单台P波震相拾取方法研究

林华伟++刘超++柴森++邱勇

摘要：地震P的震相拾取是地震预警技术中的关键步骤，P波到时的拾取精度直接影响到后续震源参数估算及多台站震中定位的精度。针对常规长短时平均（STA/LTA）方法对于信噪比低的地震记录震相拾取效果不理想的问题，本文发展了一套基于改进的STA/LTA方法和自回归检测法（AIC）的P波震相拾取方法，该方法可提高算法对于低信噪比情况下的地震事件判别成功率，在实时预警中具备应用价值。

Abstract： P-arrival detection of earthquake is the most import part of earthquake early warning. The precision of P-arrival detection directly affects the precision of earthquake parameters and location. Aiming at the problem that the short-term-average/the long-term-average （STA/LTA） method is not ideal for the seismic phase picking with low signal noise ratio， a new picking method is developed. The picking method is based on the improved short-term-average/the long-term-average （STA/LTA） and Akaike information criterion （AIC）.The method can improve the success rate of P-arrival detection and it has practical application value.

关键词：地震；P波拾取；长短时平均比

Key words： earthquake；P-arrival detection；STA/LTA

中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0129-02

0 引言

地震是对人类生命财产危害性极大自然灾害。由于地震预警时效性的要求，往往需要在地震P波到达监测台站后3～5秒时间内，通过分析地震P波携带的信息，在危害性更大的S波到达前发布地震警报。因此，地震P波震相的捡拾是整个预警技术的基础。介于此，深入研究优化地震P波震相的捡拾算法具有十分重要的意义。

1 方法原理

1.1 长短时平均比法

对于地震事件的判别目前最常用的是长短时平均法，该方法从地震波到达时相对于背景噪声的能量变化入手，对地震事件进行捡拾。按计算方法不同，可以将STA/LTA法分为标准法和递推法。

从图中可以看出在信噪比较高时，标准方法与递推方法均可对地震事件作出快速响应，递推方法的结果整体较常规方法结果更为平滑，且幅值响应更大，对比图中箭头的位置发现，递推法对背景噪音的抑制能力更强，更有利于阈值的设定。

本文采用递推的STA/LTA法参与计算，并设定触发阈值为10，即当STA/LTA法计算结果数值上超过10的时候，判别为有一次事件发生。

1.2 自回归检测法

STA/LTA法虽然可以对地震P波震相进行捡拾，但捡拾的结果仅仅是一个粗略的值，其相对真实的P波到时有所滞后。20世纪70年代日本学者Akaike提出一个基本信息定阶准则——自回归检测法（AIC）准则对震相进行精确拾取。该方法假设地震波到达前后信号处于两种不同的稳态过程，具体计算公式如下：

其中，k的范围是窗口内所有采样点，P波震相到位置对应于AIC函数的最小值。

本文在STA/LTA法初判点位置，向前向后分别开2秒和0.2秒的时窗进行AIC检测。图3为2014年四川省德阳市绵竹县3.7级地震AIC检测效果图，图中深色线为垂向加速度记录，浅色线为AIC函数计算结果，虚线位置为人工手动拾取的P波到时。从图中可以看出，AIC函数的最小值与人工捡拾的P波到时位置几乎重合。

2 方法优化

改进的STA/LTA法

如前文所述，STA/LTA法是一种能量的方法，对于信噪比高的地震记录，其P波震相清晰，当有一个震相到达时，短时平均值STA（i）会有明显突变，而长时平均值LTA（i）几乎无变化，因此可以对震相进行拾取。然而，对于背景噪声较大，或者衰减后震相较为模糊的远震而言，STA/LTA法的捡拾效果往往不太理想。

介于此，本文引入改进因子α对STA/LTA法计算结果做如下改进：

此时当信号到达α会对Rat的值产生一个放大作用，使其更有利于识别初动不明显的信号，减少漏报事件，一般t取1～2秒即可获得很好效果。

图4为四川省阿坝藏族羌族自治州茂县3.7级地震垂向记录，图5为常规方法与改进方法捡拾结果对比图。由图可见，引入了改进因子后STA/LTA法的计算结果响应更加明显，因此触发阈值的设定更加明显，可有效解决背景噪声及P波初动不明显情况下的事件漏报情况。

3 结论

本文通过开展单台P波震相拾取方法研究，发展了一套基于改进的STA/LTA方法和自回归检测法（AIC）的P波震相拾取方法，对比分析常规STA/LTA法与递推STA/LTA法的差异，实例计算表明，递推STA/LTA法相对于常规方法对于背景噪声的抑制能力更强；针对常规长短时平均（STA/LTA）方法对于信噪比低的地震记录的震相拾取效果不理想的问题，引入改进因子α，可有效提高背景噪声及P波初动不明显情况下事件捡拾成功率，避免漏报的发生。

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