一种基于弯曲波的冰上震源定位方法
阅读说明：本技术 一种基于弯曲波的冰上震源定位方法 (Method for positioning seismic source on ice based on bending waves ) 是由 张宇翔 高家辉 张浩男 马丁一 谢志南 殷敬伟 生雪莉 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于弯曲波的冰上震源定位方法,鉴于极地海冰垂向厚度与水平方向尺寸的巨大差异,以冰层声传播特点为基础,结合冰层弯曲波能量大、易检测的优势,使用希尔伯特-黄变换时频分析方法提取弯曲波频散曲线,获取弯曲波传播群速度。充分利用弯曲波的频散特征,通过弯曲波不同频率声能量的到达时间和波速差异,计算震源距离；结合三个检波器的位置及计算得到的三个距离,利用几何关系即可估计震源位置。本发明针对极地环境以及极地海冰中声传播特点提出一种冰上震源定位方法,以解决北极地区经济开发与潜在的目标定位需求。(The invention provides an on-ice seismic source positioning method based on bending waves, which is based on the ice layer sound propagation characteristics and combined with the advantages of large energy and easiness in detection of the ice layer bending waves in view of the huge difference between the vertical thickness and the horizontal dimension of polar sea ice, and the bending wave dispersion curve is extracted by using a Hilbert-Huang transform time-frequency analysis method to obtain the bending wave propagation group velocity. The method comprises the steps of calculating the distance of a seismic source by fully utilizing the frequency dispersion characteristics of bending waves and through the arrival time and wave velocity difference of acoustic energy of different frequencies of the bending waves; and (4) combining the positions of the three detectors and the three distances obtained by calculation, and estimating the position of the seismic source by utilizing the geometric relationship. The invention provides an on-ice seismic source positioning method aiming at the characteristics of sound propagation in polar environment and polar sea ice, so as to solve the economic development and potential target positioning requirements in the arctic region.)
技术领域
本发明涉及一种震源定位方法，尤其涉及一种基于弯曲波的冰上震源定位方法，属于极地声学技术领域。
背景技术
震源定位方法是指利用传感器记录的对应波形信号，基于不同弹性波的到达时间差异以及传播速度来确定震源方位及距离的技术。常规的震源定位方法均是针对体波(例如P波、S波)进行处理。例如，2021年公布的最新同类技术发明专利中《一种联合震源机制反演的地面微地震定位方法及系统》是基于体波速度模型及幅值反演震源位置；其他声学定位方法如《一种基于双麦克风的声源定位方法》、《基于四元正交麦克风阵列的稳健声源定位方法》等则以稳定的体波波速为先验信息，侧重于体波频率分析或阵列处理。
在面对冰上震源定位时，随着声传播介质特征的改变以及冰层波导的影响，以体波为基础的定位方法受到了限制。极地冰层呈宏观板状构型，冰上震源激励产生的体波在冰层上下表面多次反射、叠加后形成不同类型导波。由于弹性波能量从体波向导波的快速转化，远场体波能量远低于导波能量，导致实际波场中很难提取到体波。同时鉴于极地特殊的地理位置，同步卫星轨道难以覆盖两极地区，GPS同步授时不可用，而设备内部所使用芯片的守时误差虽小，但是在长期监测中会逐渐累积，逐渐产生大幅度同步误差，导致需要同步接收的阵处理方法定位不准确，无法基于弯曲波直接套用体波定位方法。因此上述基于体波的定位方法并不适用。
综上所述，现有的震源定位方法难以满足极地空投物资定位、冰上载具追踪以及潜艇破冰位置估计等极地冰上震源定位需求。因此，本发明针对极地环境以及极地海冰中声传播特点提出一种冰上震源定位方法，以解决北极地区经济开发与潜在的目标定位需求。
发明内容
本发明的目的是为了突破现有声学定位方法在面对极地海冰时适用性受限、实用性不足等缺点而提出的一种极地冰上震源定位方法。基于板状结构中弯曲波能量最大的先验知识，对冰层弯曲波频散特性进行充分利用，使用三个单分量检波器即可快速、灵活地实现对冰上震源位置的评估。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤1：检波器布放采集。将三个单分量检波器紧密耦合于冰层上表面，确保并记录其体姿与位置(xi,yi),i＝1,2,3，而后开启连续数据采集得到检波器分量信号Si；
步骤2：频散特性获取。通过主动激发震源，对已知震源的弯曲波信号进行希尔伯特-黄变换时频分析，结合已知震源的距离及激发时间信息，获取试验区域冰层频散曲线；
步骤3：震源距离估计。检波器持续采集数据，通过阈值搜索确定弯曲波的到达时间。对弯曲波数据重复步骤2中时频曲线提取，得到未知声源的弯曲波频散曲线；选取波速差异较为明显的两个频率f1、f2，记录其波达时间t1、t2。利用步骤3中f1、f2对应的群速度v1、v2结合波达时间，计算得到声源到三个检波器的距离L1,L2,L3；
步骤4：震源位置估计。三个检波器位置(xi,yi),i＝1,2,3，震源到三个检波器距离L1,L2,L3，利用几何关系及数学计算，得到震源位置(x,y)。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.步骤2具体包括：
(1)震源激发：在已知距离处主动激发脉冲震源，记录震源于检波器的距离L0和激发时间t0；
(2)时频曲线提取：提取任一检波器接收到的声源信号数据S，预处理后利用经验模态分解将弯曲波分解为N个本征模态函数信号；对N个信号进行希尔伯特谱提取处理后叠加，得到弯曲波的时频曲线H(ω,t)；
(3)频散曲线建模：选取时频曲线上的任一频率fn，并记录其到达时间tn；结合知声源的距离L0及发射时间t0，计算得到各频率的群速度vn，构建f-v的冰层频散曲线。
2.步骤三具体包括：
(1)弯曲波检测，以噪声平均幅值的4到7倍作为检测阈值，记为Am；对接收信号Si以阈值Am进行峰值搜索，确定弯曲波信号的到达；
(2)频散特征提取，重复步骤2，对弯曲波信号Si进行频散特征分析，得到希尔伯特谱Hi(ω,t)；
(3)震源距离估计，在希尔伯特谱Hi(ω,t)选取到达时间差别较为明显的两个频率f1、f2，记录其波达时间t1、t2(t1＜t2)；在得到的群速度曲线v(f)中，确定频率f1、f2的群速度v1、v2，通过下列计算公式得到震源距离Li：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：从理论角度出发，本发明结合极地冰声传播特点，利用弹性波导形成的弯曲波能量大、易检测的特点，从频散特征展开分析，构建了高度适用于冰层震源的定位方法；从工程应用角度出发，本发明涉及方法对于冰层声速受温度、环境影响的问题，可以通过已知震源的激发，实时调整各频率信号群速度，以降低环境因素影响。
附图说明
图1是本发明的一种冰层冲击信号定位方法的流程示意图；
图2是本发明的仿真已知冲击信号的时域波形图；
图3是本发明的仿真已知冲击信号的希尔伯特谱；
图4是本发明的模拟测试的设备布放示意图；
图5是本发明的仿真未知冲击信号的时域波形图；
图6是本发明的仿真未知冲击信号的希尔伯特谱。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1为本发明提供的一种对冰层冲击信号进行定位的方法流程示意图。鉴于极地海冰垂向厚度与水平方向尺寸的巨大差异，以冰层声传播特点为基础，结合冰层弯曲波能量大、易检测的优势，使用希尔伯特-黄变换时频分析方法提取弯曲波频散曲线，获取弯曲波传播群速度。充分利用弯曲波的频散特征，通过弯曲波不同频率声能量的到达时间和波速差异，计算震源距离；结合三个检波器的位置及计算得到的三个距离，利用几何关系即可估计震源位置。
本发明的具体步骤如下：
步骤1检波器布放采集详细描述为：将单分量检波器用水冻结在冰面上(或半埋在冰层中)，检波器固定过程中需调整检波器体姿保证检波器垂直于冰层表面。检波器固定完毕后，记录其位置(xi,yi),i＝1,2,3，开始采集，获得接收信号Si；
步骤2频散特性获取包括：
2.1：已知震源激发。在与检波器一相距L0处，使用重物砸击冰面作为脉冲震源激发，并记录激发时间t0，检波器接收到的信号为S0；
2.2：经验模态分解。对信号S0进行去均值处理得到x(t)，找出x(t)的所有极大特征值点，将极大值的最大包络线e+(t)和极小值的最小包络线e-(t)通过三次样条函数插值法对曲线进行拟合。最后将包络线求平均值即可得到均值包络m1(t)，即：
m1(t)＝(e+(t)+e-(t))/2
将原始信号的序列减掉m1(t)，就会得到一个新信号h1(t)，即：
h1(t)＝x(t)-m1(t)
若h1(t)为一个本征模态函数分量则停止分解。
一般h1(t)不是IMF分量信号，因此需要对h1(t)重复进行上述过程，直到符合IMF特征的定义要求，即所得到的均值趋向零为止。这样就获得原始信号的第一阶IMF分量c1(t)。
将c1(t)从x(t)中分出来即可得到一个新的信号r1(t)，即有：
r1(t)＝x(t)-c1(t)
为了进一步得到更低频率的分量信号，将r1(t)作为原始信号，重复上述过程得到第二个IMF分量c2(t)。重复n次，直到符合预先设定好的停止规则，最终得到N个IMF分量ci(t),i＝1,2…,N。
2.3：时频曲线提取。将得到的N个IMF分量分别进行希尔伯特变换后得出的结果如下：
其中，ak(t)为第k阶IMF分量的解析信号幅值，而ωk(t)为第k阶IMF分量的瞬时频率。将希尔伯特变换后得到的结果展开后便得出希尔伯特谱，公式如下：
最终通过希尔伯特谱表征出弯曲波的频散曲线。
2.4：群速度建模。通过希尔伯特谱H0(ω,t)获取每一个频率fn对应的到达时间tn。结合2.1中测量的声源的距离L0以及激发时间t0，由vn＝L0/(tn-t0)计算得到该频率的群速度，汇总得到频段的群速度曲线v(f)。
考虑到冰层声速受温度、冰厚影响较大，可重复步骤2来更新群速度曲线。
步骤3震源距离估计包括：
3.1：弯曲波检测。为了减少随机起伏干扰以噪声平均幅值的4到7倍作为检测阈值，记为Am。对接收信号Si以阈值Am进行峰值搜索，确定弯曲波信号的到达。
3.2：频散特征提取。重复步骤2.2、2.3，对弯曲波信号Si进行频散特征分析，得到希尔伯特谱Hi(ω,t)。
3.3：震源距离估计。在希尔伯特谱Hi(ω,t)选取到达时间差别较为明显的两个频率f1、f2，记录其波达时间t1、t2(t1＜t2)。在步骤2.4所得到的群速度曲线v(f)中，确定频率f1、f2的群速度v1、v2(v1＞v2)，通过下列计算公式得到震源距离Li。
步骤4震源位置估计详细描述为：假定声源位置为(x,y)，已知检波器的位置为(xi,yi),i＝1,2,3，震源距检波器的距离为Li，联立解方程组即可得到唯一确定的震源位置(x,y)，最终完成对冰层震源的定位。
下面通过仿真实例来对其进行进一步说明：
图2为作为已知信号的模拟冲击波形图，信号的发射时间为t0＝0s，与检波器的间距为L0＝200m。对Z分量中弯曲波信号进行频散特征提取，得到如图3。图3是该信号激发产生弯曲波的希尔伯特谱，表征了弯曲波的时频特性。表1给出了部分频率的弯曲波到达时间tn，以及计算vn＝L0/(tn-t0)得到的弯曲波波速vn。
表1弯曲波信号不同频率下的波达时间及波速
图4是模拟冰面未知震源位置估计的示意图，模拟震源的位置为(90,120)，三个检波器的位置为(0,0)、(90,0)、(0,120)。检波器(0,0)接收的未知震源波形图如图5所示，相比于已知震源信号，未知震源加大了噪声干扰。通过幅值搜索对(0,0)位置的检波器信号进行检测。弯曲波在图中截取数据段的0.06s被采集到，同样对于弯曲波信号进行频散特征提取，得到如图6所示的希尔伯特谱。从希尔伯特谱上提取频率f1＝150Hz、f2＝100Hz对应的波达时间t1＝0.07667s、t2＝0.09241s。结合表1中给出的波速信息v1＝1211.8m/s、v2＝1076.9m/s，由
计算得到震源距离为L1＝152.3m，同理计算得到L2＝122.6m，L3＝92.4m。
结合检波器位置，联立解方程组得到x＝91.3、y＝121.8。则震源位置估计为(91.3,121.8)，与预设实际位置(90,120)基本吻合，证明本发明方法能准确有效的估计冰上震源位置。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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