利用噪聲功率譜密度的統(tǒng)計特征評價臺站對主動源信號的接收效能

李孝賓+陳佳+高瓊+葉泵+龍志強+張云鵬+楊軍

摘要：利用背景噪聲的功率譜密度的統(tǒng)計特征，對賓川主動源周邊接收臺站1～10 Hz有效頻帶的噪聲水平進行了分析。結(jié)果表明：較好的臺站觀測條件和觀測環(huán)境可以大大提高氣槍信號的記錄質(zhì)量，通過建立和維護高質(zhì)量的觀測臺站，可以減少獲取高信噪比的氣槍信號的疊加次數(shù)，也可以在同等疊加次數(shù)下獲取更遠的傳播距離。

關(guān)鍵詞：概率譜密度；噪聲評估；臺基處理；對比觀測；氣槍震源

中圖分類號：P315.63文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0572-09

0引言

大容量氣槍具有綠色環(huán)保、重復(fù)性好、激發(fā)能量大、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點（陳颙等，2007a，b），故多被用來進行以地殼結(jié)構(gòu)為研究對象的地震測深研究（Okaya et al，2002；丘學林等，2007）。鑒于大容量氣槍的眾多優(yōu)勢，近年在陳颙院士“地下明燈計劃”（陳颙，朱日祥，2005）的推動下，大容量氣槍震源被移植到陸地水庫中，進行地下介質(zhì)變化的觀測與研究。國內(nèi)相繼建立了云南賓川、新疆呼圖壁、甘肅祁連山氣槍主動震源發(fā)射臺。

氣槍震源的能量是由氣槍容量和激發(fā)時的壓力決定的，研究表明氣槍震源的主頻與氣槍的容量、水體以及沉放深度有關(guān)（Chen et al，2008；李孝賓等，2016；楊微等，2016；林建民等，2008，2010）。在激發(fā)條件不變的情況下氣槍信號具有很高的重復(fù)性，當臺站接收到氣槍信號的信噪比達到10 dB以上時，其相關(guān)系數(shù)可以達到0.99以上（李孝賓等，2016）。當水深和氣槍的沉放深度發(fā)生變化時，氣槍信號會發(fā)生相應(yīng)的改變（Chen et al，2014；欒奕等，2016），而且欒奕等（2016）發(fā)現(xiàn)距離震源10 km以內(nèi)的臺站通過反褶積的方法可以很好地消除震源變化帶來的影響，而10 km以外的臺站反褶積后波形無法很好匹配。反褶積的效果會受到信號信噪比的影響，這可能同較遠臺站接收到的信號的信噪比較低有關(guān)。

信噪比是由信號的能量、傳播的路徑以及接收臺站的背景噪聲決定的，產(chǎn)生信號的震源能量越大、低頻成分越多，傳播介質(zhì)的密度越大，信號就衰減越慢，傳播也就越遠，接收臺站的背景噪聲越低接收到的信號越清晰，信噪比越高。臺站的噪聲水平，是影響臺站對氣槍信號接收效能的重要因素。

由于氣槍震源具有較好的重復(fù)性，可以通過多種疊加方法提高信噪比突顯信號，但在實際處理過程中，疊加對信噪比的提高是有極限的（武安緒等，2016）。出于這個目的，我們研究主動源周邊臺站對氣槍信號的接收效能，即單次激發(fā)記錄的信噪比，這與氣槍信號的能量、衰減特征以及臺站的噪聲水平有很大關(guān)系，決定著地震信號走時變化測量的精度。之前的研究大多是針對氣槍震源的特性，為提高氣槍震源的激發(fā)效能開展的，而本文從接收臺站的氣槍信號有效頻帶的噪聲水平入手，評價臺站對氣槍信號的接收能力。

Peterson（1993）對全球75個地震臺站噪聲資料進行研究，得出了全球噪聲模型，即NHNM（新高噪聲模型）和NLNM（新低噪聲模型），我們一般利用這個模型來評估一個臺站的噪聲水平。傳統(tǒng)的臺站噪聲評估方法通常是選取比較平靜的一段時間的噪聲記錄，通過計算功率譜密度來評價臺站的噪聲水平。該方法對臺站勘選等觀測數(shù)據(jù)時間較短，數(shù)據(jù)量較小，對臺基評估具有一定的指導(dǎo)意義。然而這種方法在噪聲選取方面比較主觀，難以全面反映臺站的噪聲水平（吳建平等，2012）。為解決此問題，Mcnamara（2004）基于概率譜密度函數(shù)法（Probability Density Function，PDF）的噪聲評估手段對美國大陸的噪聲水平進行了評估。當臺站具有長期觀測數(shù)據(jù)時，該方法可以較好地反映臺站的背景噪聲的統(tǒng)計平均特征以及噪聲趨勢的變化。本文采用該方法對氣槍震源有效信號頻段1～10 Hz范圍內(nèi)的臺站噪聲水平進行了研究以分析不同臺站對氣槍信號的接收效能。

1數(shù)據(jù)

賓川主動源氣槍信號發(fā)射臺激發(fā)系統(tǒng)由4支Btolt 1500LL型氣槍組列構(gòu)成，單支容量0.13 m3，總?cè)萘窟_0.52 m3（Wang et al，2010）。周邊擁有大量的測震臺站，其中主動源的40個流動臺分布在氣槍發(fā)射臺周邊152 km范圍內(nèi)，儀器多為Reftek 130B的數(shù)據(jù)采集器和頻帶范圍2 s～100 Hz的短周期Guralp CMG-40T地震儀（Wang et al，2010）。自2011年發(fā)射臺建成以來，這些臺站記錄了大量的觀測資料，由于發(fā)射臺單次激發(fā)的氣槍信號，在距離較近的臺站觀測的信號較為明顯，所以我們先從距離震源152 km范圍內(nèi)的流動臺進行初步的分析研究信號和噪聲的關(guān)系，并對部分觀測環(huán)境經(jīng)過改造的臺站和周邊噪聲環(huán)境發(fā)生變化的臺站進行重點分析，然后再進一步分析距離震源較遠臺站的疊加信號與臺站噪聲的關(guān)系。

2 分析和研究方法

從40個流動臺中挑選出36個工作正常的臺站的單次氣槍激發(fā)信號的U-D分量記錄，將這些記錄去除趨勢、去除均值、去除儀器響應(yīng)并轉(zhuǎn)換為位移量，再對其進行氣槍信號的有效頻率濾波（2～6 Hz），并根據(jù)震中距畫出未濾波與濾波后的剖面圖對比（圖1），可以看出單次氣槍激發(fā)在沒有經(jīng)過濾波時，50 km以外的臺站信號已基本被噪聲淹沒了，而經(jīng)過濾波后，151 km的臺站可以模糊地看到氣槍信號，而在距離震源50 km左右的幾個臺站，濾波前后的信噪比都不是很好，這可能和這些臺站的噪聲水平較高有關(guān)。

一個臺站對氣槍信號的接收能力體現(xiàn)在兩個方面，一是氣槍信號到達臺站的衰減程度；二是臺站在氣槍有效頻率內(nèi)的噪聲水平。假設(shè)將氣槍信號的有效頻率拓展至1～10 Hz，對臺站1～10 Hz的噪聲水平進行評估，可以從另一個方面反映這個臺站氣槍信號的接收能力。

為了客觀地對臺站的噪聲水平進行評估，我們采用概率譜密度的計算方法統(tǒng)計出每個臺站一整年的整體噪聲水平特征，具體操作步驟如下：endprint

（1）將每個臺站1年內(nèi)的U-D分量連續(xù)記錄分割為以小時為單位的數(shù)據(jù)段，每個臺站每天有24條數(shù)據(jù)段。

（2）根據(jù)每個臺站的儀器情況去除相應(yīng)的儀器傳遞函數(shù)，得到真實的地振動速度值。

（3）利用平均周期圖法計算數(shù)據(jù)的功率譜密度。

（4）將計算得到的速度功率譜密度轉(zhuǎn)換成加速度功率譜密度，結(jié)果可以和NHNM、NLNM模型進行對比。

（5）將計算得到的加速度功率譜密度用1/8倍頻程進行平滑計算，得到對數(shù)坐標上一條均勻分布的功率譜密度（PSD）曲線。

（6）重復(fù)步驟（2）～（5），計算出各小時的PSD，得到多條光滑的PSD曲線，然后以單位網(wǎng)格分割坐標系，統(tǒng)計每個網(wǎng)格中PSD曲線值出現(xiàn)的頻次。

（7）將每個網(wǎng)格中對應(yīng)出現(xiàn)頻次的點數(shù)除以總的PSD曲線數(shù)，得到每個網(wǎng)格出現(xiàn)的概率，按照概率取對應(yīng)色標的顏色進行的繪圖，得到最終的PDF結(jié)果圖就是每個臺站整體噪聲水平的特征體現(xiàn)。

（8）觀察臺站在氣槍信號有效頻帶（1～10 Hz）的背景噪聲的表現(xiàn)。

PQLX軟件是一個按照以上步驟處理計算得到臺站PSD、PDF等信息的圖形化軟件，IRIS已經(jīng)開始利用PQLX軟件對其數(shù)據(jù)管理中心（IRIS DMC）的部分臺站數(shù)據(jù)以及USArray臺陣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估，本文也使用PQLX軟件對賓川主動源氣槍發(fā)射臺周邊的部分臺站長期觀測的歷史數(shù)據(jù)進行概率譜密度統(tǒng)計分析，研究背景噪聲對氣槍信號接收能力的影響。與蘇金波等（2016）對新疆地震臺網(wǎng)的研究相比，我們針對同臺觀測環(huán)境發(fā)生改變進行了對比分析，并提出改造優(yōu)化方案。

本文主要從氣槍源的特征、單次氣槍激發(fā)信號的信噪比和臺站噪聲水平關(guān)系等方面進行分析。研究主要分3個部分：（1）對氣槍源信號特征進行初步分析；（2）對部分流動臺觀測環(huán)境改造前后噪聲水平對比分析；（3）對臺站周邊環(huán)境改變前后噪聲水平以及信噪比進行分析。對各臺站的相應(yīng)情況選取時間段進行概率譜密度以及臺站接收到信號的信噪比進行對比分析。在計算概率譜密度的同時標識出概率譜密度10%、90%分布線以及眾數(shù)線，10%和90%線包裹的范圍可以很好地描述臺站噪聲出現(xiàn)頻率最集中的條帶，眾數(shù)線為噪聲出現(xiàn)概率的集中體現(xiàn)，可以很好地反映臺站的噪聲水平。

挑選符合以上分析步驟的4個臺站的數(shù)據(jù)進行分析（表1），臺站的分布情況如圖2所示。將臺站記錄的時間全部轉(zhuǎn)換為協(xié)調(diào)世界時（Universal Coordinated Time，UTC），整理2014—2016年4個臺站的U-D分量的地震記錄，發(fā)現(xiàn)其具有較好的連續(xù)性，其中，CKT0為距氣槍激發(fā)點50 m的臺站；53269和53276臺都在觀測了一段時間后，對臺站進行了一些改造；53264臺周邊的觀測環(huán)境發(fā)生了改變。

從2015年3月開始附近有機械施工，觀測環(huán)境發(fā)生改變G153269平川臺38.19Guralp CMG-40T2 s～100 HzReftek130B2015年第233天進行了臺站改造，小范圍38.12Guralp CMG-40T2 s～100 HzReftek130B移動了臺站位置并對臺基進行了處理53276河北村臺11.54Guralp CMG-40T2 s～100 HzReftek130B2015年231天進行了臺站改造，小范圍11.86Guralp CMG-40T2 s～100 HzReftek130B移動了臺站位置并對臺基進行了處理3數(shù)據(jù)分析結(jié)果3.1源信號分析對于陸地上的地震儀而言，水庫大容量氣槍震源產(chǎn)生的水泡與水庫的液、壁相互作用耦合共同構(gòu)成了一個特殊的震源系統(tǒng)，距離激發(fā)浮臺水平距離50 m 的CKT0臺位于這個震源系統(tǒng)的外沿，參考臺接收到的激發(fā)信號可以近似看作這個特殊震源系統(tǒng)的源信號，它在一定程度上反應(yīng)了源的特征。CKT0臺接收到的激發(fā)信號主要功率集中在30 Hz以下，隨著傳播距離的增加高頻信號迅速衰減，氣槍信號的優(yōu)勢頻率為2～6 Hz頻段（楊微等，2013），按前文所述將有效頻率放寬至1～10 Hz范圍研究臺站的噪聲水平，如無特殊說明本文以下對噪聲的分析限定在這個頻段內(nèi)。

對2016年CKT0臺記錄的數(shù)據(jù)按照上述數(shù)據(jù)處理方法進行處理，得到該臺的概率譜密度分布圖（圖3a），從圖上可以看出在高頻部分概率出現(xiàn)了兩條顏色較深的條帶，在1～10 Hz范圍內(nèi)能量較低、分布較分散的、位于NHNM和NLNM之間的條帶屬于正常的背景噪聲所產(chǎn)生的條帶，另一條能量較高、較為集中、位于NHNM線之上的能量條帶是一年內(nèi)氣槍激發(fā)試驗產(chǎn)生的能量條帶。對出現(xiàn)該能量條帶（2～8 Hz、-90～-70 dB）上的相應(yīng)數(shù)據(jù)時段進行了分析，結(jié)果表明這些時間段與氣槍激發(fā)時間吻合如圖3b（上半年每天UTC時間14：00至19：00、下半年大部分UTC時間16：00至22：00為激發(fā)時間段）。

由于CKT0臺距離氣槍激發(fā)點只有50 m，所以接收到的震動很大，從圖3a可以看出近場氣槍信號頻率范圍較為廣泛，1 Hz以上都有分布，而其頻率范圍雖然和很多人為的噪聲干擾的頻段有很大一部分重疊，但是其能量優(yōu)勢明顯，振幅遠遠超過背景噪聲的數(shù)量級，很容易就可以和噪聲區(qū)分開來，再加上2016年全年3 000多次的有效激發(fā)，使之在全年的概率譜密度分析中占了很大的比重而突顯出來。

3.2臺站改造前后數(shù)據(jù)對比分析

53276臺原址位于一個廢棄的亞麻布生產(chǎn)車間里，由于車間在農(nóng)田耕地上建成，抗干擾能力較差，2015年8月臺站搬遷至距離原址500 m的一個山坡上，此處有破碎的變質(zhì)灰?guī)r出露，在巖體上澆灌了水泥地平，并在上面建了一個小觀測房（圖4a、b）。為了進行完整的對比研究，我們使用了改造前2014全年和改造后2016年全年的垂直分量數(shù)據(jù)進行了概率譜密度的統(tǒng)計分析，如圖5a、b所示，可以看出改造后在1～30 Hz有明顯下降，平均下降了20 dB。分別抽取出2年同一時間段7天數(shù)據(jù)的做時頻分析（圖5c、d），在7天的時間段里1～40 Hz的噪聲水平都有明顯的下降。對改造前后一次接收到的激發(fā)信號去除趨勢、去除均值、去除儀器響應(yīng)得到位移記錄，由于改造移動了臺站位置導(dǎo)致接收到的氣槍信號的形態(tài)和振幅都發(fā)生了較大改變，較難做對比，但是平均噪聲峰值下降了200 nm左右。endprint

2015年8月，由于53269臺所在的農(nóng)舍要拆除重建，臺站搬遷至離原址300 m左右的山腳比較僻靜的一塊田地里，參照葛洪魁等（2013）提出的流動地震觀測臺建設(shè)參考方案，在臺址挖了2 m左右的深坑，在坑底建了15 cm厚的水泥擺墩，用于擺放測震儀，并用泥土回填擺墩四周（圖4c、d）。同53276臺的分析方法一致，分別計算了改造前2014年和改造后2016年全年該臺站的概率譜密度，分析發(fā)現(xiàn)改造前后的概率譜密度小范圍發(fā)生變化，結(jié)果如圖6a、b所示，由于此臺站原址1～10 Hz的噪聲水平已經(jīng)很好，從眾數(shù)統(tǒng)計線可以看出，在氣槍的優(yōu)勢頻段內(nèi)改造后的臺站較改造之前噪聲水平下降了2～7 dB。然而在兩年各抽取了7天數(shù)據(jù)做時頻分析（圖6c、d），并將兩個時頻分析的色標范圍統(tǒng)一，可以看到每天的晚上（UTC時間12：00至24：00）改造后的1～10 Hz藍色部分稍多于改造前，所以改造對降噪有一定的效果。同上個臺站的處理方法，同樣挑選單次激發(fā)信號，其波形形態(tài)也有所變化，二者的噪聲水平只有較小差別。

3.3臺站環(huán)境改變情況分析

53264臺距離氣槍震源7.3 km，由于2016年臺站附近開始建設(shè)一條高速公路，附近300 m外有大型工程機械在施工，不時還有爆破的干擾，統(tǒng)計2016年全年的噪聲，發(fā)現(xiàn)在2016年第80天以后，臺站2～10 Hz的綠色部分增加，說明噪聲有所增加（圖7a），施工作業(yè)對臺站的環(huán)境噪聲產(chǎn)生了一定的影響。將環(huán)境變化前后的臺站接收到的激發(fā)信號做對比（圖7b、c），由于這個臺站距離激發(fā)點較近，即使噪聲水平發(fā)生變化，信噪比仍然較高，但放大噪聲波形部分（圖7d、e）可以看出噪聲部分峰峰位移值由原來的2 nm變?yōu)?2 nm，所以施工對激發(fā)信號的接收有一定的影響。

4討論

距離賓川主動源氣槍激發(fā)點最遠的流動臺有151 km，此臺站接收到的一次氣槍激發(fā)信號，經(jīng)過濾波后在25 s的位置隱約看到氣槍信號（圖1b），其信號位移峰峰值為3.2 nm左右，而濾波后的噪聲峰值在1.2 nm以內(nèi)，說明在氣槍信號的濾波頻率范圍內(nèi)，信號的能量在噪聲之上。此臺站在1～10 Hz區(qū)域內(nèi)的年眾數(shù)均值為-128 dB，可見1～10 Hz范圍內(nèi)背景噪聲概率譜密度水平對臺站氣槍信號的接收能力有直接的影響。由于我們頻繁進行氣槍激發(fā)試驗，距離主動源氣槍激發(fā)點30 km以內(nèi)的大部分臺站在計算概率譜密度時，氣槍信號能量突出，所以在對這些臺站進行長期的背景噪聲概率譜密度分析時，在1～10 Hz范圍內(nèi)受氣槍激發(fā)影響較大，得到的并非真正的臺站背景噪聲水平。對距離賓川主動源氣槍激發(fā)點30 km以外的固定臺站接收到的激發(fā)信號進行線性疊加，經(jīng)過600次激發(fā)信號疊加濾波后，最遠350 km以外的臺站很難看到氣槍信號（圖8a），經(jīng)過5 000次信號疊加濾波后（圖8b），350 km以外的臺站依然看不清信號，通過對350 km臺站疊加后的信號分析發(fā)現(xiàn)，其峰峰值為0.0047 nm，而噪聲峰峰值為0.002 nm，這是否已經(jīng)是儀器的分辨極限還需要進一步研究。我們又對距離震源30 km以外的流動臺以及全云南省固定臺站長年觀測記錄進行概率譜密度分析，并截取1～10 Hz范圍的眾數(shù)線，對其取平均值，得到的結(jié)果作為該臺1～10 Hz長期背景噪聲的表征（圖9）?？梢钥闯龉潭ㄅ_站絕大部分臺站背景噪聲水平低于-115 dB，而近半數(shù)低于-125 dB，為氣槍信號的提取提供了保障。

5結(jié)論

利用概率譜密度統(tǒng)計方法對賓川主動源接收臺站背景噪聲水平進行了分析，對影響氣槍信號的1～10 Hz噪聲水平進行了重點分析。分析結(jié)果表明：（1）經(jīng)過改造后的臺站能很好減少噪聲影響，提升臺站的氣槍信號接收能力；（2）臺站背景噪聲環(huán)境的改變對氣槍信號的接收能力有一定的影響；（3）高質(zhì)量的觀測臺站，可以減少獲取高信噪比的氣槍信號的疊加次數(shù)，也可以在同等疊加次數(shù)下獲取更遠的傳播距離。

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