一种近海岸地震动信号采集系统及检测方法
阅读说明：本技术 一种近海岸地震动信号采集系统及检测方法 (Offshore earthquake motion signal acquisition system and detection method ) 是由 周求湛 胡继康 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种近海岸地震动信号采集系统及检测方法,根据近海岸地震动信号震源、传播介质和信号采集三个方面的特性分析结果,设计一种近海岸地震动信号采集系统完成大量地震动信号的实地采集工作,并以采集到的近海岸地震动信号作为研究基础,开展信号的预处理、特征分析提取、特征向量构建及地震动信号检测模型的建立、检测和验证工作,最后根据验证效果和各类条件下地震动信号的时域和时频域分析结果,得到近岸浪周期性、近岸浪强度、传播介质类别、传播介质温、湿度及采集节点部署方式等六类环境因素对近海岸地震动信号的影响分析,为下一步融合其他目标探测技术和近海岸UGS的实地应用奠定了理论和应用基础。(The invention provides an offshore earthquake motion signal acquisition system and a detection method, which designs the offshore earthquake motion signal acquisition system to complete the field acquisition work of a large number of earthquake motion signals according to the characteristic analysis results of an offshore earthquake motion signal source, a propagation medium and signal acquisition, and the collected offshore earthquake motion signals are used as a research foundation, the preprocessing of the signals, the feature analysis and extraction, the feature vector construction and the establishment, the detection and the verification of an earthquake motion signal detection model are carried out, and finally, the influence analysis of six environmental factors such as the periodicity of near-shore waves, the intensity of the near-shore waves, the type of a propagation medium, the temperature and the humidity of the propagation medium, the deployment mode of collection nodes and the like on the offshore earthquake motion signals is obtained according to the verification effect and the time domain and frequency domain analysis results of the earthquake motion signals under various conditions, so that a theory and an application foundation are laid for the next step of fusing other target detection technologies and the onshore UGS.)
技术领域
本发明涉及周界安防领域，具体涉及一种近海岸地震动信号采集系统及检测方法。
背景技术
近海岸地区由于海浪、海风及天气情况复杂多变，地质结构组成复杂，空气湿度和盐度较高等因素环境较为恶劣，目前并没有一种成熟、高效、检测率稳定准确的近海岸边界入侵探测技术。根据技术对比，地震动信号目标探测技术受近海岸环境影响最小，但是单独应用很难实现入侵目标的精准分类和定位，可以将地震动信号目标探测技术作为预警检测，以此为基础通过UGS系统融合其他探测技术进一步实现精准识别，这种探测方法能够满足近海岸目标探测要求。地震动信号目标探测技术是这种探测方法的应用基础，而目前国内外并没有关于近海岸地震动信号预警检测的相关研究和应用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种近海岸地震动信号采集系统及检测方法。
一种近海岸地震动信号采集系统，包括地震动信号采集节点、数据采集卡以及数据采集终端；所述地震动信号采集节点包括动圈式振动传感器、低噪声调理电路和防水采集节点外壳，所述低噪声调理电路用于对所述动圈式振动传感器感知到的地震动信号进行降噪、放大和滤波处理；所述数据采集卡用于对所述地震动信号采集节点的震动数据进行采集；所述数据采集终端预装LabVIEW、MATLAB以及数据采集卡驱动程序，并搭载近海岸地震动信号采集软件，用于地震动信号的采集设置、分析处理及存储。
优选的，所述数据采集卡选用NI公司的USB 6218采集卡。
优选的，所述近海岸地震动信号采集软件包括实验条件设置、采集参数设置、地震动信号采集控制及实时波形显示四个区域；其中，实验条件设置区域用于实现信号采集环境和条件参数的记录功能，为后期地震动信号的处理和分析提供有效参考；采集参数设置区域具备信号存储地址、采样频率及采集信道设置的功能，可实现多路振动传感器串联信号采集；地震动信号采集控制区域具备地震动信号采集、停止、保存及删除功能；实时波形显示区域用于实时显示地震动信号的时域波形。
优选的，所述近海岸地震动信号采集软件利用LabVIEW和MATLAB混合编写，主要使用NI公司的DAQ工具箱来控制串行输入总线完成数据的传输，通过NI的数据采集模块、数据存储模块、LabVIEW的信号处理和显示模块、MATLAB的信号处理模块和高阶谱分析工具包协同实现近海岸地震动信号采集系统的整体功能。
优选的，所述低噪声调理电路包括放大器、滤波器、电压转换电路以及基准电压电路。
一种采用上述采集系统进行近海岸地震动信号检测的方法，主要包括以下步骤：
(1)、完成近海岸地震动信号的震源、传播介质和信号采集三个方面的特性分析；
(2)、根据特性分析结果设计适用于近海岸环境的地震动信号采集系统；
(3)、利用设计的近海岸地震动信号采集系统完成近海岸地震动信号的数据采集；实地采集时，根据近海岸地震动信号震源、传播介质和信号采集方面的特性分析结果，按照不同传播介质种类、不同海浪和海风强度、人员距采集节点不同距离、传播介质不同温度和湿度以及采集节点不同部署方式的采集要求分别进行环境噪声和人员行走地震动信号采集；
(4)、以采集到的地震动信号数据为基础，完成近海岸地震动信号的最优阈值降噪、特征分析提取以及地震动信号检测模型的搭建、检测和验证：首先通过仿真对比阈值降噪方法的各类阈值规则、小波基和阈值函数的实际降噪效果，选择无偏风险估计阈值规则、利用db小波基和硬阈值函数的最优阈值降噪方法；然后利用时域、频域、时-频域分析方法对各种类型的信号特征进行分析提取，构建不同传播介质的地震动信号特征向量，建立特征向量样本库；最后利用Logistic回归模型和一种优化随机梯度算法搭建不同传播介质的地震动信号检测模型并利用实地采集数据进行验证；
(5)、根据验证结果完成近岸浪周期性、近岸浪强度、传播介质种类、传播介质温度、传播介质湿度及采集节点部署方式六类环境因素对地震动信号的影响分析。
优选的，步骤(2)中所述的设计适用于近海岸环境的地震动信号采集系统包括：选用动圈式振动传感器作为地震动信号采集节点的振动传感器，同时设计低噪声调理电路和防水采集节点外壳，并进行淋水、浸水试验，然后搭配数据采集卡和数据采集终端完成硬件设计；最后利用LabVIEW和MATLAB混合编程编写地震动信号采集软件，完成近海岸地震动信号采集系统设计。
优选的，所述传播介质为细沙、粗砂、砾石三类。
优选的，步骤(4)中所述的Logistic回归模型根据现有数据对分类边界建立回归公式，并以此进行分类；其回归公式为：
式中，x表示一个d维的特征向量[7 8]，并且有：
本发明的有益效果是：
1、根据近海岸地震动信号震源、传播介质和信号采集三个方面的特性分析结果，设计了一种适用于近海岸环境的地震动信号采集系统：针对近海岸环境特点对地震动信号采集节点进行低噪声、低功耗和防水设计；数据采集终端预装LabVIEW、MATLAB以及数据采集卡驱动程序，并搭载近海岸地震动信号采集软件，能对近海岸地震动信号进行采集设置、分析处理及存储。
2、利用上述近海岸地震动信号采集系统完成大量地震动信号的实地采集工作，并以采集到的近海岸地震动信号作为研究基础，开展信号的预处理、特征分析提取、特征向量构建及地震动信号检测模型的建立、检测和验证工作，最后根据验证效果和各类条件下地震动信号的时域和时频域分析结果，得到近岸浪周期性、近岸浪强度、传播介质类别、传播介质温度、传播介质湿度及采集节点部署方式等六类环境因素对近海岸地震动信号的影响分析，为下一步融合其他目标探测技术和近海岸UGS的实地应用奠定了理论和应用基础。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例中低噪声调理电路的电路原理图；
图2为本发明实施例中近海岸地震动信号采集软件的界面示意图；
图3为本发明实施例中地震动信号检测模型的流程框图；
图4为本发明实施例中信号特征提取示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种近海岸地震动信号采集系统，包括地震动信号采集节点、数据采集卡以及数据采集终端。
地震动信号采集节点包括动圈式振动传感器、低噪声调理电路和防水采集节点外壳。动圈式振动传感器为无源振动传感器，具有频率覆盖范围广、体积小、结构简单、售价低廉、性能稳定等优点。低噪声调理电路如图1所示，包括放大器、滤波器、电压转换电路以及基准电压电路，能对动圈式振动传感器感知到的地震动信号进行降噪、放大和滤波处理，有效提升检测精度。防水采集节点外壳需进行淋水、浸水试验，以保证采集节点内部能始终保持干燥，满足近海岸环境使用要求。
数据采集卡选用NI公司的USB 6218采集卡对地震动信号采集节点的震动数据进行采集。USB 6218采集卡具有32路模拟单端输入通道，采样率最高可达250kS/s，16位分辨率，能够提供模拟I/O、数字输入、数字输出和两个32位计数器；同时还采用信号流技术，提供了类似DMA的USB双向高速数据传输功能，随附的NI DAQmx驱动程序和配置实用程序能够大幅简化系统配置和测量过程，满足地震动信号的采集要求。
数据采集终端预装LabVIEW、MATLAB以及USB 6218采集卡驱动程序，并搭载近海岸地震动信号采集软件，用于地震动信号的采集设置、分析处理及存储。近海岸地震动信号采集软件利用LabVIEW和MATLAB混合编写，主要使用NI公司的DAQ工具箱来控制串行输入总线完成数据的传输，通过NI的数据采集模块、数据存储模块、LabVIEW的信号处理和显示模块、MATLAB的信号处理模块和高阶谱分析工具包协同实现近海岸地震动信号采集系统的整体功能。
近海岸地震动信号采集软件如图2所示，主要包括实验条件设置、采集参数设置、地震动信号采集控制及实时波形显示四个区域。其中，实验条件设置区域用于实现信号采集环境和条件参数的记录功能，具体包括采集人员、地点、信号类型(环境噪声、人员正常活动、人员特定活动)、入侵方式、入侵目标类型、土壤条件、天气等参数，可以为后期地震动信号的处理和分析提供有效参考。采集参数设置区域具备信号存储地址、采样频率及采集信道设置的功能，可实现多路振动传感器串联信号采集。地震动信号采集控制区域具备地震动信号采集、停止、保存及删除功能。实时波形显示区域则能够实时显示地震动信号的时域波形。
一种采用上述采集系统进行近海岸地震动信号检测的方法，主要包括以下步骤：
(1)、完成近海岸地震动信号的震源、传播介质和信号采集三个方面的特性分析。
(2)、根据特性分析结果设计适用于近海岸环境的地震动信号采集系统。首先选用动圈式振动传感器作为地震动信号采集节点的振动传感器，同时设计低噪声调理电路和防水采集节点外壳，并进行淋水、浸水试验；然后搭配数据采集卡和数据采集终端完成硬件设计；最后利用LabVIEW和MATLAB混合编程编写地震动信号采集软件，完成近海岸地震动信号采集系统设计。
(3)、利用设计的近海岸地震动信号采集系统完成近海岸地震动信号的数据采集。实地采集时，根据近海岸地震动信号震源、传播介质和信号采集方面的特性分析结果，按照不同传播介质种类、不同海浪和海风强度、人员距采集节点不同距离、传播介质不同温度和湿度以及采集节点不同部署方式的采集要求分别进行环境噪声和人员行走地震动信号采集。通过多次信号采集实验，共采集各类型地震动信号数据124组，以满足研究需求。
(4)、以采集到的地震动信号数据为基础，完成近海岸地震动信号的最优阈值降噪、特征分析提取以及地震动信号检测模型的搭建、检测和验证。如图3所示，首先通过仿真对比阈值降噪方法的各类阈值规则、小波基和阈值函数的实际降噪效果，选择无偏风险估计阈值规则、利用db小波基和硬阈值函数的最优阈值降噪方法。然后利用时域、频域、时-频域分析方法对各种类型的信号特征进行分析提取(如图4所示)，构建细沙、粗砂、砾石三类传播介质的地震动信号特征向量，建立特征向量样本库。最后利用Logistic回归模型和一种优化随机梯度算法搭建细沙、粗砂、砾石三类传播介质的地震动信号检测模型并利用实地采集数据进行验证。
Logistic回归模型根据现有数据对分类边界建立回归公式，并以此进行分类；其回归公式为：
式中，x表示一个d维的特征向量[7 8]，并且有：
验证结果表明：细沙、粗砂介质地震动信号检测模型性能满足近海岸目标探测需求，砾石介质地震动信号检测模型经优化后也能够满足探测需求。
(5)、根据验证结果完成近岸浪周期性、近岸浪强度、传播介质种类、传播介质温度、传播介质湿度及采集节点部署方式六类环境因素对地震动信号的影响分析，从而为UGS地震动信号目标探测技术的近海岸实地应用奠定了应用基础。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。