无人值守单个三分量地震检波器监测地面目标方向的方法技术

本发明专利技术涉及一种无人值守单个三分量地震检波器监测地面目标方向的方法，针对复杂环境中噪声强而难以利用地震波估计震源方位角的问题，本发明专利技术根据偏振特征参数的规律提取相对理想的瑞雷波，再利用瑞雷波的偏振特征估计出地面震源的方位角信息。首先，根据垂直分量信号的时频图进行频域的预处理，然后求出每个频带下的倒数椭圆率，设定阈值找出最有可能存在瑞雷波的频带，带通滤波后得到的三个分量数据估计出方位角。本发明专利技术方法实现了低信噪比条件下单个三分量检波器估计地面震源方位角，适合噪声较强的野外环境，经过实际数据分析，本研究方法相比传统的协方差矩阵方位角估计法具有明显优势。有明显优势。有明显优势。

【技术实现步骤摘要】
无人值守单个三分量地震检波器监测地面目标方向的方法

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[0001]本专利技术涉及地震波方位角估计应用领域，特别是涉及一种无人值守单个三分量地震检波器监测地面目标方向的方法。

技术介绍
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[0002]针对关键区域，如边境线、发电厂、石油传输线、公路交叉路等安全防护的实际问题，需要对地面爆炸、入侵人员等静态地面震源进行全天候监测。由于这些目标都能引发地面震动，无人值守分布式被动地震传感网络可以有效检测到目标。方位角表示目标相对传感器的方向，是目标位置信息的重要参数，通过监视目标的方位角可以更快速的掌握目标行踪，保护重点设施，减少不必要的损失。
[0003]目前，人们主要利用地震检波器阵列通过求取信号到时差的方式估计地面目标方位角以此定位，例如对比文件1(CN201910823790.6)，这种方法一般适用于较远距离的强振幅目标，因为较远距离的强振幅目标信号会被多个地震传感器收到。然而，基于到时差估计方位角的阵列方法有效的前提是阵列中所有检波器都能提取出到时信息。当目标引起的震动信号较弱，只有目标靠近某几个或某个传感器时，传感器网络才能接收到信号，阵列中较远处的检波器由于低信噪比无法被提取出到时信息，这样使得整个阵列都无法估计出方位角。
[0004]为了解决以上问题，可以通过分析地震波的偏振特征估计出地面震动目标的方向。在地震波震相中，瑞雷波的能量强，其质点运动方向能够反映出震源的方位信息，对比文献2(CN113093093A)根据瑞雷波呈椭圆运动的特征利用协方差法成功的估计了源的方位角。然而，协方差法求取方位角主要适合于环境噪声小或目标信号能量特别强的情况，当环境噪声较大时，地震噪声以及瑞雷波频散等干扰会严重影响方位角估计精度，使协方差法不再适用，因此，迫切需要一种能在强噪声环境下利用单个三分量检波器监测地面目标方向(方位角)的方法。

技术实现思路
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[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种无人值守单个三分量地震检波器监测地面目标方向的方法。
[0006]本专利技术的专利技术思想是，实际环境中强噪声环境下地震信号和噪声在时域上混叠，考虑在频率域进行有效信号检测及分离，然而低频干扰等在频率域的能量可能高于信号，只利用频域能量去检测有效信号是不合理的，由于瑞雷波的质点运动轨迹在空间上呈现椭球面，偏振参数倒数椭圆率能够表现出椭球形的特征，因此考虑利用倒数椭圆率检测相对理想的瑞雷波，然后根据水平分量信号与垂直分量信号之间满足椭圆方程，推导出三分量信号与方位角关系进而求出方位角。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种无人值守单个三分量地震检波器监测地面目标方向的方法，包括以下步骤：
[0009]a.确定有用信号的初始频率范围，原始水平分量信号X、Y和垂直分量信号Z，作出Z的时频图，根据信号的能量分布以及低频干扰的频率范围，判断出瑞雷波所在的初始频率范围[F1，F2]Hz，且F2要不大于垂直分量时频图中信号能量最大部分对应的频率；
[0010]b.在[F1，F2]内，选择零相移滤波器对X、Y和Z进行多次带通滤波，频带宽度和移动的步长都是W Hz，即滤波频带范围Π(n)依次是[F1，F1+W]Hz，[F1+W，F1+2W]Hz，[F1+2W，F1+3W]Hz，
…
，n是滤波频带的序号，n＝1，2，...，N，N是滤波频带的总个数；
[0011]c.求出每个频带的倒数椭圆率ρ，以Π(n)中的第J个滤波频带为例，Π(J)滤波后的三个分量是X
J
、Y
J
和Z
J
，设矩阵ξ＝[Z
J
，X
J
，Y
J
]T
，求出3
×
3协方差矩阵(ξξ
T
)并对其进行特征值分解，特征值λ1＜λ2＜λ3，求取ρ(J)，
[0012][0013]然后求出所有频带下的倒数椭圆率ρ(n)，包含N个元素；
[0014]d.设ρ(n)的阈值为L，找出ρ(n)离散曲线中连续小于L的部分所对应的频率范围[F
a
，F
b
]，在[F
a
，F
b
]内找出ρ的极小值点，该极小值点对应Π(n)中的频带序号是K，我们认为Π(K)内存在相对理想的瑞雷波，提取后的水平分量X
K
、Y
K
和垂直分量Z
K
；
[0015]e.通过微积分将X
K
、Y
K
和Z
K
变换为S
x
、S
y
和V
z
，其中S
x
、S
y
和V
z
分别是沿x和y方向的加速度信号以及沿z方向的速度信号；
[0016]f.估计地面目标的方向(方位角)，计算公式为
[0017][0018]其中θ是角度制，“·”表示两个一维数组之间的点乘运算。
[0019]有益效果：
[0020]本专利技术利用单个三分量检波器就能估计出地面震源方位角，更适合有少点布设需求的应用场景，还可以应用在城市和野外噪声干扰较大的环境，适用性强，在强噪声环境下依然能够准确的估计出近距离地面震源方位角。本专利技术主要适用于对人员行走、小型爆炸等静态地面震源的方位角估计，对各种移动车辆等动态地面震源同样具有重要的参考价值。
附图说明：
[0021]图1利用协方差矩阵法和本专利技术方法估计30个锤击信号的方位角绝对误差图。
[0022]下面结合附图和实施例对本专利技术提出的一种无人值守单个三分量地震检波器监测地面目标方向的方法作进一步的详细说明。
[0023]本实施例在一个石砖空地进行，使用一个速度型三分量地震检波器布设在地面。地面震源选用一个小型橡胶锤，在一个点位连续锤击了30次。
[0024]一种无人值守单个三分量地震检波器监测地面目标方向的方法，包括以下步骤：
[0025]a.确定有用信号的初始频率范围，原始水平分量信号X、Y和垂直分量信号Z，作出Z的时频图，低频干扰主要在20Hz以下，信号的能量分布的频率范围[20，150]Hz，由于垂直分量时频图中信号能量最大部分对应的频率是120Hz，因此判断出瑞雷波所在的初始频率范围[20，120]Hz；
[0026]b.在[20，120]Hz内，选择零相移滤波器对X、Y和Z进行多次带通滤波，频带宽度和移动的步长都是5Hz，即滤波频带范围Π(n)依次是[20，25]Hz，[25，30]Hz，[30，35]Hz，[35，40]Hz，
…
，n是滤波频带的序号，n＝1，2，...，N，N是滤波频带的总个数；
[0027]c.求出每个频带的倒数椭圆率ρ，以Π(n)中的第J个滤波频带为例，Π(J)滤波后的三个分量是X
J
、
[0028]Y
J...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人值守单个三分量地震检波器监测地面目标方向的方法，包括以下步骤：a.确定有用信号的初始频率范围，原始水平分量信号X、Y和垂直分量信号Z，作出Z的时频图，根据信号的能量分布以及低频干扰的频率范围，判断出瑞雷波所在的初始频率范围[F1，F2]Hz，且F2要不大于垂直分量时频图中信号能量最大部分对应的频率；b.在[F1，F2]内，选择零相移滤波器对X、Y和Z进行多次带通滤波，频带宽度和移动的步长都是WHz，即滤波频带范围∏(n)依次是[F1，F1+W]Hz，[F1+W，F1+2W]Hz，[F1+2W，F1+3W]Hz，
…
，n是滤波频带的序号，n＝1，2，...，N，N是滤波频带的总个数；c.求出每个频带的倒数椭圆率ρ，以∏(n)中的第J个滤波频带为例，∏(J)滤波后的三个分量是X
J
、Y
J
和Z
J
，设矩阵ξ＝[Z
J
，X
J
，Y
J
]
T
，求出3
×
3协方差矩阵(ξξ
T
)并...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜弢，王鑫，晁云峰，王开开，王京椰，李爽，郑凡，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：