一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法技术

本发明专利技术一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法，属于地震预警技术领域。该方法首先选取与基岩层接触的高速铁路桥墩作为地震拾震器的布设点，使地震P波信号与光纤耦合到一起，实现地震P波信号的光学采集、传输与处理；然后将相位敏感分布式光纤振动传感器与拾震器耦合，实现对地震P波信号的实时预警处理；之后通过高速铁路桥墩顶部拾震器获得的系列地震P波信号，结合多个拾震器的空间相对位置与测得地震P波信号的时间序列，预测出地震横波的到达时间，实现高精度的地震预警。实现高精度的地震预警。实现高精度的地震预警。

【技术实现步骤摘要】
一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法


[0001]本专利技术涉及一种新型地震预警技术，把拾震器布设在高速铁路网桥墩基础上，利用桥墩可以传导基岩地震波的特点，把地震信号调制到沿铁路线铺设的分布式光纤振动传感器上，这样地震波的纵波(P波)可以通过光纤传导到信号处理端，依据纵波和光波的高速传输，达到提前预警地震横波(S波)到达时间的目的，从而实现对地震的预警。

技术介绍

[0002]地震预警是指在地震发生前，对地震前兆异常和地震活动的监视、测量。专业的地震台站有多种监测仪器，如拾震器、水位仪、地震仪、电磁波测量仪等，用来监测地震微观前兆信息。
[0003]地震发生时产生的地震波波前很复杂，但总可以将其分解成水平和垂直两个方向的分量。沿岩石向地表的传播称之为纵波(P波)，它使地面发生上下振动，破坏性较弱，其速度可达8千米/秒；沿水平方向传播的称之为横波(S波)，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强，其速度依土壤的密度而不同，一般在1.8千米/秒至4千米/秒之间。另外一般认为还有一个称为面波的，即L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，影响较小一般不讨论。地震的预警就是根据这两个速度的差，来确定破坏力极大的S波的到达时间。
[0004]我国是由24个基准地震台组成的国家级地震台网，其尺度跨越全国。用于监测全国的基本地震活动情况。散点式布局优点是投入到单点的资源多，单点精度较高。缺点是测试点少，费用高，精度有限。用于长期监测某一特定地区的地震活动情况，由若干个建立在固定地点的拾震器把P波信号汇总到地震台网。用于监测全球地震活动性，目前各国在该领域的建设已经实现大面积的覆盖，比如美国在60年代初建立的世界标准地震台网(WWSSN)。该台网由100余个分布在全球的地震台和设在美国本土的业务管理部门组成。我国也早已建成由24个基准地震台组成的国家级地震台网，其尺度跨越全国。用于监测全国的地震活动情况。尽管国家的地震台网已经大大增加，但是其广泛性依然有进一步改善的地方。
[0005]近年来中国高速铁路的飞速发展，已经建成了“八横八纵”的高速铁路网，围绕地震对高铁安全运行的危害问题研究的较多。另外利用高铁运行中轮轨关系形成的移动震源来判断地质变化的异常，是近年来形成了高铁地震学这个学科。这些研究都是把高铁与地震预警两个独立系统来讨论问题，本专利是把两个系统结合起来，“高铁系统本身就是一个良好的地震预警系统”出发，利用大量的有规律分布的高铁桥墩来形成地震预警的基岩点，这一思路尚未有相关报道。
[0006]我国高铁线路70％是建设在桥墩上，大多数桥墩基桩会向地下延伸至岩石层，极少数不能到达岩石层的也向地下延伸达60米有余，使其与土壤的摩擦力足够达到支撑载荷的要求。这些到达岩石层的桥墩恰恰可以形成像铺设拾震器基岩点一样对地震P波的良好传导。本项专利就是选择这些桥墩作为地震波拾震器的布设点，使其形成有规律的布点分布，然后用光纤传感技术实现对这些传感器信号的光速传导并高速采集，相较于目前的方法，将大幅度提升对地震波的预警效率，因为多点探测是提高地震波溯源精度的最有效手
段。
[0007]分布式光纤振动传感技术，是一种基于光纤传感的一种应用技术，以其光纤耐受极端环境、重量轻、无需供电、组网容易、可以实现分布式部署、大测量范围高空间分辨率、高灵敏度低成本等优点迅速取代了各种点状探测的电子式探测器。目前己经广泛用于周界安防、管道检测、建筑物结构监测、地震勘探等领域。
[0008]光纤振动传感往往采用背向散射探测原理，散射传感系统包括三种:后向瑞利散射光、布里渊散射光、拉曼散射光。在测量振动时，多采用后向瑞利散射光，其中解调光相位的中Φ
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OTDR系统相比于常规OTDR系统灵敏度等参数更具优势，成熟的振动传感方案多数采用这一方案。
[0009]信号提取方面目前已经有大量的利用光纤分布式传感器拾取地震信号的相关研究，这些系统都是把光纤垂直浇筑到拾震器附近，形成一个沿地质垂直纵深的声波拾取，这一设计可以在这一个点上比较早期的探测到地震P波，但对于地震发生的随机性，这种铺设光纤的方法一方面无法判断地震波方向，另一方面无法实现多点的铺设，工程上很难实现，因为很多拾震器的基岩点无法实现机械化作业。因此将拾震器沿高速铁路桥墩布设，铁路线就形成一个有规律分布的拾震器排列，把拾震器信号调制在光纤上，使本来就很快的P波信号以光速传输到信号解调器上，分析震源的发生位置，大幅度提升对地震信号的预警。我国省会城市以上都有高速铁路，这种网格状的高铁线将大城市连接起来的同时，也形成了规则高铁桥墩地震预警网，这对地震灾害的防控减震减灾有重要意义。
[0010]本专利提出一种基于高速铁路桥墩基础为布设点的光纤分布式地震预警系统，设计中利用桥墩基桩向地下延伸至岩石层的特点，将拾震器布设在桥墩的顶部，并将拾震器信号调制在光纤上实现光速的传导并高速解调，大幅度提升P波的探测时间，从而克服了目前只能因循山脉稀疏布设拾震器方法的低空间分辨率的局限，实现震源定位并获得及时的地震预警。
[0011]现有技术文献：
[0012][1]李雪红,孙磊,徐秀丽,林珊,杜杨开物.地震动多点激励对高铁桥梁地震响应的影响研究[J].自然灾害学报,2018,27(03):12
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20.DOI:10.13577/j.jnd.2018.0302.
[0013][2]陈志高,吴鹏,夏界宁,杨江,吴雄伟,杨建,陈玉秀,胡云亮.一种高铁地震监控预警与应急处置演示系统[P].湖北省：CN209746917U,2019
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[0014][3]王晓凯,陈文超,师振盛,陈建友.一种高铁震源地震信号的宽频背景噪声压制方法[P].陕西省：CN109959964B,2020
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[0015][4]杨长卫,张凯文,张志方,等.一种高铁地震预警方法及系统[P].四川省：CN112967477A,2021
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[0016][5]朱尔玉,刘中豪,王宏亮,潘卫兵.一种基于大数据理念的高铁地震预警系统[P].北京市：CN104680722A,2015
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[0017][6]吴宇,彭飞,曹绪力.一种基于Φ
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OTDR的双通道光纤分布式振动监测系统[P].四川省：CN208872411U,2019
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[0018][7]李良杰.分布式大气和地震监测预警系统[P].安徽省：CN108802804A,2018
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[0019][8]向杰.一种分布式地震感测警报技术[P].湖南省：CN108280971A,2018
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[0020]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法，其特征在于，步骤如下：步骤1，选取与基岩层接触的高速铁路桥墩作为地震拾震器的布设点，使地震P波信号与光纤耦合到一起，实现地震P波信号的光学传输与处理；步骤2，将相位敏感分布式光纤振动传感器系统与光纤拾震器耦合，实现对地震P波信号的实时预警处理；步骤3，通过高速铁路桥墩顶部的光纤拾震器获得的系列地震P波信号，结合多个光纤拾震器的空间相对位置与测得地震P波信号的时间序列，预测出地震横波的到达时间，实现高精度的地震预警。2.根据权利要求1所述的一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法，其特征在于，针对高速铁路普遍“以桥代路”，桥墩深入基岩可以很好...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，陈基松，孙长森，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：