基于S變換的太原地震監(jiān)測(cè)站洞體應(yīng)變大風(fēng)干擾時(shí)頻特征分析

孟彩菊，張淑亮，李 麗，楊世英

(1.山西省地震局太原地震監(jiān)測(cè)中心站,山西 太原 030025；2.山西省地震局,山西 太原 030021；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

日常地球物理場(chǎng)觀測(cè)不可避免地受到各種干擾，不同來(lái)源的干擾因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響各不相同。孫伶俐等對(duì)地殼形變觀測(cè)的大氣變化響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，認(rèn)為大氣壓強(qiáng)和溫度的影響集中在較低頻段，臺(tái)風(fēng)在形變觀測(cè)較高頻段上有明顯影響[1]。王寧等認(rèn)為，氣壓對(duì)形變分鐘值數(shù)據(jù)的影響明顯，其優(yōu)勢(shì)頻率在時(shí)頻域上低于0.05 Hz，在氣壓變化明顯區(qū)域信號(hào)能量較大；降水對(duì)整點(diǎn)值數(shù)據(jù)影響明顯，集中在低頻部分[2]。段元澤等認(rèn)為，降水總量引起洞體應(yīng)變和水管傾斜儀的變化增大，排除降水干擾后的變形增大，多與構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)[3]。彭鈺翔等認(rèn)為，近場(chǎng)環(huán)境的某些細(xì)微變化能夠引起形變觀測(cè)數(shù)據(jù)振幅、頻率、組分、穩(wěn)定性的變化，導(dǎo)致前后數(shù)據(jù)不一致，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性[4]。李智蓉等定量分析降雨對(duì)昭通地震臺(tái)測(cè)項(xiàng)的影響，認(rèn)為形變變化與降雨相關(guān)性較高[5]。以上研究結(jié)果表明，環(huán)境、氣象等變化對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響較為普遍。因此，在資料分析中需首先對(duì)干擾進(jìn)行識(shí)別。

2020年6月24日16:30至18:00，太原地震監(jiān)測(cè)中心站(以下簡(jiǎn)稱太原站)洞體應(yīng)變測(cè)項(xiàng)記錄到一組高頻振動(dòng)信號(hào)，周期為2～5 min。與半日、日變等更大周期背景變化相比，該波形的變化特征與洞體應(yīng)變?nèi)粘Ｓ涗浀牡卣鹗录咏?，疑為地震波形。?duì)比臺(tái)網(wǎng)地震目錄，未發(fā)現(xiàn)有對(duì)應(yīng)的地震發(fā)生。為確定此信號(hào)的類型及來(lái)源，對(duì)該站不同儀器記錄的波形進(jìn)行對(duì)比，并運(yùn)用S變換法對(duì)該事件的時(shí)頻特征進(jìn)行分析。

1 原理分析

地球物理觀測(cè)信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào)，對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)或時(shí)變信號(hào)，了解不同時(shí)刻附近的頻域特征至關(guān)重要。因此，可采用時(shí)間-頻率(即時(shí)頻)描述時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)[6]。時(shí)頻分析能較好反映非平穩(wěn)信號(hào)在時(shí)間和頻率軸上能量強(qiáng)度的分布及信號(hào)局部時(shí)頻特征，因此，其在信號(hào)分析中得到廣泛應(yīng)用[7-12]。

時(shí)頻分析法包括小波變換、傅立葉變換及S變換等。傳統(tǒng)傅立葉變換為一種全局變換法，無(wú)法表征頻率隨時(shí)間變化的局部特征。Stockwell提出的S變換法可較好地突出信號(hào)的局部特征，保留每個(gè)頻率的絕對(duì)相位特征。他提出的假設(shè)信號(hào)S變換為：

s(t)∈L2(R)，

式中：s(t)為假設(shè)信號(hào)；L2(R)表示能量有限函數(shù)空間，則s(t)的S變換為：

(1)

式中：τ、f分別為時(shí)間和頻率，均為實(shí)數(shù)。反變換為：

(2)

式(2)是以Morlet小波為基本小波的連續(xù)小波變換的延伸。基本小波是由簡(jiǎn)諧波與高斯函數(shù)的乘積構(gòu)成，則：

(3)

S變換既解決短時(shí)傅立葉變換中時(shí)窗大小未能調(diào)節(jié)的問(wèn)題，又具備小波變換的多分辨率特性，避免小波變換無(wú)法與傅立葉變換保持聯(lián)系的問(wèn)題。因此，這些優(yōu)點(diǎn)使得S變換廣泛應(yīng)用于對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析[13-14]。

2 資料選取

2.1 背景資料

2020年6月24日15:00至18:00，太原站洞體應(yīng)變儀EW分量原始分鐘值曲線出現(xiàn)高頻波動(dòng)，表現(xiàn)為毛刺增多。其與正常時(shí)段較光滑的周期、形態(tài)存在明顯差異，高頻波動(dòng)持續(xù)1 h左右，形態(tài)類似洞體應(yīng)變儀記錄的地震波形(見(jiàn)圖1)。對(duì)比當(dāng)日臺(tái)網(wǎng)地震目錄，未發(fā)現(xiàn)在異常時(shí)段有相應(yīng)的地震發(fā)生。

圖1 洞體應(yīng)變儀原始分鐘值觀測(cè)曲線

2.2 原因排查

為查找當(dāng)天17:00左右數(shù)據(jù)變化的原因，筆者首先查閱臺(tái)站當(dāng)日觀測(cè)日志，檢查是否存在觀測(cè)環(huán)境、人為和觀測(cè)儀器等因素的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)日未進(jìn)行儀器標(biāo)定和維修、無(wú)人為進(jìn)洞等，也未出現(xiàn)過(guò)停電，臺(tái)站周圍也無(wú)施工等。因此，初步判定此次變化與上述干擾因素?zé)o關(guān)。

排除以上因素后，對(duì)氣象變化情況進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)值班人員反映，當(dāng)天刮大風(fēng)，在17:00左右，院里一棵大樹(shù)被刮斷。再通過(guò)院內(nèi)監(jiān)控回放，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)天下午約5:30開(kāi)始刮風(fēng)，一直持續(xù)至6:30。期間，大風(fēng)造成院內(nèi)樹(shù)木來(lái)回?cái)[動(dòng)，使樹(shù)枝折斷。因此，從時(shí)間的對(duì)應(yīng)性上分析，認(rèn)為此次洞體應(yīng)變高頻信號(hào)為大風(fēng)干擾所致。

2.3 資料選取

太原站洞體應(yīng)變儀記錄的地震信號(hào)與風(fēng)擾信號(hào)極相似，為識(shí)別兩者特征，選取同時(shí)有地震記錄的2020年6月24日太原站洞體應(yīng)變分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析。

3 信號(hào)時(shí)頻分析

3.1 洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)時(shí)頻分析

文中，時(shí)頻結(jié)果的頻率為歸一化頻率fn，即實(shí)際頻率f與采樣頻率fs的比值：

fn=f/fs。

(4)

歸一化頻率fn的范圍為0～0.5。時(shí)頻圖中的色標(biāo)由相應(yīng)頻率和時(shí)間對(duì)應(yīng)的S變換結(jié)果轉(zhuǎn)換得到，與原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中不同頻率成分振幅值的變化特征一致，反映觀測(cè)數(shù)據(jù)中各頻率信號(hào)能量隨時(shí)間變化和相互之間能量的對(duì)比[15]。運(yùn)用S變換法對(duì)2020年6月24日洞體應(yīng)變的分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行S變換計(jì)算，以獲取當(dāng)日數(shù)據(jù)的時(shí)頻特征(見(jiàn)圖2)。

圖2 洞體應(yīng)變?cè)加^測(cè)曲線及時(shí)頻特征分析

在圖2的時(shí)頻分析圖像中，存在兩道明顯的條狀異常信號(hào)，頻率范圍為0.1～0.5。對(duì)比地震目錄發(fā)現(xiàn)，2020年6月23日23:29曾發(fā)生墨西哥M7.4地震。因此，24日00：00至01:20時(shí)段的為地震波形，17:00左右的為上文提到的大風(fēng)擾動(dòng)。可以看出，地震波列與風(fēng)擾波列的頻率展布均在0.1之上，背景性大周期(低頻)頻率展布一般在0.1之內(nèi)，有明顯區(qū)別。地震波列與風(fēng)擾波列相比，頻率分布無(wú)明顯區(qū)別，不易辨識(shí)。

3.2 地震儀記錄數(shù)據(jù)時(shí)頻分析

上述洞體應(yīng)變的時(shí)頻分析結(jié)果顯示，地震與風(fēng)擾信號(hào)特征相似，不易分辨。為進(jìn)一步探討同震記錄與風(fēng)擾的差異性，選取同時(shí)段太原站甚寬頻帶地震計(jì)BBVS-120的波形記錄(見(jiàn)第11頁(yè)圖3)。該地震計(jì)的采樣率為每秒100次，因數(shù)據(jù)量過(guò)大，時(shí)頻分析中降頻為秒數(shù)據(jù)。

第15頁(yè)圖3a、3b分別為太原站地震計(jì)NS向地震波形及大風(fēng)事件仿真763儀(原始波形信號(hào)不突出)曲線圖。從波形特征來(lái)看，地震波形起伏變化較大，大風(fēng)事件波形的形態(tài)較為單一；在周期上，地震波形明顯密集且周期小，風(fēng)擾波形的周期較大。另外，記錄結(jié)果顯示，地震信號(hào)在地震計(jì)的三分向上均有分布，大風(fēng)擾動(dòng)信號(hào)只在水平方向有顯示。下面進(jìn)行地震計(jì)記錄的地震與風(fēng)擾信號(hào)時(shí)頻分析。

圖3 地震儀記錄地震波形與高頻事件波形時(shí)頻特征分析

圖3c、3d分別為地震計(jì)記錄的地震與風(fēng)擾信號(hào)S變換時(shí)頻分析結(jié)果，可以看出，地震儀記錄兩次事件的時(shí)頻結(jié)果差異較大。地震波列頻率展布在0.01～0.2，即周期為5～100 s；大風(fēng)事件頻率展布在0.05以內(nèi)，優(yōu)勢(shì)頻率為0.01～0.02，即周期為50～100 s。能量分布差異極大。從圖3a、3b的原始數(shù)據(jù)變化范圍來(lái)看，地震引起的波動(dòng)幅度大，達(dá)到400 counts，高頻事件的幅度值為2 counts。相應(yīng)時(shí)間段的時(shí)頻結(jié)果圖也顯示，地震波動(dòng)的能量色塊值幾乎達(dá)到1以上，風(fēng)擾能量值最高為0.25。因此，從地震計(jì)與洞體應(yīng)變儀記錄對(duì)比結(jié)果來(lái)看，地震計(jì)的記錄能較好地反映出地震與風(fēng)擾信號(hào)的差別。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)太原站地震計(jì)、洞體應(yīng)變儀原始記錄波形及基于S波變換法的時(shí)頻分析，可得到如下結(jié)論：

(1) 2020年6月24日16:30～18:00太原站洞體應(yīng)變儀記錄的高頻信號(hào)為大風(fēng)干擾。

(2) 洞體應(yīng)變儀記錄的大風(fēng)干擾信號(hào)與當(dāng)日記錄的地震信號(hào)主要頻率接近，均分布于歸一化頻率0.1～0.5范圍內(nèi)，不易分辨。

(3) 地震儀記錄的地震信號(hào)與大風(fēng)信號(hào)存在明顯區(qū)別。地震波形密集，周期更小，地震信號(hào)形態(tài)復(fù)雜多變；風(fēng)擾信號(hào)周期相對(duì)大，波形形態(tài)單一。

(4) 時(shí)頻結(jié)果顯示，地震計(jì)(仿真763儀)記錄的當(dāng)日地震信號(hào)主要頻率展布在0.01～0.2，即周期為5～100 s；大風(fēng)事件頻率展布在0.01～0.02，即周期為50～100 s。表現(xiàn)為地震信號(hào)含有更高的頻率成分。

綜上所述，太原站洞體應(yīng)變儀記錄的大風(fēng)信號(hào)與地震信號(hào)相似，頻率接近，不易辨識(shí)；地震計(jì)的波形記錄可以較好地分辨出兩者。因此，引入同期地震計(jì)波形進(jìn)行對(duì)比分析，可為地球物理測(cè)項(xiàng)的干擾識(shí)別及數(shù)據(jù)分析處理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。