一種基于短時(shí)能量檢測(cè)和頻譜特征分析的地震波預(yù)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種地震波預(yù)警技術(shù)，尤其涉及一種可以降低虛警概率的地震波預(yù)警 技術(shù)，更具體地涉及一種基于短時(shí)能量檢測(cè)和頻譜特征分析來(lái)避免干擾波影響的地震波預(yù) 警方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，高速鐵路作為一種方便、無(wú)污染的新能源交通 工具得到快速發(fā)展，特別是對(duì)人口愈發(fā)膨脹，人口密度逐步增加的城市發(fā)展而言具有更加 重要的作用。自從我國(guó)第一條時(shí)速超過(guò)160km/h的廣深準(zhǔn)高速鐵路正式通車以來(lái)，鐵路經(jīng)過(guò) 六次提速，目前運(yùn)營(yíng)時(shí)速已高達(dá)300km/h，運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)突破一萬(wàn)公里，位于世界高鐵里程 的首位。高速鐵路的發(fā)展不僅方便了人們的日常出行，也對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了巨 大的貢獻(xiàn)，而高速鐵路的交通安全問(wèn)題必然是我們關(guān)注的重中之重。
[0003] 我國(guó)地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣，是一個(gè)災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家，大部分地 區(qū)都面臨著地震災(zāi)害的嚴(yán)重威脅。而高速鐵路沿線長(zhǎng)度長(zhǎng)、線路多，通常會(huì)穿越不同的地震 帶，沿途高強(qiáng)度的地震活動(dòng)將會(huì)對(duì)高速鐵路運(yùn)行安全造成嚴(yán)重威脅。因此地震預(yù)警機(jī)制將 是高速鐵路交通安全問(wèn)題的研究重點(diǎn)。
[0004] 當(dāng)列車在低速運(yùn)行時(shí)受地震影響的危害性不大，但是當(dāng)速度超過(guò)200km/h后，由于 輪軌之間的橫向作用力和列車運(yùn)行速度的平方成正比關(guān)系，即使地震級(jí)數(shù)不大，都會(huì)使震 中附近鐵路路基、軌道等受巨大沖擊而造成列車出軌、翻車等嚴(yán)重交通安全事故。因此，需 要在地震到來(lái)前的十幾秒或者幾十秒對(duì)高速列車進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，迫使列車降低運(yùn)行速度或 者緊急停車，這將會(huì)極大降低甚至避免地震對(duì)高速鐵路運(yùn)行安全造成的嚴(yán)重危害。
[0005] 考慮到高速鐵路的可靠性要求，不能有任何誤觸發(fā)的情況發(fā)生，因此我們需要避 免外界干擾波對(duì)地震波的影響。在鐵路附近，經(jīng)常會(huì)存在各種工況，常見(jiàn)的有施工時(shí)砸實(shí)地 基產(chǎn)生的打夯波、礦區(qū)鐵路線路清篩大修產(chǎn)生的清篩波、用于鐵路新線建設(shè)的搗固機(jī)產(chǎn)生 的搗固波以及修養(yǎng)鐵路的穩(wěn)定車產(chǎn)生的穩(wěn)定波等。當(dāng)列車上的檢測(cè)裝置接收到可疑信號(hào) 后，需要快速判斷是否是地震波，避免干擾波對(duì)地震波預(yù)警系統(tǒng)的誤觸發(fā)作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種基于短時(shí)能量檢測(cè)和頻譜特征分析的地 震波預(yù)警方法，能夠快速有效判斷接收到的信號(hào)波形是否為地震波，增加地震波信號(hào)預(yù)警 的有效性，避免其他干擾波的影響。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種基于短時(shí)能量檢測(cè)和頻譜特征分析的地震波預(yù)警方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行低速采樣，得到采樣信號(hào);對(duì)采樣信號(hào)按照設(shè)定的時(shí) 間間隔進(jìn)行分段，且相鄰兩時(shí)間段之間有相同比例的重疊；
[0010]步驟2,對(duì)步驟1分段后的采樣信號(hào)逐段進(jìn)行能量檢測(cè)，若檢測(cè)到的分段信號(hào)能量 大于等于預(yù)設(shè)門限值，則對(duì)該分段信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到該分段信號(hào)的頻譜;否則 繼續(xù)進(jìn)行能量檢測(cè)；
[0011] 步驟3,已知地震波頻譜的有效頻帶范圍，觀察步驟2得到的該分段信號(hào)的頻譜是 否在地震波頻譜的有效頻帶范圍內(nèi)，若不在，則繼續(xù)對(duì)下一分段信號(hào)進(jìn)行能量檢測(cè);若在， 則轉(zhuǎn)到步驟4;
[0012] 步驟4,選取步驟2得到的該分段信號(hào)的頻譜中頻帶在0~200Hz的頻譜，計(jì)算頻帶 在0~200Hz的頻譜幅值方差，若頻譜幅值方差大于等于預(yù)設(shè)判決門限，則判斷該分段信號(hào) 為地震波信號(hào)，并啟動(dòng)地震波預(yù)警系統(tǒng);否則繼續(xù)對(duì)下一分段信號(hào)進(jìn)行能量檢測(cè)。
[0013] 優(yōu)選的，步驟1所述對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行低速采樣所采用的設(shè)備是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0014] 優(yōu)選的，步驟3所述地震波頻譜的有效頻帶范圍為0~100Hz。
[0015]優(yōu)選的，步驟4所述計(jì)算頻帶在0~200Hz的頻譜幅值方差的方法為：對(duì)頻帶在0~ 200Hz的頻譜幅值進(jìn)行線性歸一化，對(duì)歸一化后的頻譜幅值進(jìn)行五點(diǎn)滑動(dòng)平均獲得每一點(diǎn) 處的均值，通過(guò)每一點(diǎn)處的幅值和均值計(jì)算頻譜幅值方差。
[0016]優(yōu)選的，所述對(duì)頻帶在0~200Hz的頻譜幅值進(jìn)行線性歸一化的計(jì)算公式為：Y = (y-ymin)/(ymax-ymin)，其中，y為任意一點(diǎn)的頻譜幅值，ymin是頻譜幅值的最小值，y max是頻譜 幅值的最大值，Y為該點(diǎn)的歸一化頻譜幅值。
[0017] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0018] 本發(fā)明地震波預(yù)警方法，通過(guò)實(shí)測(cè)地震波的數(shù)據(jù)，以及鐵路沿線的打夯、清篩、搗 固和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，可以繪制成時(shí)域波形。為了能快速判斷以及提高數(shù)據(jù)的有效性，對(duì)時(shí)域采 樣序列進(jìn)行短時(shí)能量檢測(cè)和頻譜檢測(cè)，得出地震波及各種干擾波頻譜的區(qū)別。從而當(dāng)列車 檢波器接收到信號(hào)波形時(shí)，就可以快速判斷是否為地震波，避免干擾波對(duì)地震波預(yù)警裝置 的誤觸發(fā)作用。本方法不僅適用于高速鐵路，也適用于其他方面的地震波預(yù)警系統(tǒng)。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明地震波預(yù)警方法的流程圖。
[0020] 圖2-圖3分別是地震波的短時(shí)時(shí)域波形和頻譜圖。
[0021] 圖4-圖5分別是搗固波的短時(shí)時(shí)域波形和頻譜圖。
[0022]圖6-圖7分別是穩(wěn)定波的短時(shí)時(shí)域波形和頻譜圖。
[0023]圖8-圖9分別是清篩波的短時(shí)時(shí)域波形和頻譜圖。
[0024]圖10-圖11分別是打夯波的短時(shí)時(shí)域波形和頻譜圖。
[0025] 圖12是地震波的歸一化頻譜和滑動(dòng)平均均值譜，其中實(shí)線為歸一化頻譜，帶點(diǎn)虛 線為滑動(dòng)平均均值譜。
[0026] 圖13是打夯波的歸一化頻譜和滑動(dòng)平均均值譜，其中實(shí)線為歸一化頻譜，帶點(diǎn)虛 線為滑動(dòng)平均均值譜。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0028] 如圖1所示，一種基于短時(shí)能量檢測(cè)和頻譜特征分析的地震波預(yù)警方法的流程如 下：（1)在信號(hào)接收端，完成待檢測(cè)信號(hào)的低速采樣；（2)對(duì)低速采樣觀測(cè)序列進(jìn)行短時(shí)分段 處理，即在時(shí)間上按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行分段，各時(shí)間段之間有一定比例的交疊；（3)在 時(shí)域上對(duì)短時(shí)分段后的信號(hào)逐段進(jìn)行能量檢測(cè)，若檢測(cè)到的分段信號(hào)能量低于門限值，則 繼續(xù)檢測(cè)下一分段信號(hào)能量;若檢測(cè)到的分段信號(hào)能量超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門限值，則對(duì)這段 時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，轉(zhuǎn)入(4); (4)觀察該時(shí)間段信號(hào)的頻譜是否集中在地震波 頻譜的有效頻帶范圍內(nèi)，若不在地震波的頻譜范圍內(nèi)，則說(shuō)明為其他干擾波信號(hào)，返回（3); 若頻譜集中在地震波頻譜的有效頻帶范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)入(5); (5)選取頻帶在0~200Hz的頻譜，對(duì) 其進(jìn)行線性歸一化，再對(duì)歸一化后的頻譜幅值進(jìn)行五點(diǎn)滑動(dòng)平均得到每一點(diǎn)處的均值，從 而可以得到幅值方差，若方差值低于門限值，返回（3);若方差值高于門限值，啟動(dòng)地震波預(yù) 警系統(tǒng)。
[0029] (1)在采樣周期內(nèi)，將接收端采集到的離散時(shí)間序列觀測(cè)值記為y=[y(0)，y (1)，···，y(n_l)]T其中，y(k)是在k(0 < k < n-1)時(shí)刻采樣的信號(hào)值。因此，信號(hào)模型可表示 如下：
[0030] y(k) =s(k)+n(k) (1)
[0031] 其中，s(k)是實(shí)際信號(hào)，n(k)是均值為零、方差為σ2的高斯白噪聲。
[0032] (2)通過(guò)觀測(cè)采樣器接收到的一系列離散時(shí)間序列，設(shè)定短時(shí)時(shí)間to和交疊時(shí)間 t。將這段序列在時(shí)間上進(jìn)行等間隔分段，并且后一個(gè)時(shí)間段與前一個(gè)時(shí)間段之間有七時(shí)間 的交疊以保證分段序列波的完整性。為了滿足地震波預(yù)警實(shí)時(shí)性的要求，to應(yīng)該盡可能短。 [0033] (3)在時(shí)域上對(duì)短時(shí)分段后的信號(hào)逐段進(jìn)行能量檢測(cè)，用信號(hào)絕對(duì)值的平均值大 小來(lái)表征這段時(shí)間的能量大小，設(shè)定門限值A(chǔ)，若檢測(cè)到的分段信號(hào)能量低于門限值，則繼 續(xù)檢測(cè)下一分段信號(hào)能量，直到達(dá)到門限值要求。
[0034]當(dāng)檢測(cè)到的分段信號(hào)能量超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門限值時(shí)，則對(duì)這段時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速 傅里葉變換，得到這段信號(hào)的頻譜。
[0035] (4)由實(shí)測(cè)地震波的數(shù)據(jù)可知地震波為低頻信號(hào)，有