[发明专利]一种面向预警的地震信号压缩感知采集传输方法

说明书

本发明提供了一种面向预警的地震信号压缩感知采集传输方法，包括地震捡拾、强震信号分帧处理、强震信号的压缩采样、观测值输出、信号重构和输出几个步骤；方法定期对重构的信号进行评价，适时选择相应的观测矩阵和稀疏基，提高信号采用和重构的可靠性；方法在压缩冗余数据的同时，节省了系统在数据采集端和通信端的资源耗费，提高了预警效率。

技术领域

本发明涉及地震信号检测与预警技术领域，尤其涉及一种面向预警的地震信号压缩感知采集传输方法。

背景技术

地震时严重威胁人类生命财产安全的自然灾害之一，常常造成严重的建筑物破坏与人员伤亡，并引发火灾、水灾、管道泄漏、细菌和放射性物质扩散，以及山体滑坡、海啸、崩塌以及地裂缝等次生灾害。大震发生后在很短的时间内释放出大量的能量，几十秒甚至是几秒之内就造成毁灭性的破坏。随着全球都市化的发展，城市逐渐成为政治、经济、文化、社会活动的中心，并且城市人口密度大、建筑物多，突发性的地震给城市造成了严重的威胁。地震的发生与否不受人类的控制，这是地震和许多其它自然灾害的共同特征。由于地震孕育和发生的过程极度复杂，目前不能获得可靠的短期地震预报。世界各国已经把地震减灾措施的重点放在了提高建筑抗震能力、地震预警和地震应急救援等方面。

在地震发生后，如果在断层破裂初期就能利用P波识别地震的最终规模，那么在破坏性的S波到达前，将地震预警信息通过电信号发送到即将遭受地震袭击的预警目标区。这样接收到预警信息的地区就可以预先采取减灾措施。地震预警可在地震发生后，破坏性地震波到达前，提供数秒至数十秒的预警时间，并采取相应应急处置措施，是近年来新发展起来的减轻地震损失、降低地震次生灾害、减少人员伤亡的有效手段。目前在日本、美国、墨西哥、土耳其、中国等都建立了较成熟的地震预警系统。

地震预警系统其主要流程是通过数据采集、数据传输、数据处理及分析判断等步骤实现，数据采集环节观测到的地震数据输送到数据处理环节进行加工，削弱噪声的干扰，提高地震信号的信噪比和分辨率，降低地震信号失真度，以便得出较为精确的预警结果。由于地震预警系统观测台网的数量不断增加，采集的数据呈几何级数增长，而地震预警对于数据的时效性要求较高，采集的数据与数据传输速度之间存在着矛盾。常见的地震台网数据采集基于经典的奈奎斯特采样定理；从数据处理流程上来看，现有的地震观测方法是将实时的采样数据经过完整采集记录后再进行传输，采集的数据中存在冗余度，采集过程会消耗大量系统资源，而且对采集的数据进行压缩和传输，更是消耗了相当的系统资源，为数据的记录和实时传输带来了较大压力。如在采样的同时进行信号的压缩，则可以消耗较低的系统资源实现信号的采集、传输和重构。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种在采集地震信号的同时对地震信号进行压缩，降低采集的数据中的冗余度，并可靠还原该地震信号的面向预警的地震信号压缩感知采集传输方法。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种面向预警的地震信号压缩感知采集传输方法，包括如下步骤：

S1：地震预警系统对采集的信号中含有噪音的原始强震信号进行分帧处理，在兼顾计算效率的同时还提升信号恢复的效果，相邻的帧之间无重叠，得到分帧处理后的强震信号x；

S2：对分帧处理后的强震信号x进行压缩采样，构建基于压缩感知的强震信号x的模型：令Ψ为稀疏基；Ψ'是稀疏基Ψ的转置矩阵；x是含噪音的分帧原始强震信号，x不是稀疏的；a是x在稀疏基Ψ的稀疏表示向量，a是稀疏的，a＝Ψ'x；Φ为与稀疏基Ψ不相关的观测矩阵，则有：

y＝Φa＝ΦΨ'x；y为x在观测矩阵Φ下的低维观测向量；

S3：完成压缩采样后得到低维观测向量y后，低维观测向量y送入地震预警系统的通信发送缓冲中，并被在接收端存入接收缓冲；每隔K帧，地震预警系统的发送缓冲还将一帧分帧处理后的原始强震信号的发送到系统的接收缓冲中；

S4：信号接收压缩采样后的强震信号和原始强震信号，并对压缩采样后的强震信号进行重构；重构算法为：