强干扰环境下有效数字地震信号的提取

肖本夫,万永革,2,祁玉萍

(1.防灾科技学院,河北 燕郊 101601;

2.中国地震局地球物理研究所,北京 100081)

强干扰环境下有效数字地震信号的提取

肖本夫1,万永革1,2,祁玉萍1

(1.防灾科技学院,河北 燕郊 101601;

2.中国地震局地球物理研究所,北京 100081)

城市扩张和人类活动所带来的环境干扰已经越来越严重地影响到地震监测,给地震参数的确定和其他地球物理研究造成不确定性。本研究以处于高环境噪声的防灾地震台记录的2008年5月12日汶川地震波形资料为例,给出如何采用数字信号处理手段从强干扰环境下提取到地震波有效信号,并按方位角和出射角方向对地震信号各分向信号进行了分解与组合,最后归纳出提取有效信号的一般过程。

强干扰;频谱分析;数字滤波;射线坐标系

0 引言

我国地震台站观测最早始于19世纪末,主要作用是利用各种地震仪器进行地震观测,同时地震台站也是开展地震观测和地震科学研究的基层机构,随着科技的进步以及十五和十一五的建设,现在我国绝大部分的地震台站都采用了数字化仪器,这对于提高国家的地震监测能力及其研究水平具有十分重要的现实意义。

尽管与传统的模拟地震台站相比,数字地震台站为震相识别的精度和可靠性创造了更为有利的条件,同时有效的数字地震信号也成为地震分析与研究中极其重要的资料,但是由于城市化的不断向前推进,现在很多台站的数字化记录都受到了不同程度的环境噪声干扰,这些干扰是各种随机信号的叠加造成的,如汽车、火车、飞机的干扰、观测人员走动的干扰等,具有不可预测性,这就使得有效数字地震信号的提取变得越来越困难。因此,研究强噪声背景下地震信号的提取具有一定的现实意义,对于精确确定地震位置,并对地壳速度结构反演、地震精确目录的构建以及地震预测研究均具有基础意义。

1 台站概况与地理环境

防灾科技学院地震台(以下简称“防灾台”)位于北纬 40.0°,东经 116.8°,高程 42.7m,台址位置在首都圈范围内,是燕山、太行山隆起的交汇部位,区内曾多次发生7级以上强烈地震[1]。防灾台记录初期使用的是纸质模拟记录仪,自1996年改用数字记录仪,记录所采用的数字地震仪CTS-1E甚宽频带地震计,该型号地震计具有宽频带(50Hz-120Sec)、高灵敏度、低噪声等特点,在日常监测中设置地震记录采样频率为200Hz。

防灾台位于距天安门30km处的燕郊经济技术开发区,距离铁道1500m,120国道1000m,西邻燕灵路50m,南邻学院街40m,高速铁路、120国道是重要的交通命脉,燕灵路和学院街每天车水马龙,汽车、机动三轮车来往频繁。台站附近多处建设施工工地。更为严重的是,校园内的学生体育活动、社团活动等也会严重影响地震观测,因此该台站是一个典型的多干扰的地震台站。

2 噪声干扰因素

结合台站的位置和地理环境综合分析,该台数字地震记录的可能的主要干扰因素来自于以下几个方面:汽车的干扰、火车的干扰、建筑施工的干扰、实训人员干扰。

其中汽车和建筑施工的干扰因为距离较近,故常常是不规则出现并且随机性较强,同时其干扰在数字地震记录上振幅较大;火车噪声对周围环境的影响除与噪声源辐射噪声声级大小有关外,还与声场分布特性、指向性、频率特性以及线路周围环境等诸多因素有关,同时火车运行噪声会随着垂直于线路方向的距离的增加呈对数规律衰减[2],在地震图上体现为鼓出的鸟巢形波形段,并表现出频带较宽、重复性好、稳定性好等特征[3-5]。而且因为火车的发车时刻是相对固定的,每天在燕郊火车站停留的火车车次分别为 4496、K7731、4495、K430,其到达时间分别为 11:09、09:08、16:07、12:25,故火车的干扰往往也会表现出一定的周期性;实训人员干扰的随机性最强,但是因为地震仪安置于较为封闭的环境之中,故其干扰常表现为小振幅、不规则的特征。总体来说,汽车、建筑施工和实训人员的干扰常常是在白天较强,夜间较弱。

通过分析可以看出,本台站的干扰因素之多是众多台站中少有的,对其进行噪声去除研究对于其他有噪声台站有用信号的提取具有很强的借鉴意义,对于防灾科技学院的教学也有很强的应用价值。

3 有效地震波数据的提取

以下使用防灾台对2008年5月12日汶川地震的记录数据进行分析。

汶川大地震是继唐山大地震之后损失和伤亡最为严重的一次地震,根据四川防震减灾网发布的地震目录,这次地震震中位于北纬31°、东经103.4°,对于防灾台方位角为46.87°,距离为14.08°,属于远震。此类地震的一般理论特征为震相复杂,初至震相为P波,但因为处于上地幔低速层的干扰下,P波极其微弱,各震相周期较大,面波较为发育1)孟晓春.地震学基础知识.2004:78-79.。

从防灾台数字地震记录的震相的三分向(图1)中看出,其面波较为发育,但是 P波初动方向和到时根本无法确定,并且在UD向震相中出现大量的随机信号干扰,振幅较大且地震持续时间难以判断,在EW和NS分向也可以看到同样的现象。经过分析可知,这主要是由于台站周围的干扰所引起的。因此我们需要分析汶川地震防灾台记录的频谱,采用快速傅里叶变换分析记录的频谱成分。

根据快速傅里叶分析可以看出(图2),原始远震地震信号中的10～14Hz高频成分较多且振幅较大,已经将 P波初动的信号完全淹没。另外,为了能够清楚的看到主要频率的分布范围,在频率域中笔者主要截取了0～25Hz范围内的频谱,可以看到在1Hz范围内出现大量低频段地震信号,在0.5Hz处数字地震信号的地震能量达到最大,不难判断这是主震的频率。

图1 防灾台2008年5月12日汶川地震原始地震记录三分向图

图2 防灾台2008年5月12日汶川地震垂直向振幅谱图

针对频谱分析的相关结论,要得到较为清晰的地震信息,笔者设计了 FIR低通数字滤波器,其主要参数为:通带边界归一化频率为1/100,滤波器阶数为400,采样间隔0.005s,采取了主瓣宽为8π/N(N为阶数)、第一旁瓣相对主瓣衰减为-41dB的哈明窗[6],程序运行图形如图3,通过对滤波前和滤波后震相的对比,能够明显地观察到滤波后地震信号的波列形态清晰,原始震相中各种高频信号消失,同时P初动较为明显,能够判断地震信号的持续时间。

图3 防灾台2008年5月12日汶川地震滤波后信号

一般情况下的信号处理到此即可,但是作为一种探索,本文还考虑到发震地点的指北方向线与其到防灾台的方向线的顺时针水平夹角(即方位角)与地震波相对于防灾台的出射角会改变地震波的到时和振幅的读取,从而使得对地震的震级(能量)判断出现误差,如果能够滤除这些影响,势必会提高地震定位和震级的准确性,鉴于此影响,笔者将原始地震的三分向进行了分解,并按照出射角和方位角的方向进行了投影,设方位角为α,出射角为β,其中方位角α是根据震源和台站的坐标的相对位置(震源坐标包括深度)计算得到,然后根据初步地球参考模型,计算震源到台站的射线路径的出射角β,原始震相的三分向分别为UD、EW、NE,重新组合后的三分向分别为r、sv、sh,那么其坐标系的转换可以表述为[7]:

通过该坐标转换,我们能够将原始震相的地震能量按照出射角和方位角的方向进行新的组合,进而重新组合成新的震相三分量(图4)。

从图4左侧两图不难看到,震相重新组合前后的P波初动方向均较为明显并且P波到时也较为一致。虽然组合前后的震相的振幅相差较大,且重新组合后的信号能量更加集中,但是可以清楚的看到其振幅比也是较为一致的。因此,此种将震相三分量按照出射角和方位角的方向旋转至r,sv,sh三分量方向的方法是可行的。

图4 震相重新组合前后UD分向地震信号图

4 结论和讨论

综上所述,在强干扰环境下进行有效数字地震信号提取的一般过程是:(1)结合地震台站的周围环境对地震信号中可能遇到的干扰以及造成干扰的原因进行初步的分析;(2)对数字地震信号进行频谱分析,区分地震波信号与干扰信号的频段,需注意高频和低频信号是相对于不同的研究对象来说的;(3)根据频谱分析结果选择并设计相应的滤波器进行数字滤波;(4)如果滤波后的信号不强的话,可以尝试对原始信号的三分向坐标变换,通过对比三分向坐标变换前后的震相处理结果,最终选择较为适当的处理结果。

强干扰环境下的数字地震信号中含有的频率成分多、范围广,要从中提取出有效地震信号,就需要对其进行频谱分析,再根据所需地震信号的频率范围选择相应的滤波方式,那么在这个过程中,如果选择的滤波范围不当就有可能将真正有用的信号一并滤去,这是地震数据分析中不愿意见到的。怎样选择适当的频率范围,这便是在日后学习和工作中所要注意的问题。

另外,在讨论中给出目前干扰主要是高频噪声,对高频段信号的影响比较大,故本研究只采用滤波器去除了高频干扰从而识别出低频信号,对于区域地震的高频信号,需要多次尝试滤除干扰,这将是以后要研究的问题。

最后,感谢防灾科技学院地震科学系为本研究提供相关资料和审稿专家的建设性修改意见!

[1] 黄金莉,赵大鹏.首都圈地区地壳三维P波速度细结构与强震孕育的深部构造环境[J].科学通报,2005,50(4):348-349.

[2] 崔合有.铁路列车运行噪声的环境质量影响与控制措施探讨[J].科技风,2009,13:161.

[3] 李丽,彭文涛,李刚,等.可作为新震源的列车振动及实验研究[J].地球物理学报,2004,47(4):680-684.

[4] 李文军,李丽,陈棋福.用震源扫描算法(SSA)研究列车源的运动[J].地球物理学报,2008,51(4):1146-1151.

[5] 陈棋福,李丽,李纲,等.列车震动的地震记录信号特征[J].地震学报,2004,26(6):651-659.

[6] 万永革.数字信号处理的MATLAB实现[M].北京:科学出版社,2007:197-199.

[7] 傅淑芳,朱仁益.高等地震学[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,地球物理学专业.E-mail:xiaobf—1986@hotmail.com.