CN114859403A - 一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法，属于地震预警技术领域。该方法首先选取与基岩层接触的高速铁路桥墩作为地震拾震器的布设点，使地震P波信号与光纤耦合到一起，实现地震P波信号的光学采集、传输与处理；然后将相位敏感分布式光纤振动传感器与拾震器耦合，实现对地震P波信号的实时预警处理；之后通过高速铁路桥墩顶部拾震器获得的系列地震P波信号，结合多个拾震器的空间相对位置与测得地震P波信号的时间序列，预测出地震横波的到达时间，实现高精度的地震预警。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型地震预警技术，把拾震器布设在高速铁路网桥墩基础上，利用桥墩可以传导基岩地震波的特点，把地震信号调制到沿铁路线铺设的分布式光纤振动传感器上，这样地震波的纵波(P波)可以通过光纤传导到信号处理端，依据纵波和光波的高速传输，达到提前预警地震横波(S波)到达时间的目的，从而实现对地震的预警。
背景技术
地震预警是指在地震发生前，对地震前兆异常和地震活动的监视、测量。专业的地震台站有多种监测仪器，如拾震器、水位仪、地震仪、电磁波测量仪等，用来监测地震微观前兆信息。
地震发生时产生的地震波波前很复杂，但总可以将其分解成水平和垂直两个方向的分量。沿岩石向地表的传播称之为纵波(P波)，它使地面发生上下振动，破坏性较弱，其速度可达8千米/秒；沿水平方向传播的称之为横波(S波)，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强，其速度依土壤的密度而不同，一般在1.8千米/秒至4千米/秒之间。另外一般认为还有一个称为面波的，即L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，影响较小一般不讨论。地震的预警就是根据这两个速度的差，来确定破坏力极大的S波的到达时间。
我国是由24个基准地震台组成的国家级地震台网，其尺度跨越全国。用于监测全国的基本地震活动情况。散点式布局优点是投入到单点的资源多，单点精度较高。缺点是测试点少，费用高，精度有限。用于长期监测某一特定地区的地震活动情况，由若干个建立在固定地点的拾震器把P波信号汇总到地震台网。用于监测全球地震活动性，目前各国在该领域的建设已经实现大面积的覆盖，比如美国在60年代初建立的世界标准地震台网(WWSSN)。该台网由100余个分布在全球的地震台和设在美国本土的业务管理部门组成。我国也早已建成由24个基准地震台组成的国家级地震台网，其尺度跨越全国。用于监测全国的地震活动情况。尽管国家的地震台网已经大大增加，但是其广泛性依然有进一步改善的地方。
近年来中国高速铁路的飞速发展，已经建成了“八横八纵”的高速铁路网，围绕地震对高铁安全运行的危害问题研究的较多。另外利用高铁运行中轮轨关系形成的移动震源来判断地质变化的异常，是近年来形成了高铁地震学这个学科。这些研究都是把高铁与地震预警两个独立系统来讨论问题，本专利是把两个系统结合起来，“高铁系统本身就是一个良好的地震预警系统”出发，利用大量的有规律分布的高铁桥墩来形成地震预警的基岩点，这一思路尚未有相关报道。
我国高铁线路70％是建设在桥墩上，大多数桥墩基桩会向地下延伸至岩石层，极少数不能到达岩石层的也向地下延伸达60米有余，使其与土壤的摩擦力足够达到支撑载荷的要求。这些到达岩石层的桥墩恰恰可以形成像铺设拾震器基岩点一样对地震P波的良好传导。本项专利就是选择这些桥墩作为地震波拾震器的布设点，使其形成有规律的布点分布，然后用光纤传感技术实现对这些传感器信号的光速传导并高速采集，相较于目前的方法，将大幅度提升对地震波的预警效率，因为多点探测是提高地震波溯源精度的最有效手段。
分布式光纤振动传感技术，是一种基于光纤传感的一种应用技术，以其光纤耐受极端环境、重量轻、无需供电、组网容易、可以实现分布式部署、大测量范围高空间分辨率、高灵敏度低成本等优点迅速取代了各种点状探测的电子式探测器。目前己经广泛用于周界安防、管道检测、建筑物结构监测、地震勘探等领域。
光纤振动传感往往采用背向散射探测原理，散射传感系统包括三种:后向瑞利散射光、布里渊散射光、拉曼散射光。在测量振动时，多采用后向瑞利散射光，其中解调光相位的中Φ-OTDR系统相比于常规OTDR系统灵敏度等参数更具优势，成熟的振动传感方案多数采用这一方案。
信号提取方面目前已经有大量的利用光纤分布式传感器拾取地震信号的相关研究，这些系统都是把光纤垂直浇筑到拾震器附近，形成一个沿地质垂直纵深的声波拾取，这一设计可以在这一个点上比较早期的探测到地震P波，但对于地震发生的随机性，这种铺设光纤的方法一方面无法判断地震波方向，另一方面无法实现多点的铺设，工程上很难实现，因为很多拾震器的基岩点无法实现机械化作业。因此将拾震器沿高速铁路桥墩布设，铁路线就形成一个有规律分布的拾震器排列，把拾震器信号调制在光纤上，使本来就很快的P波信号以光速传输到信号解调器上，分析震源的发生位置，大幅度提升对地震信号的预警。我国省会城市以上都有高速铁路，这种网格状的高铁线将大城市连接起来的同时，也形成了规则高铁桥墩地震预警网，这对地震灾害的防控减震减灾有重要意义。
本专利提出一种基于高速铁路桥墩基础为布设点的光纤分布式地震预警系统，设计中利用桥墩基桩向地下延伸至岩石层的特点，将拾震器布设在桥墩的顶部，并将拾震器信号调制在光纤上实现光速的传导并高速解调，大幅度提升P波的探测时间，从而克服了目前只能因循山脉稀疏布设拾震器方法的低空间分辨率的局限，实现震源定位并获得及时的地震预警。
现有技术文献：
[1]李雪红,孙磊,徐秀丽,林珊,杜杨开物.地震动多点激励对高铁桥梁地震响应的影响研究[J].自然灾害学报,2018,27(03):12-20.DOI:10.13577/j.jnd.2018.0302.
[2]陈志高,吴鹏,夏界宁,杨江,吴雄伟,杨建,陈玉秀,胡云亮.一种高铁地震监控预警与应急处置演示系统[P].湖北省：CN209746917U,2019-12-06.
[3]王晓凯,陈文超,师振盛,陈建友.一种高铁震源地震信号的宽频背景噪声压制方法[P].陕西省：CN109959964B,2020-10-27.
[4]杨长卫,张凯文,张志方,等.一种高铁地震预警方法及系统[P].四川省：CN112967477A,2021-06-15.
[5]朱尔玉,刘中豪,王宏亮,潘卫兵.一种基于大数据理念的高铁地震预警系统[P].北京市：CN104680722A,2015-06-03
[6]吴宇,彭飞,曹绪力.一种基于Φ-OTDR的双通道光纤分布式振动监测系统[P].四川省：CN208872411U,2019-05-17
[7]李良杰.分布式大气和地震监测预警系统[P].安徽省：CN108802804A,2018-11-13
[8]向杰.一种分布式地震感测警报技术[P].湖南省：CN108280971A,2018-07-13
[9]Jian Yu et al.Running test on high-speed railway track-simplysupported girder bridge systems under seismic action[J].Bulletin ofEarthquake Engineering,2021,:1-24.
[10]李彩华,滕云田,李小军.分布式光纤振动传感系统中数据采集及信号处理系统设计[J].地震工程与工程振动,2012,32(01):161-167.DOI:10.13197/j.eeev.2012.01.007.
发明内容
本发明针对中国高铁网络普遍采取以桥代路，高铁桥墩往往打入基岩的特点，通过光纤传感的方法，监控预定地震波，对地震波预警提供一种低成本的解决方案。
本发明的技术方案如下：
本发明涉及一种新型地震预警技术，通过把拾震器布设在高速铁路网桥墩基础上，利用桥墩可以高速传导基岩地震波的特点，把地震信号调制到沿铁路线铺设的分布式光纤振动传感器上，这样地震波的P波可以被密集布设的拾震器探测，并通过光纤传导到信号处理端，依据P波(8000米/秒)和光波(3.0×108米/秒)的高速传输，大幅度提前预警破坏力最大的地震S波的到达时间，从而实现地震预警。
步骤1，选取与基岩层接触的高速铁路桥墩作为地震拾震器的布设点，使地震P波信号与光纤耦合到一起，实现地震P波信号的光学采集、传输与处理；
步骤2，将相位敏感分布式光纤振动传感器系统与光纤拾震器耦合，实现对地震P波信号的实时预警处理；
步骤3，通过高速铁路桥墩顶部的光纤拾震器获得的系列地震P波信号，结合多个光纤拾震器的空间相对位置与测得地震P波信号的时间序列，预测出地震横波(S波)的到达时间，实现高精度的地震预警。
光纤拾震器的设计采用上下两个圆筒，下方的圆筒采用四个横放的弹簧实现水平方向的阻尼，使地震P波最大限度的作用到传感光纤上，见说明书附图3中的(B)机械图部分。
所述步骤1中，传感光纤采用900微米外包层的普通通讯光纤，在高速铁路桥梁内铺设，经过桥墩顶部在光纤拾震器上缠绕形成传感段。
所述步骤2、3中，相位敏感分布式光纤振动传感器采用Φ-OTDR作为地震信号解调，其区别于目前市场上的主要特征是：间隔32米跳跃式解调空间分辨率为3米的传感段，总距离1000公里为佳。(1)这个长度对于光纤不难做到；(2)正好差不多是哈尔滨到大连的高铁距离；(3)目前Φ-OTDR，60公里范围内连续实现一米空间分辨率，原本要求32米间隔的解调3米，通过优化系统设计结合拉曼等技术实现1000公里是可能的，见说明书附图3中的(C)。
本发明的有益效果：利用现有打入基岩的桥墩进行监测，减少施工难度。便于大量设置测试点。利用中国建成和即将建成的规则高铁网络大规模有秩序的检测，提高预报精度和稳定性。利用光学方法，采用分布式光纤传感，极大提高对地震的监测预报精度和实时性。依附于现有高铁网络的快速发展，我们可以很快的而低成本建立全新的大规模地震预警网络，未来的使用前景较广。
附图说明
参考所附附图，以充分描述本发明的可行性机理，然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成本发明范围的限制。
图1高速铁路网中的直抵基岩的桥墩。
图2高铁桥墩上的光纤地震传感器接收地震信号
图2中：S1、S2是目前的光纤拾震器安装位置；从震中发出的圆环代表地震波传播；全光纤拾震器安装在桥墩上。
图3分布式光纤振动传感技术实现一种间隔32.5米的大范围震动传感。其中：(A)地震监测系统总体图；(B)墩顶光纤拾震器结构图；(C)接收信号图；
图3中：1超窄带宽光源；2声光调制器；3脉冲掺铒光纤放大器；4环形器；5波分复用器；6拉曼信号放大器及光电探测器；7波分复用器及光电探测器；8传感光纤；9左固定装置；10光纤；11光纤固定上圆筒；12右固定装置；13下圆筒；14阻尼右前弹簧；15阻尼右后弹簧；16阻尼左前弹簧；17阻尼左后弹簧；18底座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行案例描述。该方案利用现有高铁网络，从空间上可以更加准确的监控地震震中的位置。
一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法，步骤如下：
1、在高速铁路网中，找出直抵基岩的桥墩，并在其上布设光纤拾震器，如附图1所示。
2、将桥墩上的光纤拾震器设计成全光纤的信号拾取方式，附图2所示，并调制在分布式光纤振动传感器上附图3中的(A)，附图3中的(B)所示，进行光学信号的解调处理，获得地震信号。
3、采用光学分布式震动传感，结合相位敏感分布式(Φ-OTDR)光纤振动传感技术，提供一种间隔32.5米为测点的大范围分布式光纤振动传感技术，如附图中的3(C)所示。这种信号调制方法，比目前电磁耦合光纤拾震器灵敏度会低一些，但对强震来说，预警是第一位的，灵敏度是第二位的。
4、快速计算“P波+光纤信号传播”，并形成对S波的预警。
发明内容包括，拾取P波、调制到光纤中传输、大范围动态解调地震信号、将“P波+光纤信号传播”与S波相关联，达到预警地震S波达到时间的目的。
基于如附图1所示的、直抵基岩的桥墩可以进行高效的地震波探测。
如附图2所示，所述的超窄带宽光源1、声光调制器2、脉冲掺铒光纤放大器3、环形器4、波分复用器5、传感光纤8依次连接；环形器4还与波分复用器及光电探测器7相连，波分复用器5还与拉曼信号放大器及光电探测器6相连；
所述的光纤拾震器布设在与基岩层接触的高速铁路桥墩顶部，包括光纤固定上圆筒11和下圆筒13，下圆筒13的前后左右分别采用横放的阻尼右前弹簧14、阻尼右后弹簧15、阻尼左前弹簧16、阻尼左后弹簧17实现水平方向的阻尼；所述的传感光纤8采用900微米外包层的普通通讯光纤，在高速铁路桥梁内铺设，经过桥墩顶部在光纤拾震器上缠绕形成传感段。传感段长度大约三米，其中上下两个圆筒各缠绕半米，中间悬空部分各0.5米长(共计两米)作为地震波P波的传感部分；传感器设计的基本设计思路一个动体一个静体，产生相对运动带动光纤拉伸产生信号。其中左固定装置9，右固定装置12是用于将顶部圆筒固定，使得上圆筒11在震动过程中会随着桥墩直接震动。而下圆筒13上下方向上在一定震动量程内保持静止状态。阻尼右前弹簧14、阻尼右后弹簧15、阻尼左前弹簧16、阻尼左后弹簧17这个四个阻尼弹簧通过与管壁刚性连接对下圆筒13提供水平方向的反作用力，对水平方向运动进行约束。底座18是为了加大与桥墩接触面积，使得拾振器稳定放置，同时底座18的上方的外壳，给阻尼右前弹簧14、阻尼右后弹簧15、阻尼左前弹簧16、阻尼左后弹簧17提供固定支撑。在实际安装时，应将底座与桥墩固定，使得探测器与桥墩连为一体，保持一个震动信号拾取状态。
当地震发生时产生的地震波可以分解为横向的S波与纵向的P波，现有的拾震器布设如图2中S1和S2所示，空间距离依据基岩的走势而定，往往距离较远。但高速铁路的桥墩则可以视作规则的基岩点，因此其规则的空间排列恰似一个“相位阵列雷达”，这个“阵列”可以规则的探测地震波的发生与传播，因此当震源发生在如图2左下角位置时，拾震器S1和1#桥墩拾震器先探测到纵波，但仅靠拾震器S1无法准确判断震源和S波的到达时间，目前的探测方法，需要等到地震S波以到达拾震器S2才能做出信号的判断。而直抵基岩的桥墩上的拾震器，则依此2#、3#桥墩连续的拾取地震信号，且到达墩顶的速度是8千米/秒，这些信号达到解调仪的速度又是光速3.0×108米/秒，将大大的提前S波的预警时间。下面以图2所示的地震信号为例，假设震源深度为100公里，到S2的水平距离是100公里的情形，计算预警时间：
(1)到达S1的时间(P波速度8千米/秒)
(2)到达S2的时间(S波速度按照最快4千米/秒计算)
震源到S2的100公里对角线距离为：
即：
目前的预测方法，在忽略信号处理以及电信号传输的情形下，最快可以提前35.25-12.5＝22.75秒给出S2位置的地震预警。
本发明方法：相对于100公里的震源深度而言，不失一般性的假设1#桥墩和S1的位置相同，这样地震信号到达S1时，1#桥墩也接收到信号。而2#桥墩与1#桥墩相距仅32.5米，因此同样道理2#桥墩上的拾震器也以与S1相比较而言，可以忽略的时间差探测到信号，这些信号又以光速达到解调仪，所以忽略解调仪的时间(这一点可以做到的)，从地震发生到预警的时间可以3.0×108米/秒光速，从S1到S2的传输时间估算为：
这个方法的预警时间是大大提前了，由于两个桥墩上的拾震器空间距离较近，很难根据几个桥墩反算出震源，这是本专利的不足。但毕竟地震预警是主要的，反推地震源的工作可以滞后。
震源位置的计算需要根据这些有规律排列桥墩的分布情形，进行二次计算，需要时间，这个包含在地震信号的解调模型当中。
根据以上计算，100公里深处的震源，可以使100公里区域的地震预警提前约22秒！这个时间可以完成必要的人员疏散等。
本发明的有益效果：利用现有打入基岩的桥墩进行监测，减少施工难度。便于大量布设光纤拾震器监测点。利用已建成和即将建成的规则高速铁路网络与分布式光纤传感相结合，提高对地震的信号的预警能力。
Claims (4)
1.一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，选取与基岩层接触的高速铁路桥墩作为地震拾震器的布设点，使地震P波信号与光纤耦合到一起，实现地震P波信号的光学传输与处理；
步骤2，将相位敏感分布式光纤振动传感器系统与光纤拾震器耦合，实现对地震P波信号的实时预警处理；
步骤3，通过高速铁路桥墩顶部的光纤拾震器获得的系列地震P波信号，结合多个光纤拾震器的空间相对位置与测得地震P波信号的时间序列，预测出地震横波的到达时间，实现高精度的地震预警。
2.根据权利要求1所述的一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法，其特征在于，针对高速铁路普遍“以桥代路”，桥墩深入基岩可以很好传导地震波的特点，所述步骤1中，传感光纤采用900微米外包层的普通通讯光纤，在高速铁路桥梁内铺设，在桥墩顶部的光纤拾震器上缠绕形成传感段。
3.根据权利要求1所述的一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法，其特征在于，其中光纤拾震器的设计采用上下两个圆筒，下方的圆筒采用弹簧实现水平方向的阻尼，使地震P波最大限度的以垂直方向作用到传感光纤上。
4.根据权利要求1所述的一种在高速铁路桥墩顶布设拾震器的光纤地震预警方法，其特征在于，所述步骤2、3中，相位敏感分布式光纤振动传感器采用Φ-OTDR作为地震信号解调，实现间隔32米的3米空间分辨率的地震信号拾取与传输。
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