CN113503887B - 单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法，S1:测量旋转量和相应的平移，S2:通过对测量量识别并加窗截取获得勒夫波，S3:对勒夫波的采样点进行分段，S4:在不同来波方向下求每个小波段的互相关；S5:求使得互相关最大的来波方向，S6:求波的速度，根据来波方向，速度定位震源。本发明提出的方法可以单站测量，不同于以前的多站测量，容易实施，另外，平移分量容易受到地形太大的影响，本发明有旋转测量和平移测量，减少地形对测量的影响。

Description

单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法
技术领域
本发明属于地球物理技术领域，具体涉及一种单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法。
背景技术
运动车辆在地面的运动会产生振动，振动会产生地震波，通过地震波的来向和速度可以估计震源的方位，进而可以估计其位置。地震波有p波，s波，面波(包括瑞雷波，love波)等，常规的单分量或者三分量地震测量并没有测量到旋转分量，只是测量了平动分量。所以以往的地震测量方法无法通过单台站测量估计源的准确方位和位置，只有结合旋转量的测量才有可能单站测量震源的位置，传统的地震测量到的平移量包括位移，速度，加速度，旋转的测量是最近才有的技术，旋转的测量量包括角度，角速度和角加速度，测量旋转的地震仪有通过平移量差分原理的地震仪(R-1TM，)，称为ADR测量，也有基于Sagnac效应的激光和光纤陀螺，后者在测量旋转方面精度更高，最近几年取得了很大成功，Igel等利用激光陀螺观测到的2003年日本十胜近海8.1级地震引起的地面旋转运动，其中安装在德国巴伐利亚的’G-ring’激光干涉测量的旋转是宽带(mHz--Hz)高灵敏度的测量(10-11—10-6rad/s)，最高的灵敏度可达到10-12rad/s，精度上达到了地震观察的要求，但是激光陀螺基座必须固定，适合固定点测量，光纤陀螺可以移动，适合固定和动点测量。
发明内容
本发明的目的是提供单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法，提出了一种利用地震波估计车辆运动轨迹的新技术。
本发明所采用的技术方案是，单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法，具体操作步骤如下：
步骤1、采用地动仪对运动车辆进行共点测量，得到南北和东西方向平移量以及垂直于地面方向的旋转量；所述平移量包括位移，速度，加速度；所述旋转量包括角度，角速度和角加速度；
步骤2、通过比对平移分量和旋转分量识别其中的勒夫波，其中第一个幅度较大的波就是勒夫波；即定义波幅幅值突然增大最少7倍以上就是勒夫波。
步骤3、对步骤2中识别的勒夫波数据截取并分段，形成若干个小波段；
步骤4、根据步骤3各个小波段的平移分量计算该波段的振幅和夹角φ(i)，结合每个小波段的旋转量，计算各个小波段的方位角α的互相关；
步骤5、选取互相关最大值对应的角度α1，来波方向就是沿着方位角α1瞬时针旋转90度；
步骤6、计算勒夫波的相速度，根据步骤5所述来波方向、利用距离＝相速度*时间，获得车辆的位置，所述时间指的是步骤1采集波形数据时对应的时间点。
本发明的特点还在于，
步骤4计算各个小波段的互相关的方法如下：
其中，α取0到360度，α间隔为1度或5度，均分为p个角度；N为小波段的数量、A(s)为第s段横向平移加速度的最大值、θ's为旋转分量，即角速度的最大值、φ(i)为第i个小波段与正东方向的夹角、θ'(i)为角速度、其中，Ax(i)，Ay(i)分别为小波段南北、东西方向平移分量。
步骤5中α1的具体计算如下：
步骤6所述相速度的计算方式如下：
夹角φ(i)的计算公式如下：
本发明的有益效果是：本发明主要特点是单站台共点测量，也就是在同一个地点测量一个旋转量，二个平移量，而传统的地震波方位确定方法要多点测量，因此本文方法易于而且能够快速测量。
第二个特点是相比于以前的地震波方位测量，旋转量的测量精确度更高，而传统的测量很容易受到地形的影响，例如测量点不平整会严重影响测量的精确度，但是旋转的测量受到地形的影响较小，这一点有些理论文献已经有过阐述。
第三个特点，也是最主要的特点，本发明的测量方法对波的性质要求并不高，抗干扰能力更强。
附图说明
图1为本发明各个方位角示意图；
图2为本发明共点测量三分量的地震波；
图3为本发明单台站地震旋转量和平移量测量的运动车辆追踪方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实际操作对本发明进一步详细说明。
本发明中，平移量的测量为位移或者速度或者加速度，其中位移量对时间求导可以得到速度，速度量对时间求导可以得到加速度.旋转量的测量为角度或者角速度，本发明所谓的对应量测量是指，如果平移测量量单位为加速度，则对应的旋转量的测量为角速度，如果平移测量量单位为速度，则对应的旋转量的测量为角度。下面以加速度和角速度为例说明。本发明的方法为共点测量，在同一地点放置1个东西和南北方向的平移量测量仪，和一个测量垂直方向旋转量的测量仪。也可以把这3个测量仪组合为一个特殊的三分量地震仪。
假设表面波如下式
上式中表示位移，/>表示单位矢量，表示波的极化方向，u0表示位移大小，f是频率，t是时间，/>分别表示波矢和位置。从式1我们可以获得加速度
角度
角速度
加速度和角速度的比值为波的传播相速度的2倍，通过这个比值可以估计相速度。
本发明单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法流程如图3所示，具体操作步骤如下：
步骤1、采用地动仪对运动车辆进行共点测量，得到南北和东西方向平移量以及垂直于地面方向的旋转量；所述平移量包括位移，速度，加速度；所述旋转量包括角度，角速度和角加速度；
步骤2、通过比对平移分量和旋转分量识别其中的勒夫波，其中第一个幅度较大的波就是勒夫波；即定义波幅值幅值突然增大最少7倍以上就是勒夫波。
步骤3、对步骤2中识别的勒夫波数据截取并分段，形成若干个小波段；
步骤4、根据步骤3各个小波段的平移分量计算该波段的振幅和夹角φ(i)，结合每个小波段的旋转量，计算各个小波段的方位角α的互相关；
计算各个小波段的互相关的方法如下：
其中，α取0到360度，α间隔为1度或5度，均分为p个角度；N为小波段的数量、A(s)为第s段横向平移加速度的最大值、θ's为旋转分量，即角速度的最大值、φ(i)为第i个小波段与正东方向的夹角、θ'(i)为角速度、其中，Ax(i)，Ay(i)分别为小波段南北、东西方向平移分量
步骤5、选取互相关最大值对应的角度α1，来波方向就是沿着方位角α1瞬时针旋转90度；
α1的具体计算如下：
步骤6、计算勒夫波的相速度，根据步骤5所述来波方向、利用距离＝相速度*时间，获得车辆的位置，所述时间指的是步骤1采集波形数据时对应的时间点；
相速度的计算方式如下：
夹角φ(i)的计算公式如下：
本发明先通过对比平移记录和旋转记录识别love波(即勒夫波)，假如获得love波列采样点共t个，我们再把这t个样点分成s段。每段有N个love波的采样点。设每段南北、东西方向平移分量分别为Ax(i)，Ay(i)，每个采样点的模值为
设第s段横向平移量的最大值A(s),旋转分量的最大值θs'，每个采样点与正东方向的夹角为当Ax(i)，Ay(i)同为负时候，计算出的角度加180度。
在波传播方向为α情况下，计算每段在α角度入射时候的互相关。
我们对上式α从0到360度求互相关，α间隔可以1度，5度等任选，间隔越大，估计的方位角误差越大。互相关的最大值为1，最小为-1，我们选取α让1-4最大的角度α1为来波方向(公式1-5)，各个角度的关系如图1，横向分量的与正东的夹角为φ(i)，来波方向与α方向的夹角为90度。获得来波方向后，利用公式1-6可以估计波的速度，获得速度，利用测量的时间，就可以估计出震源(车辆)的位置。
也即通过下式估计波的方向
本发明的测量方法对波的性质要求并不高，抗干扰能力更强。这是因为，尽管我们测量时候要识别love波，并对love波进行分段，但是，如果love的识别不准确，例如，超前或者滞后一些，对结果的影响并不大，如图2所示，波形在大概420到520ms的时段被识别为love波，假如我们在本发明love波从380ms开始(此刻是s波)，因为我们在按照4式求相关时，因为这些s波的幅度较小，对来波方向确定影响不大。

Claims (5)

1.单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
步骤1、采用地动仪对运动车辆进行共点测量，得到南北和东西方向平移量以及垂直于地面方向的旋转量；所述平移量包括位移，速度，加速度；所述旋转量包括角度，角速度和角加速度；
步骤2、通过比对平移分量和旋转分量识别其中的勒夫波，其中第一个幅度较大的波就是勒夫波；即定义波幅幅值突然增大最少7倍以上就是勒夫波；
步骤3、对步骤2中识别的勒夫波数据截取并分段，形成若干个小波段；
步骤4、根据步骤3各个小波段的平移分量计算该波段的振幅和夹角φ(i)，结合每个小波段的旋转量，计算各个小波段的方位角α的互相关；
步骤5、选取互相关最大值对应的角度α1，来波方向就是沿着方位角α1瞬时针旋转90度；
步骤6、计算勒夫波的相速度，根据步骤5所述来波方向、利用距离＝相速度*时间，获得车辆的位置，所述时间指的是步骤1采集波形数据时对应的时间点。
2.根据权利要求1所述的单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法，其特征在于，步骤4计算各个小波段的互相关的方法如下：
其中，α取0到360度，α间隔为1度或5度，均分为p个角度；N为小波段的数量、A(s)为第s段横向平移加速度的最大值、θ's为旋转分量，即角速度的最大值、φ(i)为第i个小波段与正东方向的夹角、θ'(i)为角速度、其中，Ax(i)，Ay(i)分别为小波段南北、东西方向平移分量。
3.根据权利要求2所述的单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法，其特征在于，步骤5中α1的具体计算如下：
4.根据权利要求3所述的单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法，其特征在于，步骤6所述相速度的计算方式如下：
5.根据权利要求2所述的单台站地震旋转量和平移量共点测量的运动车辆追踪方法，其特征在于，夹角φ(i)的计算公式如下：
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