基于时域分析法的微震波到时拾取研究

徐 科 峰

(新华水力发电有限公司，北京 100070)

0 引言

微震监测作为工程地质灾害预警技术，在隧道(硐室)开拓、地下矿山岩爆、矿震及透水监测，边坡滑坡等领域有较多应用，如锦屏二级水电站深埋长大隧洞岩爆监测[1]以及大岗山右岸边坡滑坡监测[2]等。随着工程实践应用的增多，成百上千的岩体破裂事件被采集、识别、分析与灾害预测与控制，大量的波形数据分析成为工作人员繁重的日常工作。微震波到时拾取作为信号分析的首要工作，对微震定位、波形频谱分析、岩体破裂机理分析以及实时监测预警起到重要的作用。但隧道、边坡等工程的监测环境复杂，岩石破裂信号易受到机械振动、爆破震动以及自然噪声的干扰，致使微震信号的到时难以精确拾取。因此，准确、快速的确定微震信号的到时成为微震监测技术实现实时灾害预防的关键问题。

本文通过分析微震波的波形特征，对比多种到时拾取方法优缺点，探讨微震波到时拾取方法的研究方向及发展趋势，对提高微震定位的精确性与时效性以及保证微震监测安全预警有重要的指导意义。

1 微震波到时拾取方法简介

微震(Micro-seismic)，是指由岩体破裂或流体扰动产生的微小震动，具有震源浅、持续时间短、传递能量小、震动频率比地震波大的特点。岩体内部发生破裂时，微震波主要以压力波(P-wave)与剪切波(S-wave)形式向外传播能量。微震波在复杂多变的岩体介质中传播时，会受到岩体节理面、岩层交界面的折射与反射以及岩体内部的能量吸收，并在机械振动、爆破震动与环境噪声的干扰下，被消隐或复合成低信噪比信号，致使检波器接受的微震波存在能量衰减与信号干扰等问题，微震波的频谱存在较大的频带差异。

微震波到时拾取是微震监测技术中最基本的环节，在微震事件识别、微震精确定位以及岩体破裂机制分析等方面具有重要的作用。在大量的地震信号处理中，到时拾取研究经历了由人工拾取到自动拾取、由经验判别到理论体系、由单一方法到综合方法、由传统理论和方法到新理论、新方法的发展过程，对微震监测技术发展起到了巨大推动作用。微震到时拾取在单一理论上可分为时域分析、频域分析等，本文重点讨论时域分析法。

2 时域分析法

时域分析是到时拾取最为简单的方法，主要是根据震动波与噪声在振幅与频率上的突变差异进行拾取，最常用的方法是STA/LTA阈值拾取法与AIC法(见图1)。

2.1 STA/LTA阈值拾取法

Vanderkulk等[3]在处理微震数据时，首次以波形振幅绝对值作为特征函数，称为STA/LTA阈值拾取法。该方法是通过建立能够反映信号振幅或频率变化的特征函数，计算时间序列的特征函数值，进而计算出前、后滑动时窗内平均特征值的比值，根据经验性阈值判别，确定微震波震相初至到时。STA/LTA阈值拾取法计算简单、快捷、操作性强，适用于早期的计算机处理能力，并得到广泛的应用。但由于该方法需要设定两个时间窗口的长度以及判别阈值等经验参数，使拾取结果存在人工误差。为此，有学者将高阶统计分析与STA/LTA结合，分析地震波形数据中异常事件，提出适用性的STA/LTA阈值拾取法。特征函数选取的差异性使噪声与信号初动间的微小震动难以显现或显示不明显，致使该方法在同一阈值条件下处理信号时存在拾取误差(见图1b))，处理不同信噪比信号时会出现拾取错误。因此，众多学者深入研究波形特征，构建能反映波形能量变化的特征函数。

目前，最为常用的特征函数是由Allen提出的包络层特征函数[4]，该函数通过信号的一阶差分反映其频率变化，通过能量与频率的平方加强显现信号与噪声的差异。为加强显现噪声与信号的频率变化，可采用变化时窗内振幅与频率的相对比值修正了Allen的特征函数，使其适用于信噪比稍低的信号。也可通过分析多层薄板信号的初震被高能量的主波峰消隐后，简化Allen函数为一阶函数。特征函数的建立均是为了适用不同信噪比的微震或地震信号，以反映其噪声与震动信号间的差异，较为常用特征方程如表1所示。

表1 STA/LTA法的特征函数

2.2 AIC拾取法

AIC (Akaike Information Criterion)最小信息量准则是由日本统计学家Akaike于1976年提出，是分析衡量统计模型拟合优良性的标准[5]。该方法是通过假设微震波是由高斯噪声与震动信号组成的平稳信号，将波形的时间序列的统计量作为似然参量，建立多元回归模型，遍历寻找背景噪声与信号最佳的分界点，即AIC数据曲线的最小值点，作为波形到时拾取点。

AIC法是建立在信号拟合与数理统计的基础上，回归模型的似然参量及模型阶次的选择成为AIC法到时拾取精度的关键。为此，众多学者根据AIC法基本原理，从一阶模型的绝对振幅值的似然参量，到高阶统计量(偏斜度、峰度)等高阶似然参量，做出了大量研究工作，如：AR-AIC，HOS-AIC等，并在处理非高斯、非最小相位、非线性信号中得到实践应用[6,7]。AIC法在微震到时拾取上具有快捷、精准、直观的特点，适合信噪比较高的微震P波到时拾取。但该方法需要设定时间序列AIC数据窗口的位置及其宽度，不同时窗会有不同的AIC曲线，造成拾取上的误差(图1c))，并且该方法不适合连续微震记录的滑动分析。

为此，可在分析多层介质中声发射定位震相到时拾取问题时，提出了二次AIC(two-step AIC)拾取方法。该方法是根据特征函数最大值点确定AIC时窗位置，并设定一次拾取的前、后时窗宽度(Nb,Na)，采用Medea的AIC公式进行拾取，得到到时t0；根据拾取点t0的位置缩小时窗宽度，重新设定前、后时窗宽度(ΔtFB,ΔtFA)进行二次拾取，获得精确的到时t1。整个到时拾取过程如图2所示。

3 结语

本文通过分析微震波频率特征，对比现有各到时拾取算法的利弊，指出当前微震到时拾取过程中存在的问题，主要研究结论如下：1)特征函数的选取及拾取参数(拾取阈值与前、后时窗宽度)的经验性设定，是导致STA/LTA法在到时拾取上存在误差的主要原因；而AIC时窗的位置及宽度是造成AIC法拾取误差的原因。2)微震波特征函数的选取与拾取算法的建立均需要与现场微震定位不断地循环验证，为精确的微震波到时提供客观的理论判据，促进理论与实践有机的结合，以符合错综复杂地质条件下的微震监测工程需要。3)STA/LTA法与AIC法的结合，消除两者之间不确定因素对到时拾取结果的影响，保持了简单、快速、精准的优点，提高微震数据处理速度，保证微震监测的时效性，更适用于工程应用。