基于慢度估計(jì)的次聲臺(tái)陣信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)算法及應(yīng)用

陳虎虎，王同東，沈旭峰

?

基于慢度估計(jì)的次聲臺(tái)陣信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)算法及應(yīng)用

陳虎虎，王同東，沈旭峰

(西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024)

針對(duì)次聲監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域廣泛使用的短時(shí)間與長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)功率比檢測(cè)方法性能不能滿足要求，漸進(jìn)多通道互相關(guān)檢測(cè)算法虛警率較高的缺點(diǎn)，利用信號(hào)的時(shí)、頻、波數(shù)域特性和次聲臺(tái)陣各子臺(tái)信號(hào)的互相關(guān)性特性，提出了一種基于次聲臺(tái)陣信號(hào)慢度估計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)算法。次聲信號(hào)慢度估計(jì)結(jié)果的合理性、一致性是該檢測(cè)算法的依據(jù)?？紤]到該檢測(cè)算法計(jì)算量較大，在具體應(yīng)用中加入其他計(jì)算量較小的傳統(tǒng)算法，進(jìn)行逐次檢測(cè)，最后應(yīng)用的慢度估計(jì)方法既是一種檢測(cè)方法，也是對(duì)其他檢測(cè)算法結(jié)果的最終審核，一方面可以降低單項(xiàng)檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)參數(shù)的敏感性，另一方面也可提高檢測(cè)的正確率(虛警率和漏警率同時(shí)降低)。該復(fù)合檢測(cè)算法應(yīng)用于某實(shí)驗(yàn)次聲臺(tái)站信號(hào)的檢測(cè)(信噪比大于1.1)，結(jié)果虛警率為4.0%，漏警率為5.0%，表明了該方法的優(yōu)良性能。從檢測(cè)應(yīng)用處理結(jié)果還可以推測(cè)，結(jié)合一個(gè)區(qū)域現(xiàn)有密集的地震臺(tái)站數(shù)據(jù)和2~3個(gè)次聲臺(tái)陣的數(shù)據(jù)，可以方便地識(shí)別、監(jiān)控爆破方式日益復(fù)雜的人工爆破事件和真正的地震(余震)事件，為地震災(zāi)害減災(zāi)防災(zāi)、采礦監(jiān)控等多領(lǐng)域服務(wù)，具有重大推廣價(jià)值。

慢度估計(jì)；漸進(jìn)多通道互相關(guān)；信號(hào)檢測(cè)

0 引言

次聲監(jiān)測(cè)是全面禁核試條約的四種基本監(jiān)測(cè)手段之一(其它三種為地震、水聲、核素技術(shù))，其關(guān)注的次聲信號(hào)為大氣層核試驗(yàn)、隕石爆炸、火箭發(fā)射、飛行器爆炸、采礦爆破等次聲信號(hào)[1-3]。次聲數(shù)據(jù)的日常處理中，首先要進(jìn)行臺(tái)陣信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)，進(jìn)而進(jìn)行關(guān)聯(lián)、定位及后續(xù)深入分析等處理。日常處理中絕大部分實(shí)測(cè)信號(hào)為當(dāng)?shù)匦盘?hào)(傳播距離極小，不是關(guān)注目標(biāo))或區(qū)域次聲信號(hào)。區(qū)域信號(hào)傳播距離較遠(yuǎn)，一般特征是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，沒(méi)有明顯的初至，信噪比低，可能含有干擾，是研究關(guān)注的重點(diǎn)。全面禁核試條約地震數(shù)據(jù)自動(dòng)處理技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而次聲信號(hào)自動(dòng)處理技術(shù)依然在發(fā)展中，其中一個(gè)難點(diǎn)就是次聲信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題，其結(jié)果直接影響后續(xù)處理中的關(guān)聯(lián)、定位結(jié)果與效率。全面禁止核試驗(yàn)條約組織的國(guó)際數(shù)據(jù)中心曾因?yàn)榇温曅盘?hào)檢測(cè)等技術(shù)存在一定問(wèn)題，導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)一度中止運(yùn)行[4]。

在次聲信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)中，目前國(guó)際上常用的有信號(hào)短時(shí)間與長(zhǎng)時(shí)間平均比(Short Time Average over Long Time Average, STA/LTA)方法[1,2]、漸進(jìn)多通道互相關(guān)(Progressive Multi-Channel Correlation，PMCC)檢測(cè)方法等[5,6]。本文在分析這兩種檢測(cè)方法缺陷的基礎(chǔ)上，探討一種新的信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)方法。

1 STA/LTA與PMCC檢測(cè)方法的分析

STA/LTA方法利用信號(hào)短時(shí)窗與長(zhǎng)時(shí)窗的信號(hào)功率比值或信噪比來(lái)判斷信號(hào)的有無(wú)，當(dāng)次聲信號(hào)的信噪比較低甚至被噪聲淹沒(méi)或信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，這一統(tǒng)計(jì)量已經(jīng)較難應(yīng)用，檢測(cè)閾值低則虛警率大，閾值高則漏警率大。事實(shí)上，一些臺(tái)陣信號(hào)的信噪比雖然比較小，但各個(gè)子臺(tái)信號(hào)的相關(guān)性較高，可以判定為一個(gè)次聲信號(hào)；反之，當(dāng)這一比值較大但子臺(tái)信號(hào)相關(guān)性較差時(shí)，也并不能做出肯定的判斷，比如脈沖型的噪聲也具有這一比值較高的特點(diǎn)。

PMCC方法的基本原理是：如果信號(hào)出現(xiàn)，存在幾個(gè)最優(yōu)子臺(tái)(漸進(jìn)進(jìn)行)，其信號(hào)的到時(shí)差之和理論上為零。該檢測(cè)方法的主要優(yōu)點(diǎn)是漏警率低，但也同時(shí)存在虛警率高的問(wèn)題。對(duì)于這一情況，存在兩種原因：(1) “如果信號(hào)出現(xiàn)，各子臺(tái)信號(hào)的到時(shí)差之和理論上為零”這一命題的逆命題并不完全成立，實(shí)際上到時(shí)差之和為零不一定是信號(hào)，也就是說(shuō)它不是一個(gè)充要條件；(2) 信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題本質(zhì)是一個(gè)二元識(shí)別問(wèn)題，其本質(zhì)要求是把需要的信號(hào)從噪聲中識(shí)別出來(lái)，而此處的噪聲是次聲監(jiān)測(cè)中不需要的干擾信號(hào)，帶有一定的主觀性，實(shí)際上一段次聲干擾信號(hào)可能包含的內(nèi)容較為豐富，比如大量不間斷存在的微氣壓、山背波常常作為臺(tái)站的背景噪聲出現(xiàn)，地震耦合雜波等(非震中次聲波)也較多，而且表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，其臺(tái)陣信號(hào)滿足PMCC的要求，但都不是關(guān)注的信號(hào)。所以PMCC方法從原理上就存在虛警率較高的問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用表明，PMCC的自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果虛警率可以達(dá)到85％以上。

2 基于慢度估計(jì)的檢測(cè)算法

2.1 算法的原理

由于大氣層溫度剖面的特殊結(jié)構(gòu)，次聲波傳播到地面臺(tái)陣時(shí)入射角會(huì)處于一定范圍，這使得其視速度處于一定范圍。這也可以通過(guò)臺(tái)陣信號(hào)的慢度來(lái)描述(慢度是一個(gè)有三個(gè)方向分量的矢量，其方向與信號(hào)速度方向相反，絕對(duì)值為后者的倒數(shù)?？紤]到臺(tái)陣子臺(tái)的高程差可以忽略不計(jì)，下面慢度只考慮水平面內(nèi)的慢度)。次聲監(jiān)測(cè)信號(hào)處理中次聲信號(hào)慢度一般小于330 s/deg(視速度大于340 m/s)，而風(fēng)速一般不超過(guò)幾十米每秒，地震耦合雜波的視速度為千米/秒以上，對(duì)應(yīng)的慢度不超過(guò)幾十秒/度，一個(gè)特定臺(tái)陣的微氣壓、山背波的慢度與其優(yōu)勢(shì)頻率分布也有一定規(guī)律，正是由于關(guān)注的次聲信號(hào)與風(fēng)噪聲、其他干擾的慢度分布等不同，即信號(hào)慢度的合理性成為檢測(cè)的依據(jù)之一。

次聲臺(tái)陣信號(hào)的慢度需要估計(jì)求解。在低信噪比下慢度估計(jì)結(jié)果雖然可能是合理的，但不一定是正確的。次聲臺(tái)陣信號(hào)慢度的估計(jì)方法目前主要有時(shí)域方法和頻率-波數(shù)分析方法(frequency-wa- venumber analysis, FK)[6]。兩種方法一個(gè)在時(shí)域進(jìn)行，一個(gè)在波數(shù)域進(jìn)行，兩種方法均能在較低信噪比情況下估計(jì)出信號(hào)的慢度。通常情況下兩種不同方法對(duì)于信號(hào)、噪聲特性的靈敏度不同，單一時(shí)域或波數(shù)域慢度的估計(jì)存在一定不確定度甚至?xí)霈F(xiàn)估計(jì)完全錯(cuò)誤的情況。在一定信噪比情況下，如果噪聲中包含信號(hào)，兩種方法的估計(jì)結(jié)果應(yīng)滿足自恰性，即慢度估計(jì)的一致性，且應(yīng)該接近真實(shí)值，如果不包含信號(hào)，則兩種估計(jì)結(jié)果在概率意義上不同。所以臺(tái)陣信號(hào)慢度估計(jì)的一致性是檢測(cè)的第二個(gè)依據(jù)。

慢度估計(jì)的一致性判據(jù)能夠有效地檢測(cè)識(shí)別那些不相關(guān)的臺(tái)陣噪聲，而慢度估計(jì)的合理性判據(jù)能夠檢測(cè)剔除那些子臺(tái)信號(hào)相關(guān)性較好但不是關(guān)注的信號(hào)。

慢度估計(jì)檢測(cè)的原理如圖1所示，當(dāng)時(shí)域和波數(shù)域的慢度估計(jì)結(jié)果一致且都在灰色圓環(huán)中時(shí)判斷為信號(hào)。如果選擇在400×400(根據(jù)次聲信號(hào)的速度和高度角來(lái)決定)的慢度估計(jì)平面上的偏差10 s/deg作為檢測(cè)閾值，對(duì)一段白噪聲而言，兩種方法估計(jì)到同一個(gè)格點(diǎn)的概率為(10×10)/(400×400)＝1/1600。事實(shí)上真正感興趣的次聲信號(hào)慢度分布有一定范圍，如果兩種方法估計(jì)的結(jié)果同時(shí)落到慢度較小或較大的格點(diǎn)上(即圓環(huán)外)，這一結(jié)果也是無(wú)意義和無(wú)效的，所以這一概率應(yīng)該更小。

對(duì)于微氣壓、山背波或其他不明類型的噪聲，可根據(jù)其慢度分布規(guī)律(包含頻率因素)對(duì)灰色圓環(huán)再加上額外限制，減少通過(guò)區(qū)域，如圖1圓環(huán)中的黑洞，減少虛警信號(hào)。

在信噪比比較低時(shí)，臺(tái)陣信號(hào)可能有部分子臺(tái)受到嚴(yán)重干擾，所以算法中借鑒PMCC算法的“漸進(jìn)選擇子臺(tái)，估計(jì)慢度時(shí)只選擇部分最優(yōu)子臺(tái)信號(hào)”進(jìn)行慢度估計(jì)的策略。

2.2 兩種慢度估計(jì)的方法

時(shí)域方法首先獲取各個(gè)子臺(tái)信號(hào)的到時(shí)差向量，然后解一個(gè)超定方程，就可以求出信號(hào)的慢度向量＝[SS]T，即求出了信號(hào)的后方位角(tg=S/S)。

式中：為各個(gè)子臺(tái)的相對(duì)位置矩陣，因?yàn)榇温曌优_(tái)的個(gè)數(shù)一般為大于4，所以該方程為超定方程，取其最小均方差意義的解。在強(qiáng)背景噪聲環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)子臺(tái)的次聲信號(hào)可能會(huì)受到不同程度的干擾，使得信號(hào)的相似性受到一定影響，應(yīng)選擇其中最為相關(guān)的幾個(gè)子臺(tái)信號(hào)計(jì)算。

FK分析是地震等臺(tái)陣信號(hào)處理中一種使用廣泛的技術(shù)，用來(lái)估計(jì)信號(hào)的慢度和方位角，它對(duì)次聲信號(hào)依然有效。