噪聲對氣槍信號疊加效果的影響及自動數據篩選方法

蔣生淼+王寶善+張云鵬+陳颙

摘要：為剔除小地震信號和強噪聲對氣槍信號疊加效果的影響，提出了一種利用信號記錄中噪聲特征的主動源數據篩選方法——RMS篩選法，服務于氣槍數據的自動化處理。實際氣槍數據篩選結果表明，RMS篩選法采用信號噪聲水平作為信號選擇標準，可以有效去除高噪聲信號，其線性和相位加權疊加結果優(yōu)于常規(guī)線性疊加和常規(guī)相位加權結果，噪聲得到壓制，遠距離臺站微弱信號檢測效果得以增強。

關鍵詞：氣槍信號；主動源；自動化處理；RMS篩選

中圖分類號：P315.31文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0534-09

0引言

利用天然或人工重復性震源進行地下精細結構和介質變化的成像研究在近20年已取得重要進展（Schaff，Beroza，2004；Lumley，2004；Poli et al，2012；王寶善等，2016）。為構筑能獲取地下不同尺度圖像的地震雷達技術平臺（陳颙，朱日祥，2005），我們進行了一系列人工震源應用探索，成功將海洋勘探氣槍震源引入陸上水體，構建了一整套主動源監(jiān)測系統。歷次實驗證明，陸上大容量非調諧氣槍陣列是研究大陸淺部精細結構和介質動態(tài)變化的有效手段（陳颙等，2007；Chen et al，2008）。

為拓展氣槍源在地球科學和防震減災中的應用，我們先后建立了3個以大容量氣槍陣列為震源的固定地震信號發(fā)射臺，用于常規(guī)主動探測（Wang et al，2010）。而震源探測地下介質的范圍取決于震源產生信號能量的強度。地震發(fā)射臺單次激發(fā)產生能量等效于ML0.7～0.9天然地震，相對炸藥震源和天然地震源能量較弱，產生地震波傳播距離有限。實驗證實，氣槍單次激發(fā)所產生的峰值加速度在離源600 m距離即降至背景振動水平（劉必燈等，2011），而到50 km時槍陣引起地面位移已降至10 nm，百千米距離上，槍陣信號已遠小于一般臺站的平均噪聲水平（徐逸鶴等，2016）。氣槍信號的散射和衰減使得信號隨著傳播距離的增加而逐漸淹沒在背景噪聲中。同時，地下介質變化是個長期過程，與地下介質變化相關的地震信號較弱。因此強背景噪聲中極微弱信號的檢測與提取，是進行區(qū)域結構探測和介質變化監(jiān)測的關鍵。

運用去噪、濾波和疊加等方法壓制噪聲，提高地震資料信噪比是增強弱信號拾取能力的主要途徑。發(fā)射臺氣槍源的優(yōu)勢頻率為2～8 Hz（楊微，2013），而此頻段包含人類活動產生的大量高頻背景噪聲（Hillers et al，2012；Chávez-García，Rodríguez，2007）。得益于氣槍信號的高度可重復性（唐杰等，2014），疊加重復激發(fā)信號的方法可有效識別被噪聲淹沒的氣槍信號，這是當前用于氣槍資料處理的主要方法（武安緒等，2016）。但長時間段內的信號疊加受多種因素影響，人類不定期活動、固體潮變化、大氣壓及溫度的季節(jié)變化和偶發(fā)的小地震事件都可能影響背景噪聲強度，改變信噪比，進而影響疊加效果。而常規(guī)疊加方法對這些噪聲的壓制效果在長時間疊加中效果有限。同時發(fā)射臺氣槍源的數年連續(xù)激發(fā)和現代地震臺陣的發(fā)展，使得氣槍研究需要處理大量信號資料，人工對于強噪聲信號的篩選效率較低，不適宜處理大量數據。自動化數據處理是氣槍源信號處理的現實要求與發(fā)展趨勢。

本文提出了一種利用氣槍信號噪聲特征的主動源信號自動篩選與疊加方法，介紹了該方法的原理，并通過選取不同地震信號發(fā)射臺氣槍源實際觀測信號，分別進行線性疊加和時頻域相位加權疊加評估了該方法處理效果，證實了此方法相對傳統線性疊加和相位加權疊加在處理氣槍信號方面具有獨特優(yōu)勢。

1陸上水體氣槍震源信號特征

1.1固定地震信號發(fā)射臺依托氣槍源陸上水體的激發(fā)來建立地震信號發(fā)射臺，主動發(fā)射地震波，是一種新的科學嘗試。2011年4月，為探索云南地區(qū)深部地下介質動態(tài)變化，我們在云南賓川大銀甸水庫建立了第一個固定地震信號發(fā)射臺（下稱賓川臺）。槍陣總容量8 000 in3（4支2 000 in3氣槍），單次激發(fā)信號等效于ML0.7地震，可在距離源50 km臺站的原始記錄中觀測到清晰氣槍信號（楊微，2013）。但受水位季節(jié)性變化影響，賓川臺工作條件和時間不穩(wěn)定。為克服此不利條件，2013年5月，新疆呼圖壁人工水體固定地震信號發(fā)射臺（下稱呼圖壁臺）建成，實現了天然水庫向人工水體的轉變和對激發(fā)條件的進一步精準控制。氣槍陣列總容量增大至12 000 in3（6支2 000 in3氣槍），單次激發(fā)信號等效于ML0.9地震（王寶善等，2013）。為研究祁連山腹地大陸動力學問題，2015年5月，我們在青藏高原東北緣的甘肅張掖建成新的固定地震信號發(fā)射臺（下稱張掖臺）。槍陣總容量8 000 in3，單次激發(fā)信號等效于ML0.7地震，可在相距40 km臺站的原始記錄中觀測到清晰氣槍信號。各地震信號發(fā)射臺均配套建設的數十套流動觀測儀器，結合當地固定地震臺網，與大容量氣槍震源組成了綜合觀測系統（圖1、表1）。

1.2陸上氣槍震源信號特點

多年實驗研究表明陸地水體氣槍震源激發(fā)信號受氣槍、水體和固-液界面等共同作用，水體與氣槍陣列可作為一個震源系統進行考慮（陳蒙，2014）。高壓氣體在水下的瞬間釋放，產生氣壓脈沖和氣泡脈沖，傳播至固-液界面發(fā)生反射與吸收，并轉化為地震波信號。圖2a為距新疆呼圖壁臺50 m臺站記錄的信號頻譜，可見信號主要分為5 Hz左右的低頻部分和40 Hz左右高頻部分；圖2b為距賓川臺40 m臺站記錄的信號頻譜，由圖可見，除這2部分信號外，10 Hz和20 Hz左右信號也較強。氣槍震源信號主要為40 Hz高頻和5 Hz左右的低頻信號，但不同水體信號成分略有差異。地震波信號中高頻成分在傳播過程中易散射和衰減，傳播較近，而低頻部分不易衰減，是實現遠距離傳播的關鍵。為增加探測距離，各地震發(fā)射臺均采用的大容量氣槍非調諧陣列進行激發(fā)以增強低頻信號。但低頻信號特征使得氣槍信號在傳播時受介質結構影響小，而受接收點噪聲水平影響較大。endprint

高度可重復性是陸上氣槍源信號的另一特征。氣槍震源為間隔脈沖震源，近場破壞小，可以在同一地點實現高度可重復激發(fā)。同等激發(fā)條件下，地震信號發(fā)射臺不同時刻激發(fā)的氣槍信號在同一地震臺記錄波形幾乎不變。圖3為2015年賓川臺974次連續(xù)激發(fā)，張掖臺2天共206次激發(fā)，2013年呼圖壁臺720次氣槍激發(fā)各自參考臺記錄信號的重疊效果及互相關系數。信號波形均顯示出高度一致的特性，氣槍源激發(fā)信號的相關系數大于0.9，基本可忽略震源特性隨時間的變化。

2方法介紹

提高信噪比是地震信號處理的重要目標。大規(guī)模臺陣的發(fā)展和大量高質量觀測數據的積累推動了疊加技術的應用（Rost，Thomas，2002）。時域線性疊加（Harjes，Henger，1973；Kennett，2000）和時頻域相位加權疊加（Stockwell et al，1996；Zeng，Thurber，2016）是常用的疊加技術。相位加權疊加存在波形失真，不利于依賴于震相的分析，故當前氣槍處理資料以線性疊加為主，而線性疊加效果嚴重依賴于信號信噪比。

信噪比（SNR）是信號強度與噪聲強度的比值，定義為信號均方根（RMS）振幅與噪聲的均方根振幅的比值。在常規(guī)線性疊加中，信號為相干的，其疊加可視為對每條信號以權重N-1相加，所得疊加結果振幅和標準差基本不變。圖4為2015年賓川臺974次信號振幅同其線性疊加結果振幅的差異值分布，可見線性疊加結果信號振幅同單條記錄基本一致，變化值多在2%以內。氣槍信號均方根振幅基本不變，則信噪比由噪聲部分決定。而白噪聲為均勻分布的不相干信號，振幅變?yōu)樵蠳條振幅的平均數，若噪聲方差為σ2，則此均值的方差為σ2/N，則噪聲的標準差為σ/N，故信噪比增加N倍（Liu，Niu，2012；Lee et al，2002）。線性疊加方法不改變信號原有形態(tài)，但噪聲在1 Hz頻段以上近隨機不相關分布，低頻段卻趨于相干，使得線性疊加后信噪比提升低于理論的N倍。

噪聲RMS水平是一個不斷變化的值，對特別大的振幅很敏感，單次地震或強噪聲均會顯著增大噪聲RMS計算結果，故為剔除小地震信號和強噪聲對于氣槍信號疊加的影響，需要一個刻畫記錄噪聲水平的變量來評估疊加效果。

為此，我們提出了用噪聲因子（noise）來評估疊加信號噪聲水平，并以此作為判斷信號是否疊加的判定標準。步驟為選取每條信號記錄目標震相窗口，信號預處理，然后計算窗口內信號振幅的標準差σ。σ值包含信號的標準差與噪聲的標準差，但信號標準差基本不變，則σ是對每條信號噪聲水平的反應，其值越大，則各點離平均值越遠，噪聲水平越大。對σ值從小到大排序，選取第一個值記為σ0=noise0，第n個σ（σn）對應的noisen值按照式（3）遞推算得。噪聲因子noise是逐條噪聲水平的疊加效應，即為對疊加結果中噪聲水平的反映。σ=Var=∑ni=1（xi-x ）2n（1）x=1n∑ni=1xi（2）noisen=（n-1）·noisen-1+σnnn（3）則noisen值隨n變化為類拋物線，即存在一個使noise最小的σ值。取noise最小值對應的σ為信號記錄選擇標準RMStrd，即如果其他記錄對應σ值小于RMStrd，則輸出信號記錄用于疊加。噪聲因子的選擇可以剔除高噪聲造成的強干擾，得到使疊加結果在最優(yōu)噪聲水平的信號記錄，進而提高信噪比。

3實際數據疊加效果分析

云南賓川臺、新疆呼圖壁臺和甘肅張掖臺數年常規(guī)激發(fā)和數次連續(xù)實驗，為不同區(qū)域不同背景噪聲條件下RMS篩選方法的應用提供了豐富的數據。數據來源包括各臺配套建設的流動觀測臺網、中國地震局固定臺網和各地方區(qū)域固定臺網，所有臺站均處于連續(xù)工作狀態(tài)。流動臺站多采用短周期地震儀，而固定臺站多布置三分量寬頻帶地震儀。賓川臺自2011年建成以來共計激發(fā)氣槍近5 500次，呼圖壁臺自2013年建成來共計激發(fā)近6 000次，甘肅張掖臺自2015年建成以來共計激發(fā)近5 500次。不同臺站由于架設時間不一和設備維護等原因，實際使用的數據數目有差異。為深入研究該數據挑選方法的可行性與實際性能，選取賓川臺流動臺網近5 000次激發(fā)信號，固定臺網2014年和2015年共1 700次激發(fā)信號；呼圖壁臺固定臺網自建成后所接收到的所有氣槍源信號；張掖臺流動臺網兩天共計206次激發(fā)數據，固定臺網自臺站建成以來所有氣槍激發(fā)數據。運用RMS篩選自動處理，采用常規(guī)線性疊加和相位加權疊加方法對以上所有數據進行處理，所得結果如圖5所示。

對比RMS篩選線性疊加與常規(guī)線性疊加結果，可以看出RMS篩選疊加的信號信噪比高于常規(guī)疊加，信號到達前的噪聲得到了更好的壓制，信號初至更加清晰，有效提高了信號的識別能力。RMS篩選疊加可以增加信號被淹沒臺站的信號信噪比，增大了氣槍信號探測距離。賓川臺信號傳播距離由250 km增至350 km，呼圖壁臺由約500 km增至1 000 km，張掖臺由300 km提高至約500 km。對比相位加權疊加結果，亦可見RMS篩選疊加對于信號信噪比的改善作用明顯，探測距離進一步增加。

RMS篩選是一種針對氣槍震源信號噪聲特征設計的處理大規(guī)模數據的自動篩選方法。RMS篩選通過對每條記錄信號窗口內噪聲水平的自動判斷識別，選擇最有利于疊加效果的噪聲水平作為判斷標準，自動剔除高噪聲水平記錄。通過對不同地震發(fā)射臺站實際數據分析，證實了RMS篩選疊加方法較傳統疊加方法在處理氣槍信號方面的優(yōu)勢，尤其是在對長時間、大量數據信號處理方面。RMS篩選疊加可以有效剔除高噪聲水平的信號記錄，提高疊加信號的信噪比，尤其對遠距離上信號原本已經被噪聲淹沒的臺站，可有助于識別信號初至，拓展信號傳播距離。

4討論

4.1RMS篩選效能分析RMS篩選方法基于氣槍信號不變而噪聲水平變化的假設，選取最優(yōu)噪聲因子進行疊加提高信噪比，現選取距賓川臺116 km處EY13臺站信號測試RMS篩選提升信噪比效果。2015年11月起，賓川臺進行了連續(xù)2個月的激發(fā)實驗，在此期間EY13臺實際記錄到847次激發(fā)信號，截取200 s信號。單次激發(fā)原始信號如圖6a-1所示，噪聲信號振幅（103 count）遠大氣槍信號振幅（20 count），氣槍信號完全被噪聲淹沒，無法直接讀取。對所有記錄按照RMS篩選方法自動識別，取noise最小值時得到618條可用記錄，分別采用線性疊加和相位加權疊加，結果如圖6所示。847條記錄線性疊加結果中在噪聲較強段出現了一個振幅較大的干擾信號，而618條記錄RMS線性疊加有效壓制了此噪聲。RMS線性疊加的信噪比隨疊加次數增加而增大，優(yōu)于常規(guī)線性疊加結果，但低于理論N倍增加值。2種相位加權最終結果相近，可見RMS相位加權結果信噪比始終高于常規(guī)相位加權疊加結果。相位加權疊加對于信噪比的提升整體伏于線性疊加。RMS篩選后，線性疊加和相位加權疊加結果均得到了改善，以較少的記錄反而得到了更高的信噪比，篩選作用優(yōu)于150次額外疊加次數增加帶來的信噪比提升。endprint

4.2RMS篩選適用性分析

選取甘肅流動臺網2天206次激發(fā)數據，對不同距離臺站接收信號進行疊加對比分析，結果如圖7所示。信號強度會隨著傳播距離的增加而衰減，導致臺站接收信號信噪比降低，單次激發(fā)信號在46 km臺站已弱于臺站噪聲水平，無法直接識別。對于近距離臺站（ZDY22，ZDY25），由于信號較強、噪聲相對較弱、信號信噪比較高、足以影響信號的強噪聲記錄較少，RMS篩選后分別保留205條和197條記錄，常規(guī)線性疊加和相位加權疊加與RMS篩選后效果相近。而隨著接收臺站距離的增加，信號逐漸衰減至背景噪聲水平，RMS篩選對信號受強噪聲影響的記錄剔除作用加強，用于疊加信號條目減少，46 km處ZDY21臺保留172條，89 km處ZDY34臺保留154條，133 km處ZDY05臺保留88條，197 km處ZDY01臺僅剩148條，但RMS篩選線性疊加和相位加權疊加后信號的信噪比仍與常規(guī)疊加相當乃至更好?？梢奟MS篩選對于不同距離臺站適用性不一，對于近處高信噪比臺站，篩選作用有限，而對于遠距離低信噪比臺站篩選作用明顯，效果較好。

5結論

氣槍震源激發(fā)能量小，采用疊加增強信號以等效于單次大當量激發(fā)和利用干涉提取走時變化來成像介質變化的處理方式，決定了對遠距離強噪聲下微弱信號提取和檢測技術的需求。地震信號發(fā)射臺的大規(guī)模激發(fā)和臺陣的發(fā)展積累了海量的氣槍信號數據，催生了對于氣槍信號自動化處理的要求。本文利用氣槍信號噪聲特征，提出了一種新的主動源信號自動篩選與疊加方法，并通過選取不同地震信號發(fā)射臺氣槍源實際觀測信號，分別進行線性疊加和相位加權疊加評估了該方法的處理效果。結果證明實線性疊加和相位加權疊加均能實現對噪聲的壓制，增強有效信號。對于氣槍主動源可重復信號，RMS篩選疊加基于信號自身噪聲水平，選取信號是否用于疊加標準，可以有效剔除高噪聲地震記錄和小地震事件信號的記錄，實現大規(guī)模數據的自動篩選優(yōu)化。通過對流動臺網和固定臺網實際氣槍信號數據的疊加對比分析，表明RMS篩選線性疊加和相位加權疊加比常規(guī)的線性疊加和相位加權疊加更能壓制強背景噪聲的干擾，有效提高疊加信號的信噪比，實現氣槍信號的遠距離傳播與拾取，有效拓展氣槍探測范圍。RMS篩選對于近距離臺站數據作用有限，適用于距離較遠，尤其是信號低于臺站噪聲水平的臺站。氣槍信號準確拾取，對于提取氣槍信號初至到時，研究走時變化，及對應的地下介質變化等地震資料處理過程都至關重要。同時，疊加信號的震相更加清晰，有利于拾取直達波、反射波和折射波震相，提高大陸地殼三維地下結構成像精度和準確性，對分析地球內部動力學演化過程等一系列后續(xù)研究也有重要意義。

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