- 研究背景及意义
炸药在空中爆炸后，瞬时转变为高温高压产物。爆炸产物在空气中进行膨胀，强烈压缩空气从而形成爆炸空气冲击波。当冲击波垂直撞击炸药正下方的地面时会发生正反射，同时有一部分能量转换为地震波。冲击波继续向外传播时，其不断与地面发射碰撞，因此冲击波在地面发生斜反射时，也同样会产生地震波[[1]]。大当量的弹药爆炸后，除空气冲击波的毁伤作用外，产生的地震波对相应目标的影响也是不可忽略的。
对离爆源有一定距离，或不是正面受到爆炸冲击的建筑来说，爆炸产生的地震波可能是其遭受到破坏的主要原因[[2]]。随着国防科技发展水平的日益提高，军用电子技术渗透到军事的各个领域，对置于地下掩体或工事之内的高精度电子仪器设备，爆炸空气冲击波和弹体破片难以对其产生毁伤作用，而爆源产生的地震波可以通过地质体传至掩体或工事，对其中的电子仪器设备产生毁伤和干扰[[3]]。因此对于战斗部爆炸后产生的地震波的研究有重要意义。
2、地震波的测试方法研究现状
对于爆炸地震波振动强度，国内外广泛采用质点振动速度、加速度或位移作为衡量标准。以质点振动速度作为标准的优点在于它能够把地震波所产生的地应力与所带的能通量,以及结构中所产生的内力和动能之间的关系联系起来;以质点振动加速度为标准的优点是和爆炸地震产生的惯性力密切相关,有易于对建筑物应力和爆炸荷载的分析[[4]]。大量的测试资料和工程实践表明,在装药量、爆心距相同的情况下,地面质点振动速度的变化范围较小,并且振动速度和岩土性质的关系不是很大，地面质点振动速度和建筑物破坏的关联最密切[[5]]。而据研究，对于质点振动速度，在高差不大、近距离范围的情况下，一般是垂直速度分量对爆破地震起控制作用，并且在实地测试中发现水平振速仅为垂直振速的50 %左右[[6]]。所以，工程上应用最多的仍是地表质点振动速度测试[[7]]。本课题拟采用质点垂直振动速度作为测试量。
地震波测试系统的组建，首先是传感器的选择。比较传统的地震波传感器是基于电磁原理的动圈式速度型传感器，这种传感器不需要供电，但体积较大，灵敏度低，存在非线性[[8]]，易于受到外界干扰。国内外相继研制出许多便携式数字振动记录仪，如加拿大Instantel公司生产的MiniMate Plus振动检测仪、美国EGamp;G公司生产的StrataviewTM型高分辨率地震仪以及White公司生产的Mini-Seis I地震仪[[9]]。我国自主研发的测振仪的主要型号，有成都中科测控的IDTS 3850、TC-4850测振仪[[10]]、四川拓普数字设备有限公司研制的UBox-20016测振仪[[11]]、长江水利委员会长江科学院研制的YBJ测振仪[[12]]和北京矿治研究总院研制的DSVM测振仪等[[13]]。它们正向多通道、高分辨率、宽频响、大存储量和具有多功能分析软件等方向发展[[14]]。新型的传感器有利用MEMS技术开发的传感器，基于MEMS电容传感技术的加速度传感器具有体积小，精度高，灵敏度高，动态范围大等优点[[15]]。如美国I/O公司的Vector系列MEMS数字加速度计[[16]]，AD公司的ADXL系列MEMS加速度计[[17]][[18]]，法国sercel公司生产的DSU3数字检波器[[19]][[20]]，美国ION公司推出另一种SVSM型数字检波器[[21]]，这两种常用结构的数字检波器均以电容式MEMS传感器为核心。中国科学院微系统与信息技术研究所已研究出了可供野外试验的MEMS加速度传感器[[22]]。此外有利用光纤技术设计的传感器，天津大学研制了全光纤的加速度地震检波器，可同时检测3个轴向的加速度，具有并行、实时、高分辨率、高灵敏度检测及抗电磁干扰等优点[[23]]。复旦大学光纤研究中心采用一种透射式光纤位移传感器，以地震波产生的地表振动来调制透射光强度的原理，将理论计算仿真得到的位移，与传统的磁电式换能器进行测试对比，结果两者相一致，该系统具有结构简单、动态范围好、灵敏度可调、抗电磁干扰等特点[[24]]。在传感器的选择上，首先传感器所能测的频率范围要满足要求，大多数情况下爆破地震频率范围在30～300Hz，而目前市场可供选择的振动速度传感器频率范围一般在10～500Hz，基本能满足要求[26]。若速度传感器的频率范围不能满足要求,可选用加速度传感器，在利用数值积分可得速度波形,一般加速度传感器频率范围很大，可达10kHz，可以满足高频率振动测量的要求[[25]]。
其次，对于传感器的安装也有不同方法，需要注意两个方面，一是传感器的固定，二是传感器的方向。为了真实地反映振动强度的大小，必须将传感器牢牢地固定在测点表面，以保证测试过程中传感器不会和地面产生相对移动[[26]]。美国Dowding博士研究表明，在地表振动幅值不大，频率不高时，可直接将传感器置于地表，周围用石膏粘附。在地下巷道内墙壁上测试强烈爆破振动时，需用钢钎嵌入岩体，将传感器固定在钢钎上。现在有些传感器安装有磁座，比较方便、可靠，可在地表下埋入(胶结)一块小铁板，将传感器磁座直接吸引固定在铁板上。铁板较小，而且薄，对振动波形干扰不大，磁座式传感器值得推广[25]。传感器安装时，应尽量选择较宽敞平坦的地方布置测点，各测点应与炮区中心在一条直线上，并随炮区距离呈近密远疏布置。如果受到高程差、周围建筑的影响，可能会使监测数据误差较大[[27]]。测试现场的地质条件、传感器的大小、使用安装平板时的材料等都是必须考虑的问题，本课题中需根据选择的传感器，合理的设计安装方式。
选择好传感器及其安装方法之后，需要根据所选传感器的类型选择合适的信号调理器和数据采集系统。信号调理器是一种对电路信号进行处理的仪器，可以实现把传感器模拟信号变为可在计算机终端显示出来并能进行分析处理的数字信号。数据采集分析仪可以完成测点的数据采集，有的还自带分析处理软件，可以对具体测试参数进行设置[[28]]。一般地，传感器与信号调理器之间用低噪声同轴电缆连接，基本排除了线路干扰对信号真实性的影响，也有速度传感器本身内置信号调理模块。
3、地震波时频域特征分析
地震波的时域特征指标主要有振动幅值、振动持续时间，很多学者对其进行了研究。1982年朱瑞赓和李铮对各种爆破作业中大量的实测资料进行分析，总结出各种地质条件下岩土质点垂直振动速度的经验公式[[29]]。1986年李铮等人理论推导出爆炸地震波振速特征系数、爆破方式系数的理论计算公式，试验确定了衰减指数的计算公式，归纳出垂直振速的计算公式，并将理论计算与实测结果进行比较，结果基本相符[[30]]。2000年林大超等人引入了将爆炸地震的地面运动速度分解为一个确定性的幅值衰减函数和一个随机振动响应函数的乘积进行描述的基本方法，地面竖向振动速度的理论模拟结果与实验测试结果在随机统计性质上具有较好的一致性[[31]]。2004年郝忠虎等人对爆炸地震质点的强震时段进行了分析，发现爆炸地震的质点振动表现为不规则的强震时段和较为规则的阻尼自由振动时段。在强震时段，振动速度的第一个脉冲具有最大的强度，它随距离的增大而减小，但该脉冲的时间长度与距离无关，而与爆炸源作用过程的时间特征具有密切的关系，Fourier谱不能描述爆炸地震波初始强冲击作用特点[[32]]。2013年申旭鹏等人在分析爆破振动主要因素的基础上，建立了对爆破振动质点速度峰值进行预测的BP神经网络模型。将某露天铁矿的爆破振动监测数据分别与模型预测的结果比较，发现基于BP神经网络模型的预测结果平均相对误差小于用萨氏公式进行预测的平均相对误差，所以将BP神经网络模型应用到爆破振动评价工作中还是比较可靠的。但是该神经网络模型对地质条件的熟悉话描述还欠充分，在一定程度上影响了模型的预测性能[[33]]。另外，国外也有研究现代预测技术，如专家系统[[34]]、ANFIS(自适应模糊推理系统）[[35]]、模糊逻辑建模[[36]]，被用来提高质点振动速度峰值的预测。
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