高铁地震波场的高精度密集观测及应用前景:基于通讯光缆的观测和处理结果

利用高清分布式光纤声波传感(HD-DAS)系统,进行高铁地震波场的高精度分布式采集。传感单元采用结构简单、成本低廉的通信光缆即可实现很好的监测效果,可以方便地根据实际环境进行布设,大大提高了野外观测的效率。采用多光缆并行布放,信号叠加后可有效地抑制噪声,提高高铁地震信号的信噪比。对HD-DAS系统采集到的高铁地震信号进行数据分析,发现高铁地震信号呈现分立谱特性。通过分析地震波信号的衰减规律,并通过频率-波数谱得到地震波在近地表的传输速度,表明光纤采集的高铁地震波信号可用于探测地下结构,并进一步实现对介质状态变化的监测,从而保障高铁的运行安全。

关于高铁地震波场虚拟道集生成的理论分析

中国约80%的高铁运行于高架桥上,高铁振动通过桥墩传入地面.本文对运行于等间隔桥墩的高架桥上高铁振动产生的地下地震波场形态进行了理论分析,根据其在特定方向形成相干相位稳相点区域的特征,设计了一种基于多个不同速度高铁列车振动记录叠加,分离单桥墩激发虚拟地震波场的方法,并对单层与多层介质的情形进行了理论验证.

高铁地震数据干涉成像技术初探

高铁运行会引起铁轨的震动,从而产生地震波向地下介质中传播,通过研究该地震波可对高铁沿线的地质情况进行持续监测.与常规地震勘探中的震源相比,高铁地震中的震源较为复杂,为移动震源,而地震干涉技术可以通过地震记录间的相互干涉,消除震源的影响,因此可利用地震干涉技术对高铁地震信号进行处理并成像.本文通过分析研究,总结出地震干涉方法在处理高铁地震数据时的关键技术问题:不同于常规地震干涉中先干涉后叠加的干涉成像方式,高铁地震移动源的特点使得干涉顺序变为先叠加后干涉,由此带入了大量震源串扰噪声;初步提出两种解决高铁地震干涉成像的思路:通过对高铁地震信号的处理,使高铁变相"提速"或"降速",给出了"提速"或"降速"后各自的成像思路,并给出了数据处理的技术设想.

累积绝对速度CAV和峰值加速度PGA联合报警在高铁地震监测预警中的应用

美国电力研究所EPRI在1991年通过研究认为累积绝对速度CAV对低频震动敏感而对高频震动不敏感,能很好避免没有破坏性的高频小震报警。简要介绍CAV的概念和标准化算法,并以汶川地震及部分余震数据为例,分析高铁采用CAV参数报警的可行性,结果表明高铁地震监测预警中CAV参数可能会对破坏性小的远震大震报警,但CAV参数和峰值加速度PGA参数联合报警能有效地排除近震小震和远震大震对高铁地震报警的干扰。

基于C/S构架的高铁地震预警数据采集系统设计

针对高铁地震预警设计了一套基于C/S构架的六通道24 bit数据采集系统。系统硬件由控制板和可拆卸式多通道采集板组成。控制板由STM32F407单片机、SD存储卡和以太网接口组成,完成采集板控制,数据的读取、存储和传输功能;采集板由FPGA控制母版与6个独立的24 bit AD采集卡组成,完成六通道AD同步采样、数据打包和传输功能。服务器通过移植lwip,结合客户端Lab VIEW网络编程,完成了C/S构架软件系统设计,实现了数据远程参数设置和波形实时显示等功能。测试结果表明:采集系统通道一致性好,在200 sample/s采样率下每通道数据采集信噪比优于140dB。

大量高铁地震事件的属性体提取与特性分析

列车在高铁上运行能够产生大量的高铁地震事件,这些地震事件既包含了作为震源的列车本身的结构信息,也蕴含了高铁线路的地质环境信息.本文提出了一种频率-空间-时间(FXT)属性描述大量高铁地震事件之间的关联.在FXT属性上,高铁地震信号之间的关联表征为在频率坐标轴F上相互对齐、在空间位置坐标轴X和事件到达时间坐标轴T上连续变化的分立谱线.本文对课题组在深圳为期两天的观测采集得到的4500余条高铁地震信号进行了FXT属性的提取,并对FXT属性进行了统计特性的分析:方差分析表明,高铁线路的地质环境的变化对高铁地震信号特征的影响大于不同列车的结构差异对高铁地震信号特征的影响;聚类分析表明,高铁地震信号的特征按接收点位置能够无监督地聚类为和高铁线路途经地质环境相关联的不同类别.通过上述分析表明,高铁地震信号中蕴含着丰富的可解释的高铁运行地质环境信息,具备对高铁列车运行安全进行监测的潜力.

高铁地震信号时频特征对比分析

利用同步挤压小波变换方法,对河北保定和广东深圳地区实测的高铁地震信号进行时频谱分析。结果表明,高铁在经过高架桥时,在其附近产生的地震信号中低频信息比通过隧道和接触地表运行产生的地震信号丰富。利用高铁地震信号的时频谱特性,可以确定高铁运行速度的变化。

高铁地震信号衰减特征分析及震源函数验证

高铁震源作用下地震波的特征分析和应用探究是高铁地震学的研究重点。对高铁地震信号衰减特征的分析有助于地下结构的探测和反演,能够反映实际高铁地震信号突出特征的高铁震源函数,为扩展相关应用领域提供了基础。通过将行驶中的高铁列车简化为移动的多组点源模型,综合考虑地震波衰减的影响因素,合成了高铁震源函数;通过现场监测试验,分别分析了振动速度、瞬时能量谱和边际谱的衰减特征。对比分析实际高铁地震信号与合成高铁地震信号的衰减特征,结果表明:振动速度和瞬时能量的衰减趋势一致,与震源距离越近,振动速度和瞬时能量的衰减程度越大;距离震源35 m和55 m处产生了局部振动增大现象;利用合成高铁震源函数反映高铁地震信号能量衰减征是可行的。

高铁地震波场特点的理论分析

为了利用高铁震源反演浅层或深层地下结构,将高铁铁路桥墩视为点源位置,分别利用波阵面叠加、求解声波波场和半无限空间弹性波波场等方法,对高铁激发的远场波场进行模拟。利用不同类型的震源时间函数与格林函数卷积计算得到的波场结果显示,考虑高铁自重影响的桥墩静力响应的低频震源时间函数对应的波场与实际记录具有一定的相似性。

高铁地震4D地频图及其可用性研究

基于北京大学在河北保定地区高铁线路附近布设的台阵数据,在考虑车型变化的情况下,采用基频对齐的方法,将同一台站上相同类型列车激发的高铁地震信号三分量的频谱分别叠加起来,可在更远的台站上获得更高信噪比的频谱。使用聚类算法,得到不同车型对应的三分量频谱随台站位置的变化规律。基于高铁地震频谱特征及其变化规律,提出4D地频图的概念,并讨论其监测高铁及周边介质的可用性。

高铁地震震源子波时间函数及验证

基于纵横波产生机理并结合高铁列车及铁轨结构,本文给出了高铁列车产生地震纵波及横波震源(点源及等效源)子波的时间函数;通过实际高铁地震数据及合成高铁地震数据分析,验证了高铁地震震源子波时间函数的合理性;在高铁列车匀速、加速及减速运行情况下,利用高铁地震点源子波合成记录分析了高铁地震震源子波的频谱特征,为实际高铁地震数据处理解释奠定了良好的基础.

高架桥下方高铁地震波场的特征量提取

通过互相关方法,提取高铁列车经过前后沿着高铁桥梁传播的地震波信号。将不同车次的互相关函数叠加,得到稳定的平均互相关函数,可以作为高铁地震波场的特征量。该特征量有监测高铁桥梁结构变化的潜力。

高铁地震面波相速度频散曲线提取

为了充分利用高铁地震信号中的面波信息,本文将双台法和旋转法等面波相速度提取方法应用于高铁地震模拟记录,尝试提取基阶瑞利波与勒夫波相速度频散曲线.通过分析以高铁高架桥的桥墩为源的高铁波场干涉特征,给出了适用于高铁地震波场的面波相速度校正方法;通过数值实验,证明了方法的有效性.

基于土耳其7.8级地震序列对我国高铁P波预警算法的性能改进研究

基于2023年2月6日土耳其7.8级地震及其余震作为测试数据集,通过测试不同震中距和震级下基于STA/LTA和滑动窗AIC法组合的高铁P波地震预警算法的触发率和识别准确率,发现在200 km范围内该算法能够有效识别地震P波并捡拾到P波初至。此外,研究了最大预警时间和P波判别计算时间随震中距和震级的变化,发现最大预警时间和P波判别计算时间与震中距变化有密切关联,但与震级变化无明显关联。

基于自适应VMD算法的高速铁路地震信号分析

高速铁路以确定的长度和负载在固定线路上以几乎均匀的速度长时间运行,构成了一种新的稳定且可重复的人工地震源。研究表明高速铁路地震信号具有宽频带分立谱特征。挖掘大量高速铁路地震信号中所包含的丰富信息在高速铁路运行和路基的安全监测方面具有重要的应用价值。然而,由于铁路网络系统周围环境的复杂性,实际采集数据中除高铁地震信号外,还包含有地球背景噪声以及各种人类活动所产生的噪声。如何提取实际记录中的高铁地震信号是有效利用该类信号的基础和关键。在本文中,我们提出了一种基于自适应变分模态分解(Variational mode decomposition,VMD)的高速铁路地震信号分离算法,将优化算法引入到变分模态分解中,利用能量差参数和样本熵构建适应度函数,实现对模态数及惩罚因子优化调整。此外,利用同步挤压小波变换(Synchrosqueezed wavelet transform,SSWT)对提取的高速铁路信号和现场数据进行时频分析。通过对模拟信号的处理验证后,应用到实际采集到的高铁地震数据进行分析处理。结果表明,该方法可以有效提取高铁地震信号,剔除其它背景噪声,为后续开展高铁地震的成像和反演提供基础。

青海门源6.4级地震兰新高铁沿线强震数据分析

基于2016-01-21青海门源6.4级地震,通过分析高铁沿线台站强震数据的峰值加速度、峰值速度和仪器烈度值表明,将实时仪器烈度值作为高铁地震监控系统的报警参数受场地条件影响较小。利用沿线台站近高铁和远高铁监测点的谱比值来解释局部复杂场地条件对峰值加速度的影响,通过比较台站计算与设计的反应谱来预测高铁地震台站附近的桥梁震害情况。

高铁震源地震信号的挤压时频分析应用

我国每天有数千趟高铁列车驰骋在纵横交错的高铁线路上,构成了十分理想的均布震源,但寻找适合高铁震源地震信号的处理方法是充分挖掘信息的关键.传统的频谱分析结果表明高铁震源所产生的地震信号具有明显的窄带分立谱特征,但无法精确获得高铁震源地震信号的时频变化规律.本文首次将挤压时频分析这种分析工具引入到高铁震源地震信号处理中,对中国南方某高铁沿线采集到的高铁震源地震数据进行了分析.处理结果表明:利用挤压时频分析能够更加精确地刻画频率成分随时间的变化,能够利用单检波器精确刻画高铁列车的运行状态(匀速、加速等);同时利用挤压时频变换还可高精度地重构出所需频带的信号,为提取高铁震源地震信号的特征成分提供了一种有力工具.

高铁震源地震信号的稀疏化建模

我国每天有数千趟高铁列车运行在两万多公里的高铁线路上,不但会引起高铁路基的振动,还会激发出地震波.地震检波器所接收到的数据中不仅包含窄带分立谱特性的高铁震源地震信号,还包含宽频带特性的背景信号.如何实现从检波器所接收到的高铁震源地震数据中分离出高铁震源地震信号和宽频带背景信号是准确利用该类信号的关键.考虑到高铁震源地震信号与宽频带信号在频率域明显的形态特征差异,本文首次将形态成分分析这种信号分离手段引入到高铁震源地震信号处理中,实现高铁震源地震信号的稀疏化建模并进而实现从接收数据中分离出高铁震源地震信号以及宽频带背景信号.对北京大学在中国南方某高铁沿线采集到的大量高铁震源地震数据进行处理,结果表明:采用形态成分分析并结合分块坐标松弛算法,能够实现实际采集高铁震源地震数据中的高铁震源地震信号和宽频带信号的分离.

高铁地震波场中的多普勒效应及应用

通过理论分析,提出铁路高架桥桥墩的周期性分布将会在高铁地震波场的特殊频率中产生多普勒效应,同时还分析了这种多普勒效应对波场频谱特征的影响,分析结果在河北省容城县实际高铁地震波场记录中得到了验证.研究还发现,具有显著多普勒效应的波场成分沿传播方向振动,且传播速度单一,显示这部分波场以P波震相为主.进一步地,提出了一种基于多普勒效应的测速方法,并对该地区沿铁轨的介质波速进行了尝试性测量,测量结果显示出高度的一致性和稳定性.

高铁列车通过高架桥桩基础激发地震波响应分析

当高铁列车行驶通过高架桥时,其激发和传播地震波的机制与行驶在地面上时的高铁列车是不同的,同时,高铁地震波的波传播机制也因地面条件而异.本文结合前期工作,研究高铁列车行驶通过高架桥(高架桥系统)时高铁地震波的激发机制,给出改进的震源时间函数,并对非对称性弹性波动方程下的合成高铁地震记录的响应特征和影响因素进行研究,以更好地利用高铁列车这一可重复的移动震源进行浅层地质构造成像和反演以及开展工程防护研究.本文应用非对称性弹性波动方程进行高铁地震波数值模拟,结合高铁实际数据,研究分析高铁列车运行速度,地层微孔缝隙特征尺度参数,检波器位置,震源类型,深度衰减系数等多种因素对合成高铁地震记录的影响,给出以下结论:(1)高铁列车运行速度的增大将使得合成地震记录的持续时间减小,振幅能量增强,同时幅频响应的能量逐渐集中在3 Hz、10 Hz和30 Hz附近.(2)地层微孔缝隙特征尺度参数的增大将使得合成地震记录出现衰减,且主要影响20 Hz以上的频率成分.(3)岩土介质对高铁地震波传播的影响显著.(4)高铁地震波以“分级点火”的形式激发,使用Ricker子波作为震源所得的合成地震记录与实际数据匹配较好.(5)随着震源衰减的增大,将使得合成地震记录出现全频带的衰减.