一種基于短時能量檢測和頻譜特征分析的地震波預警方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種地震波預警技術，尤其涉及一種可以降低虛警概率的地震波預警 技術，更具體地涉及一種基于短時能量檢測和頻譜特征分析來避免干擾波影響的地震波預 警方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國現代化進程的不斷加快，高速鐵路作為一種方便、無污染的新能源交通 工具得到快速發展，特別是對人口愈發膨脹，人口密度逐步增加的城市發展而言具有更加 重要的作用。自從我國第一條時速超過160km/h的廣深準高速鐵路正式通車以來，鐵路經過 六次提速，目前運營時速已高達300km/h，運營里程已經突破一萬公里，位于世界高鐵里程 的首位。高速鐵路的發展不僅方便了人們的日常出行，也對我國國民經濟的發展作出了巨 大的貢獻，而高速鐵路的交通安全問題必然是我們關注的重中之重。
[0003] 我國地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣，是一個災害嚴重的國家，大部分地 區都面臨著地震災害的嚴重威脅。而高速鐵路沿線長度長、線路多，通常會穿越不同的地震 帶，沿途高強度的地震活動將會對高速鐵路運行安全造成嚴重威脅。因此地震預警機制將 是高速鐵路交通安全問題的研究重點。
[0004] 當列車在低速運行時受地震影響的危害性不大，但是當速度超過200km/h后，由于 輪軌之間的橫向作用力和列車運行速度的平方成正比關系，即使地震級數不大，都會使震 中附近鐵路路基、軌道等受巨大沖擊而造成列車出軌、翻車等嚴重交通安全事故。因此，需 要在地震到來前的十幾秒或者幾十秒對高速列車進行及時預警，迫使列車降低運行速度或 者緊急停車，這將會極大降低甚至避免地震對高速鐵路運行安全造成的嚴重危害。
[0005] 考慮到高速鐵路的可靠性要求，不能有任何誤觸發的情況發生，因此我們需要避 免外界干擾波對地震波的影響。在鐵路附近，經常會存在各種工況，常見的有施工時砸實地 基產生的打夯波、礦區鐵路線路清篩大修產生的清篩波、用于鐵路新線建設的搗固機產生 的搗固波以及修養鐵路的穩定車產生的穩定波等。當列車上的檢測裝置接收到可疑信號 后，需要快速判斷是否是地震波，避免干擾波對地震波預警系統的誤觸發作用。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是:提供一種基于短時能量檢測和頻譜特征分析的地 震波預警方法，能夠快速有效判斷接收到的信號波形是否為地震波，增加地震波信號預警 的有效性，避免其他干擾波的影響。
[0007] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0008] -種基于短時能量檢測和頻譜特征分析的地震波預警方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1，對接收到的信號進行低速采樣，得到采樣信號;對采樣信號按照設定的時 間間隔進行分段，且相鄰兩時間段之間有相同比例的重疊；
[0010]步驟2,對步驟1分段后的采樣信號逐段進行能量檢測，若檢測到的分段信號能量 大于等于預設門限值，則對該分段信號進行快速傅里葉變換，得到該分段信號的頻譜;否則 繼續進行能量檢測；
[0011] 步驟3,已知地震波頻譜的有效頻帶范圍，觀察步驟2得到的該分段信號的頻譜是 否在地震波頻譜的有效頻帶范圍內，若不在，則繼續對下一分段信號進行能量檢測;若在， 則轉到步驟4;
[0012] 步驟4,選取步驟2得到的該分段信號的頻譜中頻帶在0~200Hz的頻譜，計算頻帶 在0~200Hz的頻譜幅值方差，若頻譜幅值方差大于等于預設判決門限，則判斷該分段信號 為地震波信號，并啟動地震波預警系統;否則繼續對下一分段信號進行能量檢測。
[0013] 優選的，步驟1所述對接收到的信號進行低速采樣所采用的設備是模數轉換器。
[0014] 優選的，步驟3所述地震波頻譜的有效頻帶范圍為0~100Hz。
[0015]優選的，步驟4所述計算頻帶在0~200Hz的頻譜幅值方差的方法為：對頻帶在0~ 200Hz的頻譜幅值進行線性歸一化，對歸一化后的頻譜幅值進行五點滑動平均獲得每一點 處的均值，通過每一點處的幅值和均值計算頻譜幅值方差。
[0016]優選的，所述對頻帶在0~200Hz的頻譜幅值進行線性歸一化的計算公式為：Y = (y-ymin)/(ymax-ymin)，其中，y為任意一點的頻譜幅值，ymin是頻譜幅值的最小值，y max是頻譜 幅值的最大值，Y為該點的歸一化頻譜幅值。
[0017] 本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
[0018] 本發明地震波預警方法，通過實測地震波的數據，以及鐵路沿線的打夯、清篩、搗 固和穩定的數據，可以繪制成時域波形。為了能快速判斷以及提高數據的有效性，對時域采 樣序列進行短時能量檢測和頻譜檢測，得出地震波及各種干擾波頻譜的區別。從而當列車 檢波器接收到信號波形時，就可以快速判斷是否為地震波，避免干擾波對地震波預警裝置 的誤觸發作用。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警系統。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明地震波預警方法的流程圖。
[0020] 圖2-圖3分別是地震波的短時時域波形和頻譜圖。
[0021] 圖4-圖5分別是搗固波的短時時域波形和頻譜圖。
[0022]圖6-圖7分別是穩定波的短時時域波形和頻譜圖。
[0023]圖8-圖9分別是清篩波的短時時域波形和頻譜圖。
[0024]圖10-圖11分別是打夯波的短時時域波形和頻譜圖。
[0025] 圖12是地震波的歸一化頻譜和滑動平均均值譜，其中實線為歸一化頻譜，帶點虛 線為滑動平均均值譜。
[0026] 圖13是打夯波的歸一化頻譜和滑動平均均值譜，其中實線為歸一化頻譜，帶點虛 線為滑動平均均值譜。
【具體實施方式】
[0027] 下面詳細描述本發明的實施方式，所述實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號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0028] 如圖1所示，一種基于短時能量檢測和頻譜特征分析的地震波預警方法的流程如 下：（1)在信號接收端，完成待檢測信號的低速采樣；（2)對低速采樣觀測序列進行短時分段 處理，即在時間上按照一定的時間間隔進行分段，各時間段之間有一定比例的交疊；（3)在 時域上對短時分段后的信號逐段進行能量檢測，若檢測到的分段信號能量低于門限值，則 繼續檢測下一分段信號能量;若檢測到的分段信號能量超過預先設定的門限值，則對這段 時域信號進行快速傅里葉變換，轉入(4); (4)觀察該時間段信號的頻譜是否集中在地震波 頻譜的有效頻帶范圍內，若不在地震波的頻譜范圍內，則說明為其他干擾波信號，返回（3); 若頻譜集中在地震波頻譜的有效頻帶范圍內，轉入(5); (5)選取頻帶在0~200Hz的頻譜，對 其進行線性歸一化，再對歸一化后的頻譜幅值進行五點滑動平均得到每一點處的均值，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，啟動地震波預 警系統。
[0029] (1)在采樣周期內，將接收端采集到的離散時間序列觀測值記為y=[y(0)，y (1)，···，y(n_l)]T其中，y(k)是在k(0 < k < n-1)時刻采樣的信號值。因此，信號模型可表示 如下：
[0030] y(k) =s(k)+n(k) (1)
[0031] 其中，s(k)是實際信號，n(k)是均值為零、方差為σ2的高斯白噪聲。
[0032] (2)通過觀測采樣器接收到的一系列離散時間序列，設定短時時間to和交疊時間 t。將這段序列在時間上進行等間隔分段，并且后一個時間段與前一個時間段之間有七時間 的交疊以保證分段序列波的完整性。為了滿足地震波預警實時性的要求，to應該盡可能短。 [0033] (3)在時域上對短時分段后的信號逐段進行能量檢測，用信號絕對值的平均值大 小來表征這段時間的能量大小，設定門限值A，若檢測到的分段信號能量低于門限值，則繼 續檢測下一分段信號能量，直到達到門限值要求。
[0034]當檢測到的分段信號能量超過預先設定的門限值時，則對這段時域信號進行快速 傅里葉變換，得到這段信號的頻譜。
[0035] (4)由實測地震波的數據可知地震波為低頻信號，有