強干擾環(huán)境下有效數字地震信號的提取

肖本夫,萬永革,2,祁玉萍

(1.防災科技學院,河北 燕郊 101601;

2.中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

強干擾環(huán)境下有效數字地震信號的提取

肖本夫1,萬永革1,2,祁玉萍1

(1.防災科技學院,河北 燕郊 101601;

2.中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

城市擴張和人類活動所帶來的環(huán)境干擾已經越來越嚴重地影響到地震監(jiān)測,給地震參數的確定和其他地球物理研究造成不確定性。本研究以處于高環(huán)境噪聲的防災地震臺記錄的2008年5月12日汶川地震波形資料為例,給出如何采用數字信號處理手段從強干擾環(huán)境下提取到地震波有效信號,并按方位角和出射角方向對地震信號各分向信號進行了分解與組合,最后歸納出提取有效信號的一般過程。

強干擾;頻譜分析;數字濾波;射線坐標系

0 引言

我國地震臺站觀測最早始于19世紀末,主要作用是利用各種地震儀器進行地震觀測,同時地震臺站也是開展地震觀測和地震科學研究的基層機構,隨著科技的進步以及十五和十一五的建設,現(xiàn)在我國絕大部分的地震臺站都采用了數字化儀器,這對于提高國家的地震監(jiān)測能力及其研究水平具有十分重要的現(xiàn)實意義。

盡管與傳統(tǒng)的模擬地震臺站相比,數字地震臺站為震相識別的精度和可靠性創(chuàng)造了更為有利的條件,同時有效的數字地震信號也成為地震分析與研究中極其重要的資料,但是由于城市化的不斷向前推進,現(xiàn)在很多臺站的數字化記錄都受到了不同程度的環(huán)境噪聲干擾,這些干擾是各種隨機信號的疊加造成的,如汽車、火車、飛機的干擾、觀測人員走動的干擾等,具有不可預測性,這就使得有效數字地震信號的提取變得越來越困難。因此,研究強噪聲背景下地震信號的提取具有一定的現(xiàn)實意義,對于精確確定地震位置,并對地殼速度結構反演、地震精確目錄的構建以及地震預測研究均具有基礎意義。

1 臺站概況與地理環(huán)境

防災科技學院地震臺(以下簡稱“防災臺”)位于北緯 40.0°,東經 116.8°,高程 42.7m,臺址位置在首都圈范圍內,是燕山、太行山隆起的交匯部位,區(qū)內曾多次發(fā)生7級以上強烈地震[1]。防災臺記錄初期使用的是紙質模擬記錄儀,自1996年改用數字記錄儀,記錄所采用的數字地震儀CTS-1E甚寬頻帶地震計,該型號地震計具有寬頻帶(50Hz-120Sec)、高靈敏度、低噪聲等特點,在日常監(jiān)測中設置地震記錄采樣頻率為200Hz。

防災臺位于距天安門30km處的燕郊經濟技術開發(fā)區(qū),距離鐵道1500m,120國道1000m,西鄰燕靈路50m,南鄰學院街40m,高速鐵路、120國道是重要的交通命脈,燕靈路和學院街每天車水馬龍,汽車、機動三輪車來往頻繁。臺站附近多處建設施工工地。更為嚴重的是,校園內的學生體育活動、社團活動等也會嚴重影響地震觀測,因此該臺站是一個典型的多干擾的地震臺站。

2 噪聲干擾因素

結合臺站的位置和地理環(huán)境綜合分析,該臺數字地震記錄的可能的主要干擾因素來自于以下幾個方面:汽車的干擾、火車的干擾、建筑施工的干擾、實訓人員干擾。

其中汽車和建筑施工的干擾因為距離較近,故常常是不規(guī)則出現(xiàn)并且隨機性較強,同時其干擾在數字地震記錄上振幅較大;火車噪聲對周圍環(huán)境的影響除與噪聲源輻射噪聲聲級大小有關外,還與聲場分布特性、指向性、頻率特性以及線路周圍環(huán)境等諸多因素有關,同時火車運行噪聲會隨著垂直于線路方向的距離的增加呈對數規(guī)律衰減[2],在地震圖上體現(xiàn)為鼓出的鳥巢形波形段,并表現(xiàn)出頻帶較寬、重復性好、穩(wěn)定性好等特征[3-5]。而且因為火車的發(fā)車時刻是相對固定的,每天在燕郊火車站停留的火車車次分別為 4496、K7731、4495、K430,其到達時間分別為 11:09、09:08、16:07、12:25,故火車的干擾往往也會表現(xiàn)出一定的周期性;實訓人員干擾的隨機性最強,但是因為地震儀安置于較為封閉的環(huán)境之中,故其干擾常表現(xiàn)為小振幅、不規(guī)則的特征?？傮w來說,汽車、建筑施工和實訓人員的干擾常常是在白天較強,夜間較弱。

通過分析可以看出,本臺站的干擾因素之多是眾多臺站中少有的,對其進行噪聲去除研究對于其他有噪聲臺站有用信號的提取具有很強的借鑒意義,對于防災科技學院的教學也有很強的應用價值。

3 有效地震波數據的提取

以下使用防災臺對2008年5月12日汶川地震的記錄數據進行分析。

汶川大地震是繼唐山大地震之后損失和傷亡最為嚴重的一次地震,根據四川防震減災網發(fā)布的地震目錄,這次地震震中位于北緯31°、東經103.4°,對于防災臺方位角為46.87°,距離為14.08°,屬于遠震。此類地震的一般理論特征為震相復雜,初至震相為P波,但因為處于上地幔低速層的干擾下,P波極其微弱,各震相周期較大,面波較為發(fā)育1)孟曉春.地震學基礎知識.2004:78-79.。

從防災臺數字地震記錄的震相的三分向(圖1)中看出,其面波較為發(fā)育,但是 P波初動方向和到時根本無法確定,并且在UD向震相中出現(xiàn)大量的隨機信號干擾,振幅較大且地震持續(xù)時間難以判斷,在EW和NS分向也可以看到同樣的現(xiàn)象。經過分析可知,這主要是由于臺站周圍的干擾所引起的。因此我們需要分析汶川地震防災臺記錄的頻譜,采用快速傅里葉變換分析記錄的頻譜成分。

根據快速傅里葉分析可以看出(圖2),原始遠震地震信號中的10～14Hz高頻成分較多且振幅較大,已經將 P波初動的信號完全淹沒。另外,為了能夠清楚的看到主要頻率的分布范圍,在頻率域中筆者主要截取了0～25Hz范圍內的頻譜,可以看到在1Hz范圍內出現(xiàn)大量低頻段地震信號,在0.5Hz處數字地震信號的地震能量達到最大,不難判斷這是主震的頻率。

圖1 防災臺2008年5月12日汶川地震原始地震記錄三分向圖

圖2 防災臺2008年5月12日汶川地震垂直向振幅譜圖

針對頻譜分析的相關結論,要得到較為清晰的地震信息,筆者設計了 FIR低通數字濾波器,其主要參數為:通帶邊界歸一化頻率為1/100,濾波器階數為400,采樣間隔0.005s,采取了主瓣寬為8π/N(N為階數)、第一旁瓣相對主瓣衰減為-41dB的哈明窗[6],程序運行圖形如圖3,通過對濾波前和濾波后震相的對比,能夠明顯地觀察到濾波后地震信號的波列形態(tài)清晰,原始震相中各種高頻信號消失,同時P初動較為明顯,能夠判斷地震信號的持續(xù)時間。

圖3 防災臺2008年5月12日汶川地震濾波后信號

一般情況下的信號處理到此即可,但是作為一種探索,本文還考慮到發(fā)震地點的指北方向線與其到防災臺的方向線的順時針水平夾角(即方位角)與地震波相對于防災臺的出射角會改變地震波的到時和振幅的讀取,從而使得對地震的震級(能量)判斷出現(xiàn)誤差,如果能夠濾除這些影響,勢必會提高地震定位和震級的準確性,鑒于此影響,筆者將原始地震的三分向進行了分解,并按照出射角和方位角的方向進行了投影,設方位角為α,出射角為β,其中方位角α是根據震源和臺站的坐標的相對位置(震源坐標包括深度)計算得到,然后根據初步地球參考模型,計算震源到臺站的射線路徑的出射角β,原始震相的三分向分別為UD、EW、NE,重新組合后的三分向分別為r、sv、sh,那么其坐標系的轉換可以表述為[7]:

通過該坐標轉換,我們能夠將原始震相的地震能量按照出射角和方位角的方向進行新的組合,進而重新組合成新的震相三分量(圖4)。

從圖4左側兩圖不難看到,震相重新組合前后的P波初動方向均較為明顯并且P波到時也較為一致。雖然組合前后的震相的振幅相差較大,且重新組合后的信號能量更加集中,但是可以清楚的看到其振幅比也是較為一致的。因此,此種將震相三分量按照出射角和方位角的方向旋轉至r,sv,sh三分量方向的方法是可行的。

圖4 震相重新組合前后UD分向地震信號圖

4 結論和討論

綜上所述,在強干擾環(huán)境下進行有效數字地震信號提取的一般過程是:(1)結合地震臺站的周圍環(huán)境對地震信號中可能遇到的干擾以及造成干擾的原因進行初步的分析;(2)對數字地震信號進行頻譜分析,區(qū)分地震波信號與干擾信號的頻段,需注意高頻和低頻信號是相對于不同的研究對象來說的;(3)根據頻譜分析結果選擇并設計相應的濾波器進行數字濾波;(4)如果濾波后的信號不強的話,可以嘗試對原始信號的三分向坐標變換,通過對比三分向坐標變換前后的震相處理結果,最終選擇較為適當的處理結果。

強干擾環(huán)境下的數字地震信號中含有的頻率成分多、范圍廣,要從中提取出有效地震信號,就需要對其進行頻譜分析,再根據所需地震信號的頻率范圍選擇相應的濾波方式,那么在這個過程中,如果選擇的濾波范圍不當就有可能將真正有用的信號一并濾去,這是地震數據分析中不愿意見到的。怎樣選擇適當的頻率范圍,這便是在日后學習和工作中所要注意的問題。

另外,在討論中給出目前干擾主要是高頻噪聲,對高頻段信號的影響比較大,故本研究只采用濾波器去除了高頻干擾從而識別出低頻信號,對于區(qū)域地震的高頻信號,需要多次嘗試濾除干擾,這將是以后要研究的問題。

最后,感謝防災科技學院地震科學系為本研究提供相關資料和審稿專家的建設性修改意見!

[1] 黃金莉,趙大鵬.首都圈地區(qū)地殼三維P波速度細結構與強震孕育的深部構造環(huán)境[J].科學通報,2005,50(4):348-349.

[2] 崔合有.鐵路列車運行噪聲的環(huán)境質量影響與控制措施探討[J].科技風,2009,13:161.

[3] 李麗,彭文濤,李剛,等.可作為新震源的列車振動及實驗研究[J].地球物理學報,2004,47(4):680-684.

[4] 李文軍,李麗,陳棋福.用震源掃描算法(SSA)研究列車源的運動[J].地球物理學報,2008,51(4):1146-1151.

[5] 陳棋福,李麗,李綱,等.列車震動的地震記錄信號特征[J].地震學報,2004,26(6):651-659.

[6] 萬永革.數字信號處理的MATLAB實現(xiàn)[M].北京:科學出版社,2007:197-199.

[7] 傅淑芳,朱仁益.高等地震學[M].北京:地震出版社,1997:559.

The Effective Extraction of Digital Seismic Signal Under the Strong Environment Noises

XIAO Ben-fu1,WAN Yong-ge1,2,QI Yu-ping1
(1.Institute of Disaster Prevention Science and Technology,Yanjiao,Beijing,101601,China;
2.Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China)

As expand of cities and intension of human activities,earthquake monitoring has become more and more disturbed by the environmental noise.This interfere the determination of earthquake parameters and other geophysical phenomenon study.Based on the seismic wave data of Wenchuan earthquake on May 12,2008recorded by the Fangzai seismic station at the high environmental noise,we present the method of how to extract the effective seismic wave signal from the strong environment noise by means of the digital signal processing.Based on the direction of the azimuth angle and the emergence angle,we recombine the signal of 3components of the seismic wave record to identify the first arrivals of seismic wave.Finally,we summarize the general process of extracting the effective seismic signal.

strong interference;spectrum analysis;digital filter;ray coordinates

P315.9

A

1003-1375(2011)01-0006-04

2010-06-22

肖本夫(1986-),男,四川什邡市人,本科,地球物理學專業(yè).E-mail:xiaobf—1986@hotmail.com.