填埋场衬层修补技术中振动信号的STFT分析

　　0　引　　言

　　填埋场由多种介质层铺设构成,从顶层到底部主要介质层有:垃圾层、过滤层、导排层、防渗层。我国填埋场普遍采用高密度聚乙烯膜(HDPE)作为防渗层,卵石层作为过滤层[1-2]。

　　国内外研究调查发现,所有填埋场由于在铺设期间或者在封场运营期间由于操作不规范等原因导致HDPE膜存在漏洞,对漏洞的修补,常规的处理方法是通过挖方和排水措施,暴露出渗漏点后实施修补。但是,这种方法工程量大,且耗时长。通过钻探技术向创面注入高分子灌浆材料,是实现漏洞修补便捷快速的方法。用钻机从垃圾层开始打钻,当钻机钻到卵石层时,停止打钻,向创面注入灌浆材料来修补膜上漏洞。但该技术要解决的关键问题之一是要准确地判断填埋场介质层中的HDPE膜上的卵石层,防止钻头打穿HDPE膜,使漏洞扩大。

　　LabVIEW程序又称虚拟仪器,即VI,其外观和操作类似于真实的物理仪器(如示波器和万用表),是美国国家仪器公司推出的一门图形化编程语言[3],LabVIEW拥有一整套工具用于采集、分析、显示和存储数据,以及解决用户编写代码过程中可能出现的问题,据此为振动信号的处理提供有利条件[4-6]。本文充分利用LabVIEW的该优点提出根据振动信号在填埋场不同介质层的响应特性不同,利用短时傅里叶变换(STFT)对振动信号进行分析并对不同介质层进行判断,从而区别出填埋场的卵石层[7],进而为HDPE膜上的漏洞修补工作做好前期准备。

　　1　基于LabVIEW的STFT振动信号分析

　　1.1　STFT理论基础

　　信号瞬时频率的获取,该想法就是将信号按时间分段然后做傅里叶变换,把各个时间段的傅里叶变换结果按时间-频率组合即可得到信号的时频分布情况,这实际上是一种加窗的傅里叶变换,称为短时傅里叶变换(STFT)[8]。STFT直观地反映了频谱随时间的变化关系,既突出了信号的局部性,又不丢失信号的时域和频域的信息。传统的短时傅里叶变换可由式(1)表示:

　　信号x(t′)在时间t的短时傅里叶变换就是信号x(t′)乘上一个以t为中心的“分析窗”γ*(t′-t)所作的傅里叶变换。对某个信号x(t′)的短时傅里叶变换STFTγx(t,f)很大程度上受分析窗选择的影响[4]。以上讨论的是连续的STFT,对于任何STFT的实际应用而言,都必须进行离散化。式(1)的离散化形式为:　　

　　填埋场介质成分复杂,不同介质层中的钻机振动信号是非平稳,非线性信号,且噪声信号丰富,不同介质层的松散,疏密程度对钻头不确定性影响,尤其振动信号从一种介质层变化到另一种介质层时的瞬间,信号会有瞬间脉冲存在,使信号成分更加复杂。传统的傅里叶变换是对整个数据及整个采样时间分析的,不能体现某小段的信号频率特征STFT属于线性时频分析方法,能在时频面上描述不同介质层振动信号随时间平移时信号的频率、幅值变化情况,便于分析不同介质层的信号频率变化趋势[9],据此能够区分填埋场卵石层。