一种震动区域判定方法及系统

本发明属于涉及地震定位技术，特别是一种震动区域判定方法及系统。

背景技术：

随着科技的发展，震动定位技术不再仅仅局限于对自然地震的监测。在一些其他领域如军事、民用安防等方向，都有着广泛的应用。震动定位的方法有很多，如常被用于无源定位的基于目标信号到达时间的定位方法(toa)、基于目标信号到达角度法(aoa)和基于目标信号到达时间差法(tdoa)，以及一些基于机器学习的方法等。在一些震动定位的应用中，需要判定震源是否在所观测的震动区域内。例如在某些系统中，震源位于监测范围外时是没有意义的。故判定未知震源产生的震动发生在监测范围内还是监测范围外是必不可少的。当判定震动目标位于监测范围外时，系统可以仅做到提示或者不进行任何处理。当震动目标进入到监测范围内部时，就需要系统进行其他操作。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种震动区域判定方法及系统，用以判断未知震源产生的震动是否发生在相应监测范围内。

本发明是这样实现的，

一种震动区域判定方法，该方法包括：

获取监测范围内的地震波速；

获取监测范围内一个或多个矩形震动区域顶点处的到时，

根据地震波速与四个顶点两两之间的到时差，得到同一个震动区域内每两个顶点与未知震源之间的距离差；

采用距离差与对应震动区域的边长计算震点与相邻两个顶点所形成的三角形的面积；

比较同一震动区域内四个三角形面积与所属震动区域面积的一半的大小；

根据大小的比较结果，判断未知震源产生的震动发生在该震动区域外或内。

进一步地，当存在一个三角形面积大于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域外；

当存在四个三角形面积均小于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域内；当存在一个三角形面积等于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域的边界上。

进一步地，当判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域外时，判断该震动区域四个顶点的到时大小，得到到时最短的两个顶点，确定两个顶点所在矩形的边，并确定未知震源在区域外的方向。

进一步地，采用距离差与对应震动区域的边长计算震点与相邻两个顶点所形成的三角形的面积包括采用海伦公式计算三角形面积，再将其转换为距离差的形式。

进一步地，一个监测范围多个相同尺寸的震动区域进行拼接覆盖，拼接后，每个震动区域根据计算结果独立判定该未知震源的震动是否发生在本震动区域中，如在，则表示未知震源位于本震动区域。

一种震动区域判定系统，该系统包括：

波速采集模块，获取监测范围内的地震波速；

到时采集模块，获取监测范围内一个或多个矩形震动区域顶点处的到时，

处理模块，根据地震波速与四个顶点两两之间的到时差，得到同一个震动区域内每两个顶点与未知震源之间的距离差；

采用距离差与对应震动区域的边长计算震点与相邻两个顶点所形成的三角形的面积；比较同一震动区域内四个三角形面积与所属震动区域面积的一半的大小；并根据大小的比较结果，判断未知震源产生的震动发生在该震动区域外或内。

进一步地，所述处理模块还用于判断当存在一个三角形面积大于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域外；当存在四个三角形面积均小于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域内；当存在一个三角形面积等于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域的边界上。

进一步地，所述处理模块还用于当判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域外时，判断该震动区域四个顶点的到时大小，得到到时最短的两个顶点，确定两个顶点所在矩形的边，并确定未知震源在区域外的方向。

进一步地，采用距离差与对应震动区域的边长计算震点与相邻两个顶点所形成的三角形的面积包括：采用海伦公式计算三角形面积，再将其转换为距离差的形式。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明可以通过对矩形震动区域相应面积计算判断出一个未知震源所产生的震动是否发生在该震动区域内。根据各个震动区域的情况可得知该震动是否发生在整个监测范围内。本发明可作为地面震动定位方法单独使用，亦可结合其他地面震动定位算法同时使用，用以判断未知震源产生的震动是否发生在相应监测范围内。如发生在相应监测范围内时可确定未知震源震动具体发生在哪个震动区域中。一种适合的震动区域判定方法往往决定着许多震动定位系统的可靠性，使其在实际应用中更加出色。

附图说明

图1为本发明实施例提供的目标震动出现在震动区域内示意图；

图2为本发明实施例提供的目标震动出现在震动区域外示意图；

图3为本发明实施例提供的一种震动区域拼接方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种震动区域判定方法，该方法包括：

获取监测范围内的地震波速；

获取监测范围内一个或多个矩形震动区域顶点处的到时，到时指的是当地震发生时，所产生的地震波传递至震动区域顶点时间，这里的震动区域可以为一个，也可以为多个尺寸相同或者尺寸不同的矩形；在监测范围布置一个或者多个。当尺寸相同时，多个震动区域是形成阵列结构。形成的阵列纵横方向的矩形数量可以相同或者不同。

根据地震波速与四个顶点两两之间的到时差，得到同一个震动区域内每两个顶点与未知震源之间的距离差；其他的震动区域也做同样的计算，在一个震动区域内地震波速与两两之间的到时差的乘积可以得到距离差。

采用距离差与对应震动区域的边长计算震点与相邻两个顶点所形成的三角形的面积；

比较同一震动区域内四个三角形面积与所属震动区域面积的一半的大小；

根据大小的比较结果，判断未知震源产生的震动发生在该震动区域外或内。

本发明需利用地面采集站对震动信号进行采集数据，根据数据对未知震源产生的震动信号进行计算处理。在每个顶点放置一个检波器作为采集道，利用采集道阵列将整个区域分成两部分：监测范围外和监测范围内。需要判定未知震源产生的震动是发生在监测范围外，还是监测范围内的某个具体震动区域中。此处定义每四个采集道(检波器)构成一个矩形震动区域。四个采集道分别位于一个矩阵的顶点处。

采用距离差与对应震动区域的边长计算震点与相邻两个顶点所形成的三角形的面积包括：采用海伦公式计算三角形面积，再将其转换为距离差的形式。利用海伦公式计算上述四个三角形的面积并转换为三角形两两边距离差的形式。通过各采集道间的到时差与地震波速相乘得到每两个采集道与震源之间的距离差。将距离差带入求出四个三角形的面积并通过上述逻辑，即可判别未知震源震动出现在震动区域的内外，及发生在哪个震动区域。海伦公式如下将四个三角形的面积并转换为三角形两两边距离差的形式：参见图1所示，

做连接矩形各顶点采集道a,b,e,d与震动发生点o(假设)的四条线段ao,bo,eo,do长度分别为a,b,e,d，且矩形两边长ab＝de＝c1,ad＝be＝c2为任意值；

做oh1垂直矩形ad边于h1、oh2垂直矩形be边于h2如图1，设dh1＝eh2＝x,ah1＝bh2＝c2-x。可得：

d²-x²＝a²-(c2-x)²(1)

e²-x²＝b²-(c2-x)²(2)

那么(1)-(2)得：

a²-b²＝d²-e²(3)

利用和差化积公式并整理得：

由(4)式可得：

将a用各顶点采集道距离震源距离之差，即a,b,d,e之差的形式表示：

将b表示为a与a,b之差的形式：

b＝a+(b-a)(7)

由海伦公式，三角形aob的面积为：

将(7)代入(8)得：

整理得：

将(6)代入(10)替换2a得：

整理得：

此时式(12)已将三角形面积化为距离差的形式，根据测定的波速v乘以到时差所得的各个到时差得到：d-a，e-a，b-a，a-b，d-e五个距离差(为常数)并带入式(12)即可得到三角形aob的面积；

同理可计算另外三个三角形doe，aod与boe的面积；

用得到的四个三角形的面积与矩形面积的一半即进行比较，

当存在一个三角形面积大于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域外；

当存在四个三角形面积均小于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域内；当存在一个三角形面积等于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域的边界上。

当判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域外时，判断该震动区域四个顶点的到时大小，得到到时最短的两个顶点，确定两个顶点所在矩形的边，并确定未知震源在区域外的方向。

具体地：当四个三角形都使时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域内；

当存在一个三角形使时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域的边界上；

当存在一个三角形使时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域外。

如图2所示，未知震源出现在震动区域内外的计算方式一样，仅得到的面积值有所不同。

当未知震源产生的震动发生在该震动区域外时，可通过比较四个采集道数据的到时，找到到时最小的两个采集道。确定该两道所在矩形的边，进而确定未知震源在区域外的方向即震动区域的de,ab,ad,be(上，下，左，右)边外。

一个确定监测范围可用上述的多个震动区域进行拼接覆盖(相邻两震动区域可共用两个采集道)，如图3。拼接后，每个震动区域根据计算结果独立判定该未知震源的震动是否发生在本震动区域中。如在则表示未知震源位于本震动区域，不在则不做任何处理。

入侵震动目标位于具体震动区域的判断方法如下：

1.当所有震动区域判定未知震源在自身区域外，则未知震源出现在监测范围外；

2.当一个震动区域判定未知震源在自身区域内，其他所有震动区域判定未知震源在自身区域外，则未知震源出现在该震动区域内；

3.当两个震动区域判定未知震源在自身区域其中一边上，其他所有震动区域判定未知震源在自身单元外，则未知震源出现在两个震动区域的分界线上。

该方法可作为地面震动定位方法单独使用，亦可结合其他地面震动定位算法同时使用，用以判断未知震源产生的震动是否发生在相应监测范围内。如发生在相应监测范围内时可确定未知震源震动具体发生在哪个震动区域中。一种适合的震动区域判定方法往往决定着许多震动定位系统的可靠性，使其在实际应用中更加出色。

本发明提供一种震动区域判定系统，该系统包括：

波速采集模块，获取监测范围内的地震波速；

到时采集模块，获取监测范围内一个或多个矩形震动区域顶点处的到时，采集采集道的信号。

处理模块，根据地震波速与四个顶点两两之间的到时差，得到同一个震动区域内每两个顶点与未知震源之间的距离差；

采用距离差与对应震动区域的边长计算震点与相邻两个顶点所形成的三角形的面积；比较同一震动区域内四个三角形面积与所属震动区域面积的一半的大小；并根据大小的比较结果，判断未知震源产生的震动发生在该震动区域外或内。

处理模块还用于判断当存在一个三角形面积大于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域外；当存在四个三角形面积均小于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域内；当存在一个三角形面积等于所属震动区域面积的一半时，判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域的边界上。

处理模块还用于当判定为未知震源产生的震动发生在该震动区域外时，判断该震动区域四个顶点的到时大小，得到到时最短的两个顶点，确定两个顶点所在矩形的边，并确定未知震源在区域外的方向。

采用距离差与对应震动区域的边长计算震点与相邻两个顶点所形成的三角形的面积包括：采用海伦公式计算三角形面积，再将其转换为距离差的形式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。