CN105467428A - 一种基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法，该方法将接收到的信号采样后进行短时分段处理并逐段进行能量检测，当分段能量超过第一门限值时，对这段时域信号进行快速傅里叶变换得到频谱；观察频谱是否集中在地震波频谱的有效频带范围内，若不在频带范围内，则为干扰波信号，继续进行短时能量检测；若在频带范围内，则对频谱幅值进行线性归一化，采用五点滑动平均的方法得到每一点处的均值，从而求得幅值方差；将求得的幅值方差与第二门限值进行比较，若小于则继续进行短时能量检测；若超过则启动地震波预警系统。通过本方法对实测地震波和多种干扰波进行处理，可以快速区分干扰波，从而避免干扰波对地震波的误触发作用。

Description

一种基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法

技术领域

本发明涉及一种地震波预警技术，尤其涉及一种可以降低虚警概率的地震波预警技术，更具体地涉及一种基于短时能量检测和频谱特征分析来避免干扰波影响的地震波预警方法。

背景技术

随着我国现代化进程的不断加快，高速铁路作为一种方便、无污染的新能源交通工具得到快速发展，特别是对人口愈发膨胀，人口密度逐步增加的城市发展而言具有更加重要的作用。自从我国第一条时速超过160km/h的广深准高速铁路正式通车以来，铁路经过六次提速，目前运营时速已高达300km/h，运营里程已经突破一万公里，位于世界高铁里程的首位。高速铁路的发展不仅方便了人们的日常出行，也对我国国民经济的发展作出了巨大的贡献，而高速铁路的交通安全问题必然是我们关注的重中之重。

我国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，是一个灾害严重的国家，大部分地区都面临着地震灾害的严重威胁。而高速铁路沿线长度长、线路多，通常会穿越不同的地震带，沿途高强度的地震活动将会对高速铁路运行安全造成严重威胁。因此地震预警机制将是高速铁路交通安全问题的研究重点。

当列车在低速运行时受地震影响的危害性不大，但是当速度超过200km/h后，由于轮轨之间的横向作用力和列车运行速度的平方成正比关系，即使地震级数不大，都会使震中附近铁路路基、轨道等受巨大冲击而造成列车出轨、翻车等严重交通安全事故。因此，需要在地震到来前的十几秒或者几十秒对高速列车进行及时预警，迫使列车降低运行速度或者紧急停车，这将会极大降低甚至避免地震对高速铁路运行安全造成的严重危害。

考虑到高速铁路的可靠性要求，不能有任何误触发的情况发生，因此我们需要避免外界干扰波对地震波的影响。在铁路附近，经常会存在各种工况，常见的有施工时砸实地基产生的打夯波、矿区铁路线路清筛大修产生的清筛波、用于铁路新线建设的捣固机产生的捣固波以及修养铁路的稳定车产生的稳定波等。当列车上的检测装置接收到可疑信号后，需要快速判断是否是地震波，避免干扰波对地震波预警系统的误触发作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法，能够快速有效判断接收到的信号波形是否为地震波，增加地震波信号预警的有效性，避免其他干扰波的影响。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法，包括如下步骤：

步骤1，对接收到的信号进行低速采样，得到采样信号；对采样信号按照设定的时间间隔进行分段，且相邻两时间段之间有相同比例的重叠；

步骤2，对步骤1分段后的采样信号逐段进行能量检测，若检测到的分段信号能量大于等于预设门限值，则对该分段信号进行快速傅里叶变换，得到该分段信号的频谱；否则继续进行能量检测；

步骤3，已知地震波频谱的有效频带范围，观察步骤2得到的该分段信号的频谱是否在地震波频谱的有效频带范围内，若不在，则继续对下一分段信号进行能量检测；若在，则转到步骤4；

步骤4，选取步骤2得到的该分段信号的频谱中频带在0～200Hz的频谱，计算频带在0～200Hz的频谱幅值方差，若频谱幅值方差大于等于预设判决门限，则判断该分段信号为地震波信号，并启动地震波预警系统；否则继续对下一分段信号进行能量检测。

优选的，步骤1所述对接收到的信号进行低速采样所采用的设备是模数转换器。

优选的，步骤3所述地震波频谱的有效频带范围为0～100Hz。

优选的，步骤4所述计算频带在0～200Hz的频谱幅值方差的方法为：对频带在0～200Hz的频谱幅值进行线性归一化，对归一化后的频谱幅值进行五点滑动平均获得每一点处的均值，通过每一点处的幅值和均值计算频谱幅值方差。

优选的，所述对频带在0～200Hz的频谱幅值进行线性归一化的计算公式为：Y＝(y-y_min)/(y_max-y_min)，其中，y为任意一点的频谱幅值，y_min是频谱幅值的最小值，y_max是频谱幅值的最大值，Y为该点的归一化频谱幅值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明地震波预警方法，通过实测地震波的数据，以及铁路沿线的打夯、清筛、捣固和稳定的数据，可以绘制成时域波形。为了能快速判断以及提高数据的有效性，对时域采样序列进行短时能量检测和频谱检测，得出地震波及各种干扰波频谱的区别。从而当列车检波器接收到信号波形时，就可以快速判断是否为地震波，避免干扰波对地震波预警装置的误触发作用。本方法不仅适用于高速铁路，也适用于其他方面的地震波预警系统。

附图说明

图1是本发明地震波预警方法的流程图。

图2-图3分别是地震波的短时时域波形和频谱图。

图4-图5分别是捣固波的短时时域波形和频谱图。

图6-图7分别是稳定波的短时时域波形和频谱图。

图8-图9分别是清筛波的短时时域波形和频谱图。

图10-图11分别是打夯波的短时时域波形和频谱图。

图12是地震波的归一化频谱和滑动平均均值谱，其中实线为归一化频谱，带点虚线为滑动平均均值谱。

图13是打夯波的归一化频谱和滑动平均均值谱，其中实线为归一化频谱，带点虚线为滑动平均均值谱。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，一种基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法的流程如下：(1)在信号接收端，完成待检测信号的低速采样；(2)对低速采样观测序列进行短时分段处理，即在时间上按照一定的时间间隔进行分段，各时间段之间有一定比例的交叠；(3)在时域上对短时分段后的信号逐段进行能量检测，若检测到的分段信号能量低于门限值，则继续检测下一分段信号能量；若检测到的分段信号能量超过预先设定的门限值，则对这段时域信号进行快速傅里叶变换，转入(4)；(4)观察该时间段信号的频谱是否集中在地震波频谱的有效频带范围内，若不在地震波的频谱范围内，则说明为其他干扰波信号，返回(3)；若频谱集中在地震波频谱的有效频带范围内，转入(5)；(5)选取频带在0～200Hz的频谱，对其进行线性归一化，再对归一化后的频谱幅值进行五点滑动平均得到每一点处的均值，从而可以得到幅值方差，若方差值低于门限值，返回(3)；若方差值高于门限值，启动地震波预警系统。

(1)在采样周期内，将接收端采集到的离散时间序列观测值记为y＝[y(0),y(1),…,y(n-1)]^T其中，y(k)是在k(0≤k≤n-1)时刻采样的信号值。因此，信号模型可表示如下：

y(k)＝s(k)+n(k)(1)

其中，s(k)是实际信号，n(k)是均值为零、方差为σ²的高斯白噪声。

(2)通过观测采样器接收到的一系列离散时间序列，设定短时时间t₀和交叠时间t₁。将这段序列在时间上进行等间隔分段，并且后一个时间段与前一个时间段之间有t₁时间的交叠以保证分段序列波的完整性。为了满足地震波预警实时性的要求，t₀应该尽可能短。

(3)在时域上对短时分段后的信号逐段进行能量检测，用信号绝对值的平均值大小来表征这段时间的能量大小，设定门限值A，若检测到的分段信号能量低于门限值，则继续检测下一分段信号能量，直到达到门限值要求。

当检测到的分段信号能量超过预先设定的门限值时，则对这段时域信号进行快速傅里叶变换，得到这段信号的频谱。

(4)由实测地震波的数据可知地震波为低频信号，有效频带范围为0～100Hz。观察该段信号频谱的频带和能量集中范围，若不在地震波有效频带范围内，则观测的这段信号为干扰波信号，返回(3)继续对下面的分段信号进行能量检测；若频谱集中在地震波的有效频带范围内，则转入下面的(5)继续对这段频谱进行处理。

(5)由于地震波能量主要集中在低频部分，因此对观测信号频带在0～200Hz的频谱进行归一化处理：

Y＝(y-y_min)/(y_max-y_min)(2)

其中，y为某点处的频谱幅值，y_min是频谱幅值的最小值，y_max是频谱幅值的最大值，则Y就是该点的归一化频谱幅值。

对归一化频谱幅值进行五点滑动平均：

$Y_{mean}\left(i\right)=\frac{Y(i-2)+Y(i-1)+Y\left(i\right)+Y(i+1)+Y(i+2)}{5}---\left(3\right)$

其中，Y(i)为每一点处的归一化频谱幅值，Y_mean(i)(i＝0,1,...,n)为每一点处的滑动平均值，选取该点以及前两点和后两点的平均值作为该点处的滑动平均值，从而得到幅值均值谱。

以滑动平均值代替原均值，求得观测信号频谱幅值的方差：

$Y_{\mathrm{var}}=\frac{{\left(Y\right(0)-Y_{mean}(0\left)\right)}^2+{\left(Y\right(1)-Y_{mean}(1\left)\right)}^2+...+{\left(Y\right(n)-Y_{mean}(n\left)\right)}^2}{n}---\left(4\right)$

其中，n为总的点数，Y_var为方差。

通过对实测地震波数据的处理，已知地震波频谱幅值方差数量级大小，设定方差门限值B。若观测信号的频谱幅值方差小于门限值，则返回(3)继续对下面的分段信号进行能量检测；若观测信号的频谱幅值方差大于门限值，则启动地震波预警系统。

本发明的核心思想在于：为了避免干扰波对地震波检测的影响，采用短时能量检测和频谱特征分析的方法对干扰波进行排除，避免对地震波预警系统的误触发作用。为了对本发明方法进行详细说明，如图2-图3、图4-图5、图6-图7、图8-图9、图10-图11所示，引入地震波和铁路沿线的几种主要干扰波，分别为捣固波、稳定波、清筛波和打夯波。通过对地震波和干扰波进行短时能量检测和频谱特征分析可以将地震波和干扰波快速区分，避免因干扰波的误触发对高速铁路正常运行造成影响，其中，gal用于描述地震加速度，|Y(f)|表示幅值。

地震波预警需要满足实时性的要求，在地震发生2～3秒后要及时作出预警，因此对实测地震波和干扰波信号进行分段处理，即在时间上按照一定的时间间隔进行分段。设定采样频率为200Hz，短时时间t₀＝2s，则每段观测序列有400个采样点。为了避免分段处理破坏波形的完整性，设定交叠时间t₁，即后一个时间段重复检测t₁时间的信号，交叠时间t₁＝0.7s(t₁＝0.35t₀)。用信号绝对值的平均值大小来表征能量大小，通过对多组地震波实测数据的分析可知，地震波能量大小不固定，为了降低漏检概率，设定门限值A＝3gal。对地震波和干扰波短时分段后的信号逐段进行能量检测，若检测到的分段信号能量低于门限值，则继续检测下一分段信号能量；若检测到的分段信号能量超过门限值，则对这段时域信号进行快速傅里叶变换，得到这段信号的频谱。

通过观察信号的频谱，可以对部分干扰波和地震波进行区分。当干扰波信号的频谱不在地震波主要频带内时，可以快速对其进行排除，下面对地震波和捣固波、稳定波、清筛波和打夯波进行频谱分析。地震波为低频信号，主要频段是0～100Hz，能量集中范围为0～60Hz，而捣固波的主要频带范围为100～500Hz，且只在该频段内的几个频点上出现高强度信号；稳定波是一个标准的正弦波，频谱为单个冲激响应，且出现在100Hz～200Hz之间，呈现单音信号特点；清筛波由正弦波组成，频谱由数个冲激组成，在0～500Hz上每隔50Hz出现一个强度不同的冲激，呈现多音信号特点；而打夯波主要频段也是0～100Hz，因此通过观察频谱无法将其与地震波区分。

当被判断为干扰波时，需要继续对其下一个分段信号进行能量检测，当超过门限值后进行频谱检测，以降低漏检概率。对于频谱集中在地震波有效频带范围内的干扰波，则需要对其频谱幅值进行方差计算，并与预先定义的门限值比较。设定方差门限值B＝1e-3，当小于门限值时，同样再进行短时能量检测；当大于门限值时，则启动地震波预警系统。

由于无法通过观察频谱将打夯波和地震波区分，因此通过求取两者频谱幅值方差的办法来判断，如图12、图13所示。因为地震波和打夯波的能量集中在低频部分，所以选取前一半频带的幅值求方差，前一半频带共有200个幅值点。先对频谱幅值进行线性归一化，由于频谱起伏比较大并且采样点数比较多，用传统的方法求方差会带来比较大的误差，因此采用五点滑动平均的方法求得每一点处的均值，进而求得方差：

$Y_{\mathrm{var}}=\frac{{\left(Y\right(0)-Y_{mean}(0\left)\right)}^2+{\left(Y\right(1)-Y_{mean}(1\left)\right)}^2+...+{\left(Y\right(199)-Y_{mean}(199\left)\right)}^2}{200}$

其中，Y(i)为每一点的频谱幅值，Y_mean(i)为每一点处的滑动平均值，Y_var为方差。通过比较多组数据，发现地震波的方差数量级在1e-2～1e-3，打夯波的数量级在1e-4，低于门限值B，因此可以区分出地震波和打夯波且不会触发地震波预警系统。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对接收到的信号进行低速采样，得到采样信号；对采样信号按照设定的时间间隔进行分段，且相邻两时间段之间有相同比例的重叠；

步骤2，对步骤1分段后的采样信号逐段进行能量检测，若检测到的分段信号能量大于等于预设门限值，则对该分段信号进行快速傅里叶变换，得到该分段信号的频谱；否则继续进行能量检测；

步骤3，已知地震波频谱的有效频带范围，观察步骤2得到的该分段信号的频谱是否在地震波频谱的有效频带范围内，若不在，则继续对下一分段信号进行能量检测；若在，则转到步骤4；

步骤4，选取步骤2得到的该分段信号的频谱中频带在0～200Hz的频谱，计算频带在0～200Hz的频谱幅值方差，若频谱幅值方差大于等于预设判决门限，则判断该分段信号为地震波信号，并启动地震波预警系统；否则继续对下一分段信号进行能量检测。

2.如权利要求1所述基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法，其特征在于，步骤1所述对接收到的信号进行低速采样所采用的设备是模数转换器。

3.如权利要求1所述基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法，其特征在于，步骤3所述地震波频谱的有效频带范围为0～100Hz。

4.如权利要求1所述基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法，其特征在于，步骤4所述计算频带在0～200Hz的频谱幅值方差的方法为：对频带在0～200Hz的频谱幅值进行线性归一化，对归一化后的频谱幅值进行五点滑动平均获得每一点处的均值，通过每一点处的幅值和均值计算频谱幅值方差。

5.如权利要求4所述基于短时能量检测和频谱特征分析的地震波预警方法，其特征在于，所述对频带在0～200Hz的频谱幅值进行线性归一化的计算公式为：Y＝(y-y_min)/(y_max-y_min)，其中，y为任意一点的频谱幅值，y_min是频谱幅值的最小值，y_max是频谱幅值的最大值，Y为该点的归一化频谱幅值。