一種基于WSNs的地震層析成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地質(zhì)勘探、地震監(jiān)測與診斷領(lǐng)域，特別涉及一種基于WSNs結(jié)合地球物 理專業(yè)知識領(lǐng)域的地震層析成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù)地球物理學(xué)知識可知，地震發(fā)生時會產(chǎn)生很多種類型的波，其中P波會首先 到達(dá)地球表面，因此如何快速地識別P波并捕獲之，然后拾取其初至?xí)r間，根據(jù)P波的識別 和初至?xí)r間來進(jìn)行地震的檢測和預(yù)警，在地球物理學(xué)界已經(jīng)形成共識，并有比較長的研宄 歷史。
[0003] 傳統(tǒng)的方法主要是通過地震儀來捕獲地震信號，并對捕獲的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處 理，存在以下幾點不足：①滿足不了實時處理、現(xiàn)場處理的要求；②不同的地震儀之間獨立 工作、相互之間協(xié)同性比較差，很難保證數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性；③實現(xiàn)不了對地下地質(zhì)體的實 時層析成像，更實現(xiàn)不了實時地顯示成像的結(jié)果，甚至地下地質(zhì)體動態(tài)變化情況；④傳統(tǒng)方 法是采用數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一處理的模式，必將遇到大數(shù)據(jù)處理的瓶頸問題。
[0004] 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，簡稱WSNs)技術(shù)的日趨成熟， 大范圍、大面積監(jiān)控地質(zhì)對象的需求完全可以實現(xiàn)；另外，由于傳感器節(jié)點計算能力的顯著 提高，使基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的地震層析成像技術(shù)的實現(xiàn)完全成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于現(xiàn)有地震監(jiān)測、地震層析成像技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種效率更高、實現(xiàn)成 本更低，能夠滿足實時、現(xiàn)場處理要求的基于WSNs的地震層析成像方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于WSNs的地震層析成像方法，包括如下步驟：
[0008] ①用傳感器捕獲地震信號，通過工作于傳感器節(jié)點上的軟件算法首先對地震信號 進(jìn)行濾波處理，然后進(jìn)行P波檢測、P波識別和P波初至?xí)r間拾取，傳感器節(jié)點把拾取后的P 波初至?xí)r間轉(zhuǎn)發(fā)給基站；
[0009] ②所有捕獲到P波的傳感器節(jié)點聯(lián)合在一起進(jìn)行地震震源定位計算；
[0010] ③基站根據(jù)地下地質(zhì)體超立方體仿真輔助模型、地震射線穿越地下地質(zhì)體的數(shù)學(xué) 模型對地震射線的傳播軌跡進(jìn)行跟蹤；
[0011] ④通過求解上述數(shù)學(xué)模型獲得能夠等價描述地下地質(zhì)體之物性參數(shù)的解，用最終 的解實現(xiàn)圖像重構(gòu)及層析成像。
[0012] 在步驟①中，所述對地震信號進(jìn)行濾波處理、P波檢測、P波識別的具體方式為： 首先對地震信號進(jìn)行卡爾曼濾波處理，衰減環(huán)境噪聲，提高地震信號的信噪比；在此P波 檢測、P波識別的具體方式提供三種方法：方法一，把地震信號看成沿時間軸展開的時間序 列，用時間序列的異常檢測來發(fā)現(xiàn)和識別P波；方法二，根據(jù)地震信號包括頻譜、相移、信號 短時窗能量、信號長時窗能量、P波發(fā)生的地理位置在內(nèi)的屬性特征，通過對這些屬性進(jìn)行 訓(xùn)練，用人工智能、模式識別的方法進(jìn)行P波的識別；方法三，對地震信號用低通濾波器進(jìn) 行濾波，根據(jù)信號處理結(jié)果進(jìn)行P波識別。
[0013] 在步驟①中，所述P波初至?xí)r間拾取的具體方式為：在P波檢測、P波識別的同時， 如果是用時間序列異常檢測的方法進(jìn)行P波識別，則檢測到異常的時刻就為P波的初至?xí)r 間；如果用人工智能、模式識別的方法進(jìn)行P波識別，則識別P波的時刻視為P波初至?xí)r間； 如果用信號處理的方法進(jìn)行P波識別，假設(shè)捕獲到的地震信號服從泊松分布，對其進(jìn)行最 大似然估計計算，根據(jù)地震波到達(dá)時信號發(fā)生變化的時刻確定P波初至?xí)r間。
[0014] 在步驟②中，所述地震震源定位計算的具體方式為：計算所有捕獲到P波的傳感 器節(jié)點所監(jiān)測的圓形覆蓋區(qū)域的重疊部分之幾何中心，即為地震震源的位置。
[0015] 在步驟③中，所述地下地質(zhì)體超立方體仿真輔助模型為：包含多個小立方體，每一 個獨立的小立方體代表一個地質(zhì)體，通過多個小立方體的組合仿真任意形狀和大小的地下 地質(zhì)體的組成和結(jié)構(gòu)；布局在地表的多個傳感器節(jié)點組成WSNs，通過WSNs定位地震震源并 估算其深度，并在模型中標(biāo)記地震震源；用地震震源到傳感器節(jié)點之間的連線表示地震射 線的傳播軌跡。
[0016] 在步驟③中，所述地震射線穿越地下地質(zhì)體的數(shù)學(xué)模型為：As=t，其中，A是地震 射線從上一個地質(zhì)體穿越到下一個地質(zhì)體時所經(jīng)過的距離，s是地震射線在穿越該地質(zhì)體 時的速度的倒數(shù)，t是穿越該地質(zhì)體所用的時間。
[0017] 在步驟④中，所述圖像重構(gòu)及層析成像的具體方式為：求解每一個地震震源向外 發(fā)散出的多根地震射線傳播軌跡的數(shù)學(xué)模型，得到每一根地震射線所穿越每一個地下地質(zhì) 體時的"S"，在此"S"是一個與地質(zhì)體密度有密切關(guān)系的參數(shù)，根據(jù)每一層的"S"來重構(gòu)圖 像，達(dá)到層析成像的效果。
[0018] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：
[0019] 與傳統(tǒng)的通過事后處理地震數(shù)據(jù)的層析成像方法相比較，本發(fā)明基于WSNs的地 震層析成像方法，在傳感器節(jié)點之間的協(xié)同性、同一時間所采集的數(shù)據(jù)對同一事件的描述 的可靠性、計算平臺的計算能力等方面都有顯著地提高，從而滿足實時成像、現(xiàn)場成像的應(yīng) 用需求，并能顯示地下地質(zhì)體在地震時的動態(tài)變化情況。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點將在下面【具體實施方式】部分的描述中給出，部分將從下面的描述中 變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0021] 圖1是用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs)進(jìn)行地震層析成像的原理示意圖。
[0022] 圖2是傳感器節(jié)點的工作原理圖。
[0023] 圖3是地下地質(zhì)體超立方體仿真輔助模型。
[0024] 圖4是工作于基站的層析成像軟件的計算過程。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進(jìn)一步說明。
[0026] 本發(fā)明是一種利用WSNs進(jìn)行地震層析成像的方法，其實現(xiàn)原理如圖1所示。主要 步驟包括：①通過傳感器捕獲地震信號，通過工作于傳感器節(jié)點上的軟件首先對地震信號 進(jìn)行濾波處理，然后進(jìn)行P波檢測、P波識別和P波初至?xí)r間拾取，傳感器節(jié)點把拾取后的p波初至?xí)r間轉(zhuǎn)發(fā)給基站；②所有捕獲到P波的傳感器節(jié)點聯(lián)合在一起進(jìn)行地震震源定位計 算；③基站根據(jù)地下地質(zhì)體超立方體仿真輔助模型、地震射線穿越地下地質(zhì)體的數(shù)學(xué)模型 對地震射線的傳播軌跡進(jìn)行跟蹤；④通過求解上述數(shù)學(xué)模型獲得能夠等價描述地下地質(zhì)體 之物性參數(shù)的解，用最終的解實現(xiàn)圖像重構(gòu)及層析成像。
[0027] 本發(fā)明的實現(xiàn)需要依賴一個完整的平臺，平臺從整體上而言，由感知層、無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)和工作于基站的層析成像軟件三層體系結(jié)構(gòu)組成，即平臺包括硬件和軟件兩大部 分。
[0028] 布局在地表的傳感器組成了平臺的感知層，負(fù)責(zé)采集地震信號；無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)；基站負(fù)責(zé)存儲各種模型，并由工作于基站的層析成像軟件進(jìn)行地 震震源定位、地震射線的傳播軌跡跟蹤、圖像重構(gòu)相關(guān)的計算。
[0029]用"BeagleboneBlackBoard(BBB) " 與"MSP430F6779" 相結(jié)合的方式設(shè)計傳感器 節(jié)點，如圖2所示。MSP430F6779的接口電路部分與GPS定位、Xbee通信、SDMicro存儲卡 以及Geophone傳感器等連接，中間件層軟件工作于BeagleboneBlackBoard(BBB)，主要完 成的工作包括：P波識別、P波檢測、P波初至?xí)r間拾取和參與地震震源定位計算，并把拾取 后的P波初至?xí)r間轉(zhuǎn)發(fā)給基站。
[0030] 一、P波識別、P波檢測和P波初至?xí)r間拾取。
[0031] 傳感器捕獲到的地震信號，根據(jù)不同的傳感器工作原理，可以是電壓或磁場能量 或加速度大小等不同的物性參數(shù)，但不論是哪一種性質(zhì)的信號，首先用卡爾漫濾波法濾除