[發明專利]無人值守單個三分量地震檢波器監測地面目標方向的方法

在審

• 申請號: 202210889355.5
• 申請日: 2022-07-20
• 公開（公告）號: CN115291163A
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 姜弢;王鑫;晁云峰;王開開;王京椰;李爽;鄭凡
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01S3/802
• 分類號: G01S3/802;G01V1/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種無人值守單個三分量地震檢波器監測地面目標方向的方法，針對復雜環境中噪聲強而難以利用地震波估計震源方位角的問題，本發明根據偏振特征參數的規律提取相對理想的瑞雷波，再利用瑞雷波的偏振特征估計出地面震源的方位角信息。首先，根據垂直分量信號的時頻圖進行頻域的預處理，然后求出每個頻帶下的倒數橢圓率，設定閾值找出最有可能存在瑞雷波的頻帶，帶通濾波后得到的三個分量數據估計出方位角。本發明方法實現了低信噪比條件下單個三分量檢波器估計地面震源方位角，適合噪聲較強的野外環境，經過實際數據分析，本研究方法相比傳統的協方差矩陣方位角估計法具有明顯優勢。

技術領域：

本發明涉及地震波方位角估計應用領域，特別是涉及一種無人值守單個三分量地震檢波器監測地面目標方向的方法。

背景技術：

針對關鍵區域，如邊境線、發電廠、石油傳輸線、公路交叉路等安全防護的實際問題，需要對地面爆炸、入侵人員等靜態地面震源進行全天候監測。由于這些目標都能引發地面震動，無人值守分布式被動地震傳感網絡可以有效檢測到目標。方位角表示目標相對傳感器的方向，是目標位置信息的重要參數，通過監視目標的方位角可以更快速的掌握目標行蹤，保護重點設施，減少不必要的損失。

目前，人們主要利用地震檢波器陣列通過求取信號到時差的方式估計地面目標方位角以此定位，例如對比文件1(CN201910823790.6)，這種方法一般適用于較遠距離的強振幅目標，因為較遠距離的強振幅目標信號會被多個地震傳感器收到。然而，基于到時差估計方位角的陣列方法有效的前提是陣列中所有檢波器都能提取出到時信息。當目標引起的震動信號較弱，只有目標靠近某幾個或某個傳感器時，傳感器網絡才能接收到信號，陣列中較遠處的檢波器由于低信噪比無法被提取出到時信息，這樣使得整個陣列都無法估計出方位角。

為了解決以上問題，可以通過分析地震波的偏振特征估計出地面震動目標的方向。在地震波震相中，瑞雷波的能量強，其質點運動方向能夠反映出震源的方位信息，對比文獻2(CN113093093A)根據瑞雷波呈橢圓運動的特征利用協方差法成功的估計了源的方位角。然而，協方差法求取方位角主要適合于環境噪聲小或目標信號能量特別強的情況，當環境噪聲較大時，地震噪聲以及瑞雷波頻散等干擾會嚴重影響方位角估計精度，使協方差法不再適用，因此，迫切需要一種能在強噪聲環境下利用單個三分量檢波器監測地面目標方向(方位角)的方法。

發明內容：

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提供一種無人值守單個三分量地震檢波器監測地面目標方向的方法。

本發明的發明思想是，實際環境中強噪聲環境下地震信號和噪聲在時域上混疊，考慮在頻率域進行有效信號檢測及分離，然而低頻干擾等在頻率域的能量可能高于信號，只利用頻域能量去檢測有效信號是不合理的，由于瑞雷波的質點運動軌跡在空間上呈現橢球面，偏振參數倒數橢圓率能夠表現出橢球形的特征，因此考慮利用倒數橢圓率檢測相對理想的瑞雷波，然后根據水平分量信號與垂直分量信號之間滿足橢圓方程，推導出三分量信號與方位角關系進而求出方位角。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種無人值守單個三分量地震檢波器監測地面目標方向的方法，包括以下步驟：

a.確定有用信號的初始頻率范圍，原始水平分量信號X、Y和垂直分量信號Z，作出Z的時頻圖，根據信號的能量分布以及低頻干擾的頻率范圍，判斷出瑞雷波所在的初始頻率范圍[F₁，F₂]Hz，且F₂要不大于垂直分量時頻圖中信號能量最大部分對應的頻率；