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.

基于高铁震源简化桥墩模型激发地震波的数值模拟

高铁列车运行过程中绝大部分时间都是行驶在高架桥上的,高铁列车经过桥梁时,通过与大地耦合的桥墩激发地震波发震过程和平地不完全一样.本文探索高铁列车行驶经过高架桥桥墩,通过桥墩对地下介质激发地震波的机理及过程.为了便于理论分析,文中将高铁列车简化为在高架桥上沿一个方向运动的移动线源,通过每节车厢前后组轮对,对每一个桥墩施加力的作用,而桥墩插入地面几十米深至围岩,与表层土壤和深层围岩双重耦合,由此给出高铁列车通过桥墩激发地震波的震源时间函数.同时,基于广义连续介质力学框架下的修正偶应力理论,推导包含介质特征尺度的弹性波动方程,并应用此弹性波动方程以及构建的高铁震源时间函数,采用优化的交错网格有限差分算法,实现数值模拟,将合成的地震记录与实际地震记录对比分析,其结论将为进一步的基于高铁震源的成像和反演研究提供理论依据.

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。

高铁震源地下介质成像的理论分析

文章对使用高铁源的逆时偏移成像(reverse time migration,RTM)方法进行了理论研究,分析了高铁主动源的干涉场对成像结果的影响.当高铁运行于高架桥上时,离散的等间隔桥墩使得在不同频率对应的一些特定角度上形成近似球面波传播的稳定干涉波场.这些角度附近是相干相位的稳相区,通过叠加可以压制成像中相干噪声的影响.由此提出了使用高铁源进行偏移成像的方法,并通过二维与三维的声波方程数值模拟证实了这种方法的可行性.为了压制高铁源子波与串扰噪声的影响,采用了最小二乘法对成像结果进行迭代处理,获得了更加清晰的成像结果.最后,对不同速度的高铁震源得到的成像结果进行叠加,拓宽了频带范围,有效克服了高铁震源分立谱特征的限制.