基于高阶局部最大值同步挤压变换的浅埋隧道地表高铁振动信号时频与衰减特征分析

1

作者 贾宝新 翟紫薇 +3 位作者 张晶 周志扬 苑文雅 郑克楠 《岩土力学》 北大核心 2025年第1期337-352,共16页

为解决浅埋隧道上覆地表采集到的高铁振动信号底噪丰富的问题,提出一种适用于浅埋隧道上覆地表高铁振动信号降噪的高阶局部最大值同步挤压变换方法。首先,引入高阶调制算子推导高阶估算瞬时频率,结合局部最大值同步挤压变换推导出高阶... 为解决浅埋隧道上覆地表采集到的高铁振动信号底噪丰富的问题,提出一种适用于浅埋隧道上覆地表高铁振动信号降噪的高阶局部最大值同步挤压变换方法。首先,引入高阶调制算子推导高阶估算瞬时频率,结合局部最大值同步挤压变换推导出高阶局部最大值同步挤压变换,通过数值模拟多分量加噪信号验证该方法的抗噪性;随后,对高铁振动信号进行相关时频分析、处理,对比验证高阶局部最大值同步挤压变换的降噪效果和适用效果;最后,基于此方法对高铁振动信号的时频及衰减特征进行分析。研究可为隧道场地高铁振动信号提供一种谱精度高、降噪效果好的时频分析方法,并为隧道场地中高铁振动的环境影响研究提供理论分析基础。 展开更多

关键词 高铁振动信号 高阶局部最大值同步挤压变换 时频分析 降噪效果 衰减特征

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基于变分模态分解的采空区“三带”微震信号能量衰减规律 被引量：1

2

作者 贾宝新 郑克楠 周琳力 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期991-1002,共12页

为探明微震信号能量在采空区“三带”结构中的衰减规律,拟开展采空区覆岩相似模型试验,采集人工激发微震波经由采空区结构传播的微震信号,通过变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)处理微震信号,获取各频率下模态分量。针... 为探明微震信号能量在采空区“三带”结构中的衰减规律,拟开展采空区覆岩相似模型试验,采集人工激发微震波经由采空区结构传播的微震信号,通过变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)处理微震信号,获取各频率下模态分量。针对采空区微震信号在VMD下各模态分量中心频率与能量之间的关系展开分析。根据中心频率法确定微震信号最佳模态数量,并计算微震信号欠分解状态、最佳分解状态、过分解状态下各分量能量;对各震源下信号最佳分解状态时各模态分量能量与中心频率分布关系进行拟合,分析在“三带”结构中,微震信号不同传播状态下各结构层对信号能量影响作用。研究结果表明:(1)在VMD过程中,人工激发震动信号有效模态数量在6~11范围内,微震信号能量随模态数量变化明显。(2)采用幂函数可实现对微震信号模态能量与频率关系的拟合,且拟合状态良好(决定系数大于0.9),其中低频模态分量包含能量占信号总能量近50%;采用高斯函数可以拟合震源各分量能量在频域上的分布表现,拟合状态较好,且表现出高斯单峰特征。(3)微震信号穿越采空区“三带”结构,微震信号能量随震源位置与传感器距离增加而减小,同时信号能量随震源位置到达传感器穿越岩层数量增加而减小,信号能量在经由垮落带时,能量变化明显,相较于裂隙带和弯曲下沉带,垮落带对信号能量衰减作用明显。 展开更多

关键词 变分模态分解(VMD) 微震信号 信号频率特征 信号能量衰减 采空区“三带”结构

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隧道-土-桥桩相互作用体系振动台试验与数值模拟研究 被引量：1

3

作者 路沙沙 赵东旭 +2 位作者 白举科 刘少栋 尹航 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第1期168-181,共14页

以大连实际工程为背景,通过振动台试验研究了双隧道-砂土-桥桩系统在地震作用下的动力相互作用(SSSI),得到结构、场地的动力响应规律,并与ABAQUS数值模拟结果进行对比。数值模型引入Kelvin本构模型子程序,利用等效线性方法处理砂土在计... 以大连实际工程为背景,通过振动台试验研究了双隧道-砂土-桥桩系统在地震作用下的动力相互作用(SSSI),得到结构、场地的动力响应规律,并与ABAQUS数值模拟结果进行对比。数值模型引入Kelvin本构模型子程序,利用等效线性方法处理砂土在计算过程中的非线性问题。将试验结果与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上设计了8种工况,通过对比分析研究了体系内各结构之间的相互作用规律。结果表明,隧道会放大桥桩、临近隧道的峰值加速度,而桥桩却会对侧穿隧道的峰值加速度起到减弱作用;隧道与桥桩的存在均会增大彼此的截面剪力与弯矩,其中受影响的区域主要集中在隧道上下拱,桥桩的桩底与桩-土交界面。 展开更多

关键词 结构-土-结构相互作用 振动台试验 数值模拟 动力响应 放大系数

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断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

4

作者 赵扬锋 丁玲 +2 位作者 王学滨 樊艺 荆刚 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期973-990,共18页

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。... 为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明:(1)侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56º断层,45º断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。(2)声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量(能量、分形维数、频谱幅值)均呈现明显的“突增”特性。(3)声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元信号的相互补充与验证。 展开更多

关键词 斜交断层 黏滑 声发射 电荷感应 时频特征

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白砂岩相似材料配比试验及特性分析 被引量：11

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作者 贾宝新 苑文雅 +2 位作者 马超义 刘丰溥 张建俊 《地下空间与工程学报》 CSCD 北大核心 2022年第2期503-512,共10页

岩爆已成为隧道工程中的常见灾害,物理模型试验是模拟和解决岩爆问题的一种有效科学手段。制作物理模型,材料选取和配比是关键。选取成昆铁路峨米段月直山隧道白砂岩为模拟对象配制白砂岩相似材料,引入弹性能指数、脆性指数和剩余弹性... 岩爆已成为隧道工程中的常见灾害,物理模型试验是模拟和解决岩爆问题的一种有效科学手段。制作物理模型,材料选取和配比是关键。选取成昆铁路峨米段月直山隧道白砂岩为模拟对象配制白砂岩相似材料,引入弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,采用正交设计法配比相似材料,结合影响因素敏感性分析法对试验结果进行分析研究。以石英砂、铁粉、石膏、水泥、缓凝剂和减水剂为主要材料,选取石英砂含量、铁粉含量、石膏水泥比和砂子粒径4个影响因素,每个因素设定4个设计水平,一共16组配比方案。测定每组试验方案材料的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,对比分析这些指数随着4个影响因素的变化规律。最终挑选出合理的材料配比方案,得到满足要求的白砂岩相似材料。试验结果表明:基于弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,配制出的材料能够满足白砂岩相似材料模型试验的要求;以水泥作为胶结材料可以使相似材料峰后曲线变缓,有效增加材料储能能力;预配制出中等强度岩爆倾向性白砂岩相似材料的关键是要合理地控制好石英砂的含量和石膏水泥比两个因素,再根据实际情况调节铁粉含量和石英砂粒径大小。 展开更多

关键词 白砂岩 相似材料 正交设计 弹性能指数 脆性指数 剩余弹性能指数

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高温下岩石损伤本构模型及其验证 被引量：9

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作者 贾宝新 陈国栋 刘丰溥 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第S02期63-73,共11页

为完善高温条件下的岩石损伤本构模型及参数确定方法,基于有效应力理论,引入Weibull分布函数,在微元体强度服从Hoek-brown准则的条件下,考虑残存强度影响,对损伤变量修正,引入损伤修正系数,建立了能够反映高温作用下的岩石损伤特征统计... 为完善高温条件下的岩石损伤本构模型及参数确定方法,基于有效应力理论,引入Weibull分布函数,在微元体强度服从Hoek-brown准则的条件下,考虑残存强度影响,对损伤变量修正,引入损伤修正系数,建立了能够反映高温作用下的岩石损伤特征统计本构模型。考虑岩石损伤过程中的损伤阈值因素,对本构模型采用分段函数的形式。通过试验,获取常规力学参数,依据本构模型参数求解过程,确定本构模型参数值,并拟合模型参数值与温度之间的关系。对模型理论曲线进行验证。结果表明:提出的高温岩石统计损伤本构模型理论曲线与试验曲线具有较好地相似性,更加贴近试验曲线,体现了本构模型的合理性。同时模型理论曲线与岩石三轴试验曲线具有较高的吻合度,说明本构模型能够反映出岩石的全应力-应变曲线特征,能够体现出模型的适用性。模型为岩石强度的估算和岩石热损伤软化问题提供了参考。 展开更多

关键词 高温 分段函数 模型参数 Weibull分布函数 HOEK-BROWN准则

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加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征影响研究 被引量：2

7

作者 陈浩 贾宝新 +1 位作者 刘丰溥 周琳力 《地震工程与工程振动》 CSCD 北大核心 2023年第3期239-248,共10页

为研究加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征的影响,应用高频微震监测设备,开展不同瓦斯压力条件下煤体不同加载速率加载破坏全过程高频微震监测试验。由试验可得:随着加载速率的提高,煤体试件抗压强度增大、破坏时间减少、弹性模... 为研究加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征的影响,应用高频微震监测设备,开展不同瓦斯压力条件下煤体不同加载速率加载破坏全过程高频微震监测试验。由试验可得:随着加载速率的提高,煤体试件抗压强度增大、破坏时间减少、弹性模量与软化模量也随之增加,煤体冲击倾向性增大;与之相较,瓦斯压力的提高,煤体试件抗压强度降低、破坏时间增加、弹性模量与软化模量降低,冲击倾向性减小。HHT变换得到不同瓦斯压力和不同加载速率下煤体试样破坏微震信号边际谱。通过频谱分析得到:随着加载速率的提高,微震信号的中心频率和优势频率降低;随着瓦斯压力的提高,微震信号的中心频率和优势频率增大。煤岩破裂信号的频率与强度无关,与试样破坏方式和裂隙的发育有关。冲击地压和瓦斯突出发生时,均可以改变煤岩裂隙的发育形式,因此,煤岩破裂信号频率特征可以作为矿井动力灾害特征差异的研究。 展开更多

关键词 动力灾害 微震信号差异 HHT变换 瓦斯压力 加载速率

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基于等效质点峰值振动速度的高铁线路周边建筑结构振动评价研究 被引量：1

8

作者 贾宝新 周志扬 +1 位作者 苑文雅 张晶 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第9期2696-2706,共11页

高速铁路列车运行过程中产生的振动波对沿线建筑结构的影响不可忽视,适用于高速铁路线路周边建筑结构的振动评价方法具有重要工程意义。首先,基于萨道夫斯基公式与简谐激励作用下建筑结构响应的原理,建立了等效质点峰值振动速度(peak pa... 高速铁路列车运行过程中产生的振动波对沿线建筑结构的影响不可忽视,适用于高速铁路线路周边建筑结构的振动评价方法具有重要工程意义。首先,基于萨道夫斯基公式与简谐激励作用下建筑结构响应的原理,建立了等效质点峰值振动速度(peak particle vibration velocity,简称PPV)计算式;随后,开展现场土体监测试验,分析了振动信号质点峰值振动速度的衰减特征,并通过小波包变换分析振动信号的频带能量特征,理论计算得出了等效PPV;最后,以现有交通振动作用下建筑容许振动值为评价标准,进行高速铁路线路周边建筑结构的振动安全评价。结果表明:除局部放大程度显著的位置外,高架桥桥墩地基中高铁振动波质点峰值振动速度衰减公式对实际质点峰值振动速度的整体拟合结果较好;基于等效PPV的振动评价方法发现,在振源距45 m处,G924次列车的0~10 Hz等效PPV值大于1 mm/s,超过了振动敏感和具有保护价值建筑的振动容许值;与现有振动评价相比,等效PPV的振动评价方法具有振动敏感性大、可针对特定建筑结构进行振动控制、可在高铁线路周边建筑选址前进行振动评价等优点。 展开更多

关键词 振动评价 质点峰值振动速度(PPV) 监测试验 频带能量 振动敏感性

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基于变步长加速搜索的微震源定位方法 被引量：3

9

作者 贾宝新 李峰 +1 位作者 潘一山 周琳力 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期843-856,共14页

微震定位方法是微震监测技术的重要组成部分,其关键是定位震源位置。利用空间网格划分并计算网格交点目标函数值,对微震定位目标函数二维及三维空间分布进行了分析,并据此获取了目标函数连续且极小值唯一、单轴收敛范围逐步减小、各轴... 微震定位方法是微震监测技术的重要组成部分,其关键是定位震源位置。利用空间网格划分并计算网格交点目标函数值,对微震定位目标函数二维及三维空间分布进行了分析,并据此获取了目标函数连续且极小值唯一、单轴收敛范围逐步减小、各轴收敛范围不一的规律。利用以上规律及模式搜索法、网格搜索法的优缺点,探索出了基于连续比较模块、变步长模块、加速模块的变步长加速搜索法。通过模拟算例与工程数据下收敛稳定性、结果精确度、计算速度以及参数初始值影响程度4个指标的效果对比,结果表明:模拟算例下,对比模拟退火算法、遗传算法,变步长加速搜索法的目标函数值标准差、定位误差标准差、波速误差标准差均为0;该算法的定位误差平均值分别为其余二者的0.7%、1.9%;该算法的计算时间平均值分别为其余二者的6.9%、33.2%。该算法单独更改各参数对定位误差的影响在0.005~0.025 m之间;减小搜索步长下限可有效提高结果精确度,并增加相应的计算时间。在规定初至到时与目标函数模型及检波器位置坐标下,搜索算法对定位精度无实质影响。 展开更多

关键词 微震定位 空间图像 变步长加速搜索法 模拟退火算法 遗传算法

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基于线性方程-Adam算法的微震震源定位研究 被引量：1

10

作者 赵扬锋 赵伟 +1 位作者 王进铭 潘一山 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第11期63-70,共8页

为了提高矿山微震震源定位精度及定位稳定性,提出线性方程-Adam定位方法。通过仿真模型实验分析各参数对定位结果的影响,最后利用柿竹园矿爆破实验和人工爆破实验验证该定位方法的定位精度及定位稳定性。研究结果表明:线性方程-Adam算法... 为了提高矿山微震震源定位精度及定位稳定性,提出线性方程-Adam定位方法。通过仿真模型实验分析各参数对定位结果的影响,最后利用柿竹园矿爆破实验和人工爆破实验验证该定位方法的定位精度及定位稳定性。研究结果表明:线性方程-Adam算法在2个实验中的定位误差分别约为3.9,8.2 m,相较于提到的其他算法,其定位精度均提高了30%以上。研究结果可为矿震震源反演定位提供参考。 展开更多

关键词 微震定位 线性方程-Adam算法 步长因子

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循环荷载作用下煤岩电荷感应与微震信号变化规律

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作者 赵扬锋 丁玲 +1 位作者 刘玉春 李兵 《水资源与水工程学报》 CSCD 北大核心 2023年第5期172-182,共11页

为进一步提高深部地下工程中煤岩失稳破坏监测预警的针对性和准确性,采用自主研发的多通道电荷感应和微震综合监测系统,监测和分析在不等幅循环荷载作用下煤岩变形破裂过程中电荷感应和微震信号的时、频特性和能量特征,并与单轴压缩实... 为进一步提高深部地下工程中煤岩失稳破坏监测预警的针对性和准确性,采用自主研发的多通道电荷感应和微震综合监测系统,监测和分析在不等幅循环荷载作用下煤岩变形破裂过程中电荷感应和微震信号的时、频特性和能量特征,并与单轴压缩实验进行对比。结果表明:循环荷载下煤岩在不同阶段的电荷感应和微震信号各具特点,卸载段会产生较多微破裂和损伤,煤样在发生多裂纹贯穿劈裂破坏前会频繁出现峰值较小的电荷感应信号,需特别注意。对微震信号傅里叶变换进行频谱分析,发现微震信号频谱特征能够很好地反映煤样内部裂隙的扩展状态,并且主频幅值的增高与微震信号的增强具有同步性。采用电荷感应和微震信号共同划定煤岩的受载阶段,可以得到更加准确的失稳预警信息。 展开更多

关键词 煤岩失稳破坏 循环荷载 电荷感应 微震信号 时频特征

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采空区覆岩波速模型及微震源定位方法 被引量：1

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作者 周琳力 贾宝新 +1 位作者 潘一山 包鑫阳 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期2049-2064,共16页

为构建煤矿小尺度区域微震波传播速度模型,提高矿井含采空区复杂地质结构内微震源定位精度。依据矿山采空区覆岩“三带”岩层变形、层面离层、层内断裂和裂隙发育以及岩体扩容等特征,构建圆弧层面波速模型,分区描述采空区覆岩波速结构... 为构建煤矿小尺度区域微震波传播速度模型,提高矿井含采空区复杂地质结构内微震源定位精度。依据矿山采空区覆岩“三带”岩层变形、层面离层、层内断裂和裂隙发育以及岩体扩容等特征,构建圆弧层面波速模型,分区描述采空区覆岩波速结构。并提出采用考虑岩层变形特征的微震波绕射传播路径增量和基于时间平均方程的裂隙岩层波速折减进行波速模型修正。基于层状均匀介质假设和斯奈尔定律,推导微震波传播路径和走时计算公式,并计算各传播方向上的异向等效波速。基于到时理论定位原理,选择以实测到时差与理论走时差之差构建震源求解目标函数,采用模式搜索算法进行震源位置求解。形成了基于采空区覆岩异向波速模型的微震源定位方法。通过三维算例和煤矿地面微震监测定位应用,验证了所提方法的可行性与定位效果。研究表明:①由于煤矿地质环境中采空区遍布和微震波经由采空区传播的必然性,针对煤矿含采空区复杂地层结构特征,建立相应的异向波速模型,是提高矿山环境下微震源定位精度的关键;②采空区覆岩波速模型充分考虑了岩层形态、离层、断裂、裂隙发育和岩体扩容等对微震波传播路径和等效波速的影响,并通过定量确定微震波传播绕射路径增量和岩层波速折减,宏观表现出采空区地层结构的典型波速异向特征;③针对分层介质下的震源定位,在三维算例中选用异向等效波速模型的定位方法相较于全局平均波速模型,定位结果的平均误差由9.7558 m降至0.4186 m,有效降低了定位误差;④以矿井大能量微震事件的井下微震定位结果为参照,在现场地面微震监测中应用采空区覆岩波速模型,得出该模型定位结果较待定波速而言更接近现场调查结果中确定的煤岩体破裂影响范围。综上,对于依赖波速模型的定位方法,根据地质结构特征建立相应的异向波速模型是高效开展微震监测,提高微震源定位精度的突破点之一。 展开更多

关键词 矿山微震监测 波速模型 斯奈尔定律 采空区 微震定位

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基于质量寻优与归一化STA/LTA方法的微震P波到时拾取技术研究 被引量：11

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作者 赵扬锋 王进铭 +3 位作者 潘一山 王学滨 赵伟 樊艺 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第8期1610-1625,共16页

微震信号P波初至拾取是微震数据处理的关键步骤之一。为了实现微震信号P波初至到时的精确拾取,针对微震信号不同信道各时段受噪声污染程度不同的特点,使用归一化后的信噪比、信号的明显程度和信号初至起跳点的明显程度叠加的信噪指数代... 微震信号P波初至拾取是微震数据处理的关键步骤之一。为了实现微震信号P波初至到时的精确拾取,针对微震信号不同信道各时段受噪声污染程度不同的特点,使用归一化后的信噪比、信号的明显程度和信号初至起跳点的明显程度叠加的信噪指数代替单一信噪比来量化微震信号的质量。以信噪指数作为判定条件选取质量较高的信号作为输入来提高P波到时准确度,设计一种基于质量寻优与归一化STA/LTA方法的微震P波初至到时拾取算法(QONSL方法)。为了验证该方法的可行性和有效性,分别对测试数据和阜新市五龙矿微震监测数据进行处理。对测试数据的处理结果表明,在量化微震信号的质量时,信噪指数比信噪比更准确,且信噪指数越大,到时拾取结果越接近准确到时。对阜新市五龙矿三分向数据处理结果表明,QONSL方法可以通过信噪指数快速锁定信号质量较高的信号通道并快速拾取微震P波初至到时,综合120个微震信号的到时拾取结果来看,与准确到时的误差保持在5 ms之内,将86个微震事件的到时误差控制在2 ms以内。与STA/LTA算法相比,QONSL算法拾取精度整体提升72%,整体误差范围波动减少75%。QONSL方法受噪声影响较小,具有较高的拾取效率和精度,可为煤层水力压裂、矿山动力灾害实时监测以及后续的微震自动高精度定位计算提供参考。 展开更多

关键词 采矿工程 微震 P波到时 到时拾取 信噪指数 STA/LTA QONSL方法

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