验模态分解（EMD）和Hilbert变换两部分组成。
2.1 经验模态分解（EMD）
经验模态分解是为了提取固有模态函数，满足下面两个条件的才称为IMF：(1)对于一列数据极值点和过零点数目必须相等或至多相差一点，(2)在任意点,由局部极大点和极小点构成的两条包络线的平均值为零。每个IMF可以被认为是信号中固有的一个模态函数。通过EMD方法可以把任何一个信号x（t）分解为数个固有模态函数和一个残量之和，表达式为：
2.2 Hilbert变换
对每个IMF分量进行Hilbert变换,求得每个IMF分量的瞬时频率,根据所有IMF分量的瞬时频谱就可得到Hilbert谱，进一步可以得到Hilbert边际谱、能量谱，Hilbert能量谱给出了每个频率在整个时间长度内所累积的能量。
3、忻州窑矿微震监测及HHT分析
图1为不同能量级别的微震实测信号。通过在Matlab7.0上编程，对监测结果进行处理，根据HHT方法求取各微震信号的IMF分量，如图2所示，signal表示原始微震信号，IMF1、IMF2、IMF3表示3个经过EMD分解得到的固有模态分量，从图中可以看出IMF分量具有明显规律，即各分量按高频到低频分解得出，IMF1及IMF2占据了大部分能量，图中省略了IMF3之后的噪声干扰信号，最后一项为残余分量。
图3是经过HHT变换后得到的边际谱，此次微震事件能量为974J，边际谱清晰表明本次微震主震频带为20-55Hz左右，能量幅值峰值出现在5Hz附近，此次微震能量较小，为采动引起的工作面附近煤岩体局部破碎所致。
图4中显示的微震事件能量为24969J，从边际谱可以看出，主震频段降低至5Hz-10Hz，其中5Hz处能量幅值达到峰值，为坚硬顶板破裂所致，弹性能量急剧释放。
4、结 论
(1)采用HHT方法对微震监测信号进行了分析，其结果是可靠合理的。经验模态分解后的IMF分量，局部频率从高频到低频依次排列，并具有一定的物理意义。
(2)忻州窑矿的坚硬顶板破断呈脆性断裂，破断前能量不断积聚，主震频段一般为20-55Hz，破断时，时间极短，能量急剧释放，频率较低，主频低于10Hz，从边际谱可以看出，顶板破断频率一般在5Hz附近。此结论对煤岩冲击失稳灾害的预报具有一定指导作用。
参考文献
[1]姜耀东，赵毅鑫，刘文岗等．煤岩冲击失稳的机理和实验研究matlab求傅里叶变换[M]．科学出版社，2008．
[2]Norden E. Huang, Zheng Shen, Steven R. Long. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J].The Royal Society .A.1998.454:903~995.
[3]陆菜平, 窦林名等，煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验与实证研究[J].
[4]张义平, 李夕兵, 左宇军.爆破振动信号的HHT分析与应用[M].北京:冶金工业出版社,2008.

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。