一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法

本发明涉及海底地震波探测与分析领域，尤其是一种基于小波变换的海底地震波时频分析技术。

背景技术：

1、时至今日，海底地震及其次生灾害海啸仍然是对人类造成人员伤亡和经济损失最严重的自然灾害之一。随着经济的发展，沿海地区的人员密度越发密集，经济体量越发庞大。一旦沿海地区遭遇海底地震及海啸的危害，后果不堪设想，不仅会使经济受到重大损失，也会严重危害人民的生命财产安全。因此，对海底地震波的准确且可靠的识别，对做好后续的灾害预警工作具有重大的意义。

2、海底地震波识别的方法就是利用地震波信号和海洋自然振动信号在时域、频域、振幅及统计特性上的不同，将地震波信号从自然振动信号中区分出来。在以往的分析方法中，通常采用傅里叶变换的方法，但傅里叶变换只有“频域”上的结果，因此无法从时域上对海底地震波进行分析和识别。而小波变换能够同时对“时域”和“频域”两个方面进行分析，弥补了傅里叶变换不能进行时域分析的缺点。因此有必要提出了一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，以实现对海底地震波的探测与识别。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，通过对海底地震波信号中的时频特征进行提取，可以实现对海底地震波信号的识别，提取出需要的海底地震波信号。识别信号误差小，对杂波识别清晰。可应用于海底地震波的监测和识别。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，包括以下步骤：

3、步骤1：选取目标物体落地时所激发的海底地震波以及其附近振动加速度采样点，其中，加速度离散采样点用于对激发的海底地震波进行小波分解；

4、步骤2：利用步骤1中得到的加速度连续采样点，对激发的海底地震波进行傅里叶变换，得到带宽和中心频率；

5、步骤3：基于步骤2所得到的带宽和中心频率，对时域上的加速度进行小波变换，得到小波系数；

6、步骤4：基于步骤3所得到的小波系数，对激发地震波进行小波变换；

7、进一步的，在步骤1中，加速度离散点的采样数据定义为：

8、t＝[t1,t2,t3,......,tn] (1)

9、p＝[p1,p2,p3,......,pn] (2)

10、式(1)中，t为时间采样点的数据集合；n为采样点数；

11、式(2)中，p为加速度的采样数据集合；n为采样点数。

12、时间采样点的长度由落地过程持续时间来判断，时间采样的持续时间应包括整个落地振动过程；加速度尺度的采样长度则根据时间采样长度来确定，所采样的加速度尺度应包含整个振动过程中的所有加速度的变化。

13、进一步的，在步骤2中，对得到的数据组进行傅里叶变换，

14、

15、式(3)中,x(ω)为离散傅里叶变换后的函数，signal(pn)为加速度采样点的数据组信号。

16、进一步的，根据傅里叶变换后得到的频谱图，可以确定采集到信号的中心频率和带宽。

17、进一步的，步骤3中，对加速度进行小波变换，选用的小波函数为复morlet小波，小波基函数表达式为：

18、

19、式(4)中，为小波基函数，f0为小波的中心频率，ω0为小波频率，a为小波尺度因子，b为小波时移因子。

20、根据所获得的数组，确定小波变换中所得到的尺度因子和时移因子。

21、得到小波系数的表达式为：

22、

23、

24、式(5)中，w(p,t)为小波变换函数，为小波基函数，signal(pn)为加速度采样点的数组信号。

25、式(6)中，|w(p,t)|为小波系数，wr(p,t)为小波变换函数的实部，wi(p,t)为小波变换函数的虚部。

26、进一步的，在步骤4中，对海底地震波信号进行小波变换，得到小波变换时频分布图，具体方法为：

27、对步骤1中的采样数据点进行插值处理，令

28、t'＝[t'1,t'2,t'3,......,t's] (7)

29、

30、式(7)中，t'为对原数据组的临近插值。

31、式(8)中，p's为原数据组的线性插值。

32、对式(7)(8)所产生的新数据组进行小波变换，定义为：

33、

34、式(9)中，ws(p,t)为新生成后的小波变换函数；

35、进一步的，根据新生成后的小波变换函数可以构建出海底地震波的时频图，可以做到对海底地震波的成分提取分析。

36、因此，本发明所采用的一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，具有在海底背景噪声条件下，能清晰准确的对海底地震波进行时频分析，提取出有效波，从而达到识别海底地震波的作用。

技术特征：

1.一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，其特征在于：分析方法如下所述：

2.根据权利要求1所述的一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，其特征在于：在步骤1中，加速度采样点的数据组定义为：

3.根据权利要求1所述的一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，其特征在于：步骤2中对得到的数据组进行傅里叶变换，可定义为：

4.根据权利要求1所述的一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，其特征在于：步骤3中对加速度进行小波变换，选用的小波函数为复morlet小波，小波基函数表达式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，其特征在于：步骤4中海底地震波进行小波变换的具体方法为：

技术总结一种基于小波变换的海底地震波时频分析方法，具体包括以下步骤：步骤1，选取目标物体落地时所激发的海底地震波以及其附近振动加速度采样点。其中，加速度离散采样点用于对激发的海底地震波进行小波分解；步骤2，利用步骤1中得到的加速度连续采样点，对激发的海底地震波进行傅里叶变换，以获得带宽和中心频率；步骤3，基于步骤2中获得的带宽和中心频率，对时域上的加速度进行小波变换，从而得到小波系数；步骤4，基于步骤3中得到的小波系数，对激发的海底地震波进行小波变换。本发明提出的海底地震波时频分析方法，通过提取海底地震波信号的时频特征，准确识别海洋环境中的海底地震波与其他噪声，并为海底地震波的探测与分析提供了一种有效的方法。技术研发人员：刘盛春,张昕伟,郑博,刘子耕,李昂,陈雪峰受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23