CN111044975A - 一种地震动信号定位方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种地震动信号定位方法和系统，解决现有技术传感器定位不准确的问题。本申请的方法和系统运用一种基于地震动传感器五元十字排布和改进的定位算法，在进行传播速度测量时可进行不同方位的传播速度测量，在定位计算时避免了三角形定位和直线定位的定位模糊问题，具有更高的整体定位精度。

Description

一种地震动信号定位方法和系统
技术领域
本申请涉及地震监测技术领域，尤其涉及一种地震动信号定位方法和系统。
背景技术
无人值守地面传感器系统作为地面目标侦察的一项关键技术，近些年来得到了迅速发展，并被广泛运用于军事和商用各领域，实现对一个或多个目标的检测、识别、定位以及追踪。地面目标如人员、车辆和其它振动机械等在运动时会对地面产生地震动波信号，在目标一定距离远处放置地震动传感器即可检测到其地震动信号，对该信号进行一系列处理即可实现对目标的识别、定位及追踪。
通过地震动传感器实现复杂地质条件下较为精确的地面运动目标实时定位一直是该领域研究难题之一。对于二维平面目标定位系统来说，目前广泛采用的是以三角形阵列和直线阵列为代表的三传感器布局和基于信号到达时间差(TDOA)的目标定位方法。但三传感器布局存在不可避免的定位模糊问题，且其定位精度严重依赖于信号传播速度测定和时延估计的准确性。在复杂不均匀地质条件下，传播速度测定和时延估计往往成为影响目标定位精度的主要因素。
发明内容
本申请实施例提供一种地震动信号定位方法和系统，解决现有技术传感器定位不准确的问题。
一方面，本申请实施例提出一种地震动信号定位方法，包括以下步骤：
按以下方式排列5只地震动传感器：第1组传感器包含第1、2、3传感器，以第2传感器为中心沿x方向排列，相邻传感器距离为d；第2组传感器包含第4、2、5传感器，以第2传感器为中心沿y方向排列，相邻传感器距离为d；x方向和y方向相垂直；
用改进的经验模态分解法计算任意两个传感器的信号到达时间差；
以第1、4传感器的中垂线和第3、4传感器的中垂线为边界划分为4个直角区域，按以下规则判断目标信号来源所在直角区域：
τ14<0且τ34≥0，判断目标信号来源在第1传感器所在直角区域；
τ14≥0且τ34<0，判断目标信号来源在第3传感器所在直角区域；
τ14≥0且τ34≥0，判断目标信号来源在第4传感器所在直角区域；
τ14<0且τ34<0，判断目标信号来源在第5传感器所在直角区域；
其中，τ14为第1传感器的信号到达时间与第4传感器的信号到达时间差；τ34为第3传感器的信号到达时间与第4传感器的信号到达时间差。
对目标信号来源进行三点直线定位。
进一步地，所述方法还包含以下步骤：
测量x方向、y方向、一三象限对角线、二四象限对角线方向的地震波传播速度，其中任意一个方向的地震传播速度，为所述方向上的两个传感器的距离除以所述两个传感器的信号到达时间差；对上述4个方向的地震传播速度取平均。
进一步地，所述方法用改进的经验模态分解法计算两个传感器的信号到达时间差，具体包含以下步骤：
通过经验模态分解法将a、b两个传感器接收信号分解为有限数目的固态模式(IMF)分量；
对两个传感器接收信号的IMF分量进行能量分布统计，分别筛选出m、n个能量占比超过90％的优势IMF分量；
对两个传感器接收信号的m×n个优势IMF分量组合进行频谱相似度分析，筛选出频谱相似度最高的IMF分量组合，进行PHAT加权广义互相关运算，得到所述信号到达时间差的估计值。
优选地，所述对目标信号来源进行三点直线定位，进一步包含以下步骤：
判断目标信号来源在第4传感器所在直角区域或第5传感器所在直角区域时，用所述第1组传感器进行三点定位；
判断目标信号来源在第1传感器所在直角区域或第3传感器所在直角区域时，用所述第2组传感器进行三点定位。
进一步地，当用所述第1组传感器进行三点定位所得的目标信号来源位置在第1传感器所在直角区域或第3传感器所在直角区域，则改用第2组传感器进行三点定位；当用所述第2组传感器进行三点定位所得的目标信号来源位置在第4传感器所在直角区域或第5传感器所在直角区域，则改用第1组传感器进行三点定位。
进一步地，所述方法还包含以下步骤：
当所述三点定位法得到的目标信号来源的距离<0，则认定所述距离为0；
当所述三点定位法得到的目标信号来源的距离超过任意一个所述传感器的传感半径，则确定所述距离为所述传感半径。
第二方面，本申请还提出一种地震动信号定位系统，用于本申请第一方面实施例所述方法，所述定位系统包括第1、2、3、4和5传感器。
第1组传感器包含第1、2和3传感器，以第2传感器为中心沿x方向排列，相邻传感器距离为d。第2组传感器包含第4、2和5传感器，以第2传感器为中心沿y方向排列，相邻传感器距离为d。x方向和y方向相垂直。
优选地，任意一个所述传感器的工作直径为50米。
优选地，d＝5米。
优选地，任意一个所述传感器的时间同步精度为500微秒。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明提供一种基于地震动传感器五元十字排布和改进的TDOA定位算法的地震动信号定位方法和系统。本发明对传统的传感器阵列布局进行了优化，采用五元十字排布的传感器阵列作为定位单元，一方面在进行传播速度测量时可进行不同方位的传播速度测量，一定程度上弥补了将定位区域视作均匀地质条件、将传播速度视作固定不变从而产生的误差；另一方面在最终定位时避免了三角形定位和直线定位的定位模糊问题，且具有更高的整体定位精度。此外，在时延估计部分，本发明采用基于改进的经验模态分解(EMD)的时延估计方法，能获得更高的时延估算精度，从而最终提高定位精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例方法的流程示意图；
图2为传感器五元十字排列示意图；
图3为五元十字排列分区定位示意图；
图4为三点定位示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请具体地，涉及一种基于地震动传感器五元十字排布和改进的信号到达时间差(TDOA)定位算法的地震动信号定位方法和系统。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请实施例方法的流程示意图。
本申请实施例提出一种地震动信号定位方法，包括以下步骤100～500。
步骤100、采用五元十字排布的地震动传感器阵列作为定位单元；
如图2所示，按以下方式排列5只地震动传感器：第1组传感器包含第1、2和3传感器，以第2传感器为中心沿x方向排列，相邻传感器距离为d；第2组传感器包含第4、2和5传感器，以第2传感器为中心沿y方向排列，相邻传感器距离为d；x方向和y方向相垂直；
步骤200、地震动信号传播速度测量
测量x方向、y方向、一三象限对角线、二四象限对角线方向的地震波传播速度，其中任意一个方向的地震传播速度，为所述方向上的两个传感器的距离除以所述两个传感器的信号到达时间差；对上述4个方向的地震传播速度取平均。
例如：在探测区域选择一块典型地质条件、周围无明显干扰源的测试场，按某一方向和某已知间距dtest(一般选5米)布设两台地震动传感器。在两传感器延长线上某一位置(两传感器探测范围内)模拟人工挖掘信号，采取基本互相关法(CC)或PHAT加权/SCOT加权/ROTH加权等广义互相关法(GCC)计算两路传感器采集到的地震动信号的到达时间差τtest。则单次地震波传播速度可由下式估算：
Figure BDA0002310848300000051
其中，dtest和τtest分别为两个传感器间距和信号到达时间差。改变人工挖掘信号源与两传感器距离，按以上方法重复测算多次，取平均值即为两传感器延长线方向的地震动信号传播速度。
为了使测量的传播速度能够更全面地反映整个探测区域的地震波传播速度特性，可改变两传感器连线方向，分别使其沿图2中x轴、y轴及两条象限对角线方向，按照以上方法先后测算4个方向的地震动信号传播速度，再取平均值即可视为该场地的地震动传播速度，计算公式如下：
Figure BDA0002310848300000052
其中，M为沿每个方向的测量次数，一般取3～5次即可。
Figure BDA0002310848300000053
分别为沿x轴、y轴、一三象限对角线、二四象限对角线方向的单次地震波传播速度。
步骤300、目标信号来源区域分区预判
如图3所示，分别对传感器1、4和传感器3、4信号进行到达时间差计算，通过两个到达时间差预判目标信号位于上、下、左、右哪个直角区域。
以第1、4传感器的中垂线和第3、4传感器的中垂线为边界划分为4个直角区域，按以下规则判断目标信号来源所在直角区域：
τ14<0且τ34≥0，判断目标信号来源在第1传感器所在直角区域；
τ14≥0且τ34<0，判断目标信号来源在第3传感器所在直角区域；
τ14≥0且τ34≥0，判断目标信号来源在第4传感器所在直角区域；
τ14<0且τ34<0，判断目标信号来源在第5传感器所在直角区域；
其中，τ14为第1传感器的信号到达时间与第4传感器的信号到达时间差；τ34为第3传感器的信号到达时间与第4传感器的信号到达时间差。
τ14符号为正时，表示第1传感器较第4传感器距离信号源远，即r1>r4；反之，τ14符号为负时，表示第1传感器较第4传感器距离信号源近，即r1<r4。
同理，τ34为计算出的第3、4传感器的信号到达时间差，τ34符号为正时，表示第3传感器较第4传感器距离信号源远，即r3>r4；反之，τ34符号为负时，表示第3传感器较第4传感器距离信号源近，即r3<r4。
进一步地，所述方法用改进的经验模态分解法(EMD)计算两个传感器的信号到达时间差，具体包含以下步骤：
步骤301、通过经验模态分解法将a、b两个传感器接收信号分解为有限数目的固态模式分量(IMF)；
Figure BDA0002310848300000061
Figure BDA0002310848300000062
步骤302、对两个传感器接收信号的IMF分量进行能量分布统计，分别筛选出m、n个能量占比超过90％的优势IMF分量；
步骤303、对两个传感器接收信号的m×n个优势IMF分量组合进行频谱相似度分析；
频谱相似度计算公式如下：
Figure BDA0002310848300000071
其中，Fa l(f)表示a传感器信号分解得到的第l层IMF分量的频谱，Fb k(f)表示b传感器信号分解得到的第k层IMF分量的频谱,
Figure BDA0002310848300000072
表示Fa l(f)的平均值，
Figure BDA0002310848300000073
表示Fb k(f)的平均值，f1～f2表示分析的频谱范围。
需要说明的是，步骤300中的a、b传感器，分别表示第1～5传感器中的任意2只传感器。
步骤304、筛选出频谱相似度最高的IMF分量组合，进行PHAT加权广义互相关运算，得到所述信号到达时间差的估计值，该值可更精确地反应两路传感器信号的时延。
步骤400、对目标信号来源进行三点直线定位
当预判出目标在上/下/左/右某个直角区域后，后续均可转化为三点直线布局定位问题，且三点直线定位中无法判断目标位于传感器连线哪一侧的定位模糊问题也得到了解决。
判断目标信号来源在第4传感器所在直角区域或第5传感器所在直角区域时，用所述第1组传感器进行三点定位；
判断目标信号来源在第1传感器所在直角区域或第3传感器所在直角区域时，用所述第2组传感器进行三点定位。
三点直线布局的定位可通过传统的双曲线法求解，也可直接通过几何关系得到，二者是等价的。本发明采用几何关系法。如图4所示，设地震动信号目标源极坐标位置
Figure BDA0002310848300000074
传感器间距为d，信号传播速度为v，测算得到的信号到达时间差分别为τAB、τBC。则有：
rA-rB＝v.τAB
rB-rC＝v.τBC
再结合几何关系推导可得：
Figure BDA0002310848300000081
Figure BDA0002310848300000082
理想情况下，0≤rB≤D，
Figure BDA0002310848300000083
其中D为单个传感器的传感半径。但是由于测算的信号传播速度v和信号到达时间差τAB、τBC均存在不同程度误差，因此由上述公式计算得到的rB、
Figure BDA0002310848300000084
可能出现在不合理范围，需进一步根据不同情况对其进行相应的校准。
需要说明的是，当A、B、C三个传感器以B为中心排列，B表示第2传感器位置，则，A表示第1传感器位置、C表示第3传感器位置，或者，A表示第4传感器位置、C表示第5传感器位置，或者，A表示第3传感器位置、C表示第1传感器位置，或者，A表示第5传感器位置、C表示第4传感器位置。
步骤500、目标信号来源定位校准
当步骤400中计算得到的rB、
Figure BDA0002310848300000086
出现在不合理范围时，按以下步骤依次判断并进行校准。
步骤501、变换传感器组
例如，当
Figure BDA0002310848300000085
时，说明定位结果超出了步骤300中预判的直角区域，此时切换至该定位结果所在直角区域对应的传感器组合重新进行三点直线定位；
当用所述第1组传感器进行三点定位所得的目标信号来源位置在第1传感器所在直角区域或第3传感器所在直角区域，则改用第2组传感器进行三点定位；当用所述第2组传感器进行三点定位所得的目标信号来源位置在第4传感器所在直角区域或第5传感器所在直角区域，则改用第1组传感器进行三点定位。
步骤502、测量值调整
当重新进行三点直线定位后仍出现不合理结果时，对比两次定位结果中的值，
当所述三点定位法得到的目标信号来源的距离rB＜0，说明测算的时延结果误差可能较大从而导致分区预判即出现了较大误差,此时则认定所述距离为0；
当所述三点定位法得到的目标信号来源的距离超过任意一个所述传感器的传感半径，即rB＞D时，说明定位结果超出了单个传感器的传感半径，此时则确定所述距离为所述传感半径。
本申请还提出一种地震动信号定位系统，用于本申请第一方面实施例所述方法，所述定位系统包括第1、2、3、4和5传感器。
第1组传感器包含第1、2和3传感器，以第2传感器为中心沿x方向排列，相邻传感器距离为d。第2组传感器包含第4、2和5传感器，以第2传感器为中心沿y方向排列，相邻传感器距离为d。x方向和y方向相垂直。
系统采用五元十字排布的地震动传感器阵列作为定位单元，如图2所示。每个单元由两组三点直线排布的传感器阵列垂直交叉排布，形成五元十字阵列。单个传感器工作直径50m，时间同步精度500微秒，相邻传感器间距d＝5米。
通过两组三点直线阵列彼此交叉来实现彼此盲区的消除，解决三点直线阵列的定位模糊问题，并通过分区定位提高整体的定位精度。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种地震动信号定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
按以下方式排列5只地震动传感器：
第1组传感器包含第1、2、3传感器，以第2传感器为中心沿x方向排列，相邻传感器距离为d；
第2组传感器包含第4、2、5传感器，以第2传感器为中心沿y方向排列，相邻传感器距离为d；
x方向和y方向相垂直；
用改进的经验模态分解法计算任意两个传感器的信号到达时间差；
以第1、4传感器的中垂线和第3、4传感器的中垂线为边界划分为4个直角区域，按以下规则判断目标信号来源所在直角区域：
τ14<0且τ34≥0，判断目标信号来源在第1传感器所在直角区域；
τ14≥0且τ34<0，判断目标信号来源在第3传感器所在直角区域；
τ14≥0且τ34≥0，判断目标信号来源在第4传感器所在直角区域；
τ14<0且τ34<0，判断目标信号来源在第5传感器所在直角区域；
其中，τ14为第1传感器的信号到达时间与第4传感器的信号到达时间差；τ34为第3传感器的信号到达时间与第4传感器的信号到达时间差；
对目标信号来源进行三点直线定位。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：
测量x方向、y方向、一三象限对角线、二四象限对角线方向的地震波传播速度，其中任意一个方向的地震传播速度，为所述方向上的两个传感器的距离除以所述两个传感器的信号到达时间差；
对上述4个方向的地震传播速度取平均。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用改进的经验模态分解法计算两个传感器的信号到达时间差，具体包含以下步骤：
通过经验模态分解法将a、b两个传感器接收信号分解为有限数目的固态模式分量；
对两个传感器接收信号的固态模式分量进行能量分布统计，分别筛选出m、n个能量占比超过90％的优势固态模式分量；
对两个传感器接收信号的m×n个优势固态模式分量组合进行频谱相似度分析，筛选出频谱相似度最高的固态模式分量组合，进行PHAT加权广义互相关运算，得到所述信号到达时间差的估计值。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述对目标信号来源进行三点直线定位，进一步包含以下步骤：
判断目标信号来源在第4传感器所在直角区域或第5传感器所在直角区域时，用所述第1组传感器进行三点定位；
判断目标信号来源在第1传感器所在直角区域或第3传感器所在直角区域时，用所述第2组传感器进行三点定位。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，
当用所述第1组传感器进行三点定位所得的目标信号来源位置在第1传感器所在直角区域或第3传感器所在直角区域，则改用第2组传感器进行三点定位；
当用所述第2组传感器进行三点定位所得的目标信号来源位置在第4传感器所在直角区域或第5传感器所在直角区域，则改用第1组传感器进行三点定位。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，
当所述三点定位法得到的目标信号来源的距离<0，则认定所述距离为0；
当所述三点定位法得到的目标信号来源的距离超过任意一个所述传感器的传感半径，则确定所述距离为所述传感半径。
7.一种地震动信号定位系统，其特征在于，包括第1、2、3、4和5传感器；
第1组传感器包含第1、2和3传感器，以第2传感器为中心沿x方向排列，相邻传感器距离为d；
第2组传感器包含第4、2和5传感器，以第2传感器为中心沿y方向排列，相邻传感器距离为d；
x方向和y方向相垂直。
8.如权利要求1所述系统，其特征在于，任意一个所述传感器的工作直径为50米。
9.如权利要求1所述系统，其特征在于，d＝5米。
10.如权利要求1所述系统，其特征在于，任意一个所述传感器的时间同步精度为500微秒。
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