肖本夫,萬永革,2,祁玉萍

(1.防災(zāi)科技學(xué)院,河北 燕郊 101601;

2.中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

強(qiáng)干擾環(huán)境下有效數(shù)字地震信號的提取

肖本夫1,萬永革1,2,祁玉萍1

(1.防災(zāi)科技學(xué)院,河北 燕郊 101601;

2.中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

城市擴(kuò)張和人類活動(dòng)所帶來的環(huán)境干擾已經(jīng)越來越嚴(yán)重地影響到地震監(jiān)測,給地震參數(shù)的確定和其他地球物理研究造成不確定性。本研究以處于高環(huán)境噪聲的防災(zāi)地震臺記錄的2008年5月12日汶川地震波形資料為例,給出如何采用數(shù)字信號處理手段從強(qiáng)干擾環(huán)境下提取到地震波有效信號,并按方位角和出射角方向?qū)Φ卣鹦盘柛鞣窒蛐盘栠M(jìn)行了分解與組合,最后歸納出提取有效信號的一般過程。

強(qiáng)干擾;頻譜分析;數(shù)字濾波;射線坐標(biāo)系

0 引言

我國地震臺站觀測最早始于19世紀(jì)末,主要作用是利用各種地震儀器進(jìn)行地震觀測,同時(shí)地震臺站也是開展地震觀測和地震科學(xué)研究的基層機(jī)構(gòu),隨著科技的進(jìn)步以及十五和十一五的建設(shè),現(xiàn)在我國絕大部分的地震臺站都采用了數(shù)字化儀器,這對于提高國家的地震監(jiān)測能力及其研究水平具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

盡管與傳統(tǒng)的模擬地震臺站相比,數(shù)字地震臺站為震相識別的精度和可靠性創(chuàng)造了更為有利的條件,同時(shí)有效的數(shù)字地震信號也成為地震分析與研究中極其重要的資料,但是由于城市化的不斷向前推進(jìn),現(xiàn)在很多臺站的數(shù)字化記錄都受到了不同程度的環(huán)境噪聲干擾,這些干擾是各種隨機(jī)信號的疊加造成的,如汽車、火車、飛機(jī)的干擾、觀測人員走動(dòng)的干擾等,具有不可預(yù)測性,這就使得有效數(shù)字地震信號的提取變得越來越困難。因此,研究強(qiáng)噪聲背景下地震信號的提取具有一定的現(xiàn)實(shí)意義,對于精確確定地震位置,并對地殼速度結(jié)構(gòu)反演、地震精確目錄的構(gòu)建以及地震預(yù)測研究均具有基礎(chǔ)意義。

1 臺站概況與地理環(huán)境

防災(zāi)科技學(xué)院地震臺(以下簡稱“防災(zāi)臺”)位于北緯 40.0°,東經(jīng) 116.8°,高程 42.7m,臺址位置在首都圈范圍內(nèi),是燕山、太行山隆起的交匯部位,區(qū)內(nèi)曾多次發(fā)生7級以上強(qiáng)烈地震[1]。防災(zāi)臺記錄初期使用的是紙質(zhì)模擬記錄儀,自1996年改用數(shù)字記錄儀,記錄所采用的數(shù)字地震儀CTS-1E甚寬頻帶地震計(jì),該型號地震計(jì)具有寬頻帶(50Hz-120Sec)、高靈敏度、低噪聲等特點(diǎn),在日常監(jiān)測中設(shè)置地震記錄采樣頻率為200Hz。

防災(zāi)臺位于距天安門30km處的燕郊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),距離鐵道1500m,120國道1000m,西鄰燕靈路50m,南鄰學(xué)院街40m,高速鐵路、120國道是重要的交通命脈,燕靈路和學(xué)院街每天車水馬龍,汽車、機(jī)動(dòng)三輪車來往頻繁。臺站附近多處建設(shè)施工工地。更為嚴(yán)重的是,校園內(nèi)的學(xué)生體育活動(dòng)、社團(tuán)活動(dòng)等也會嚴(yán)重影響地震觀測,因此該臺站是一個(gè)典型的多干擾的地震臺站。

2 噪聲干擾因素

結(jié)合臺站的位置和地理環(huán)境綜合分析,該臺數(shù)字地震記錄的可能的主要干擾因素來自于以下幾個(gè)方面:汽車的干擾、火車的干擾、建筑施工的干擾、實(shí)訓(xùn)人員干擾。

其中汽車和建筑施工的干擾因?yàn)榫嚯x較近,故常常是不規(guī)則出現(xiàn)并且隨機(jī)性較強(qiáng),同時(shí)其干擾在數(shù)字地震記錄上振幅較大;火車噪聲對周圍環(huán)境的影響除與噪聲源輻射噪聲聲級大小有關(guān)外,還與聲場分布特性、指向性、頻率特性以及線路周圍環(huán)境等諸多因素有關(guān),同時(shí)火車運(yùn)行噪聲會隨著垂直于線路方向的距離的增加呈對數(shù)規(guī)律衰減[2],在地震圖上體現(xiàn)為鼓出的鳥巢形波形段,并表現(xiàn)出頻帶較寬、重復(fù)性好、穩(wěn)定性好等特征[3-5]。而且因?yàn)榛疖嚨陌l(fā)車時(shí)刻是相對固定的,每天在燕郊火車站停留的火車車次分別為 4496、K7731、4495、K430,其到達(dá)時(shí)間分別為 11:09、09:08、16:07、12:25,故火車的干擾往往也會表現(xiàn)出一定的周期性;實(shí)訓(xùn)人員干擾的隨機(jī)性最強(qiáng),但是因?yàn)榈卣饍x安置于較為封閉的環(huán)境之中,故其干擾常表現(xiàn)為小振幅、不規(guī)則的特征?？傮w來說,汽車、建筑施工和實(shí)訓(xùn)人員的干擾常常是在白天較強(qiáng),夜間較弱。

通過分析可以看出,本臺站的干擾因素之多是眾多臺站中少有的,對其進(jìn)行噪聲去除研究對于其他有噪聲臺站有用信號的提取具有很強(qiáng)的借鑒意義,對于防災(zāi)科技學(xué)院的教學(xué)也有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

3 有效地震波數(shù)據(jù)的提取

以下使用防災(zāi)臺對2008年5月12日汶川地震的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

汶川大地震是繼唐山大地震之后損失和傷亡最為嚴(yán)重的一次地震,根據(jù)四川防震減災(zāi)網(wǎng)發(fā)布的地震目錄,這次地震震中位于北緯31°、東經(jīng)103.4°,對于防災(zāi)臺方位角為46.87°,距離為14.08°,屬于遠(yuǎn)震。此類地震的一般理論特征為震相復(fù)雜,初至震相為P波,但因?yàn)樘幱谏系蒯５退賹拥母蓴_下,P波極其微弱,各震相周期較大,面波較為發(fā)育1)孟曉春.地震學(xué)基礎(chǔ)知識.2004:78-79.。

從防災(zāi)臺數(shù)字地震記錄的震相的三分向(圖1)中看出,其面波較為發(fā)育,但是 P波初動(dòng)方向和到時(shí)根本無法確定,并且在UD向震相中出現(xiàn)大量的隨機(jī)信號干擾,振幅較大且地震持續(xù)時(shí)間難以判斷,在EW和NS分向也可以看到同樣的現(xiàn)象。經(jīng)過分析可知,這主要是由于臺站周圍的干擾所引起的。因此我們需要分析汶川地震防災(zāi)臺記錄的頻譜,采用快速傅里葉變換分析記錄的頻譜成分。

根據(jù)快速傅里葉分析可以看出(圖2),原始遠(yuǎn)震地震信號中的10～14Hz高頻成分較多且振幅較大,已經(jīng)將 P波初動(dòng)的信號完全淹沒。另外,為了能夠清楚的看到主要頻率的分布范圍,在頻率域中筆者主要截取了0～25Hz范圍內(nèi)的頻譜,可以看到在1Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)大量低頻段地震信號,在0.5Hz處數(shù)字地震信號的地震能量達(dá)到最大,不難判斷這是主震的頻率。

圖1 防災(zāi)臺2008年5月12日汶川地震原始地震記錄三分向圖

圖2 防災(zāi)臺2008年5月12日汶川地震垂直向振幅譜圖

針對頻譜分析的相關(guān)結(jié)論,要得到較為清晰的地震信息,筆者設(shè)計(jì)了 FIR低通數(shù)字濾波器,其主要參數(shù)為:通帶邊界歸一化頻率為1/100,濾波器階數(shù)為400,采樣間隔0.005s,采取了主瓣寬為8π/N(N為階數(shù))、第一旁瓣相對主瓣衰減為-41dB的哈明窗[6],程序運(yùn)行圖形如圖3,通過對濾波前和濾波后震相的對比,能夠明顯地觀察到濾波后地震信號的波列形態(tài)清晰,原始震相中各種高頻信號消失,同時(shí)P初動(dòng)較為明顯,能夠判斷地震信號的持續(xù)時(shí)間。

圖3 防災(zāi)臺2008年5月12日汶川地震濾波后信號

一般情況下的信號處理到此即可,但是作為一種探索,本文還考慮到發(fā)震地點(diǎn)的指北方向線與其到防災(zāi)臺的方向線的順時(shí)針?biāo)綂A角(即方位角)與地震波相對于防災(zāi)臺的出射角會改變地震波的到時(shí)和振幅的讀取,從而使得對地震的震級(能量)判斷出現(xiàn)誤差,如果能夠?yàn)V除這些影響,勢必會提高地震定位和震級的準(zhǔn)確性,鑒于此影響,筆者將原始地震的三分向進(jìn)行了分解,并按照出射角和方位角的方向進(jìn)行了投影,設(shè)方位角為α,出射角為β,其中方位角α是根據(jù)震源和臺站的坐標(biāo)的相對位置(震源坐標(biāo)包括深度)計(jì)算得到,然后根據(jù)初步地球參考模型,計(jì)算震源到臺站的射線路徑的出射角β,原始震相的三分向分別為UD、EW、NE,重新組合后的三分向分別為r、sv、sh,那么其坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可以表述為[7]:

通過該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,我們能夠?qū)⒃颊鹣嗟牡卣鹉芰堪凑粘錾浣呛头轿唤堑姆较蜻M(jìn)行新的組合,進(jìn)而重新組合成新的震相三分量(圖4)。

從圖4左側(cè)兩圖不難看到,震相重新組合前后的P波初動(dòng)方向均較為明顯并且P波到時(shí)也較為一致。雖然組合前后的震相的振幅相差較大,且重新組合后的信號能量更加集中,但是可以清楚的看到其振幅比也是較為一致的。因此,此種將震相三分量按照出射角和方位角的方向旋轉(zhuǎn)至r,sv,sh三分量方向的方法是可行的。

圖4 震相重新組合前后UD分向地震信號圖

4 結(jié)論和討論

綜上所述,在強(qiáng)干擾環(huán)境下進(jìn)行有效數(shù)字地震信號提取的一般過程是:(1)結(jié)合地震臺站的周圍環(huán)境對地震信號中可能遇到的干擾以及造成干擾的原因進(jìn)行初步的分析;(2)對數(shù)字地震信號進(jìn)行頻譜分析,區(qū)分地震波信號與干擾信號的頻段,需注意高頻和低頻信號是相對于不同的研究對象來說的;(3)根據(jù)頻譜分析結(jié)果選擇并設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波;(4)如果濾波后的信號不強(qiáng)的話,可以嘗試對原始信號的三分向坐標(biāo)變換,通過對比三分向坐標(biāo)變換前后的震相處理結(jié)果,最終選擇較為適當(dāng)?shù)奶幚斫Y(jié)果。

強(qiáng)干擾環(huán)境下的數(shù)字地震信號中含有的頻率成分多、范圍廣,要從中提取出有效地震信號,就需要對其進(jìn)行頻譜分析,再根據(jù)所需地震信號的頻率范圍選擇相應(yīng)的濾波方式,那么在這個(gè)過程中,如果選擇的濾波范圍不當(dāng)就有可能將真正有用的信號一并濾去,這是地震數(shù)據(jù)分析中不愿意見到的。怎樣選擇適當(dāng)?shù)念l率范圍,這便是在日后學(xué)習(xí)和工作中所要注意的問題。

另外,在討論中給出目前干擾主要是高頻噪聲,對高頻段信號的影響比較大,故本研究只采用濾波器去除了高頻干擾從而識別出低頻信號,對于區(qū)域地震的高頻信號,需要多次嘗試濾除干擾,這將是以后要研究的問題。

最后,感謝防災(zāi)科技學(xué)院地震科學(xué)系為本研究提供相關(guān)資料和審稿專家的建設(shè)性修改意見!

[1] 黃金莉,趙大鵬.首都圈地區(qū)地殼三維P波速度細(xì)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)震孕育的深部構(gòu)造環(huán)境[J].科學(xué)通報(bào),2005,50(4):348-349.

[2] 崔合有.鐵路列車運(yùn)行噪聲的環(huán)境質(zhì)量影響與控制措施探討[J].科技風(fēng),2009,13:161.

[3] 李麗,彭文濤,李剛,等.可作為新震源的列車振動(dòng)及實(shí)驗(yàn)研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2004,47(4):680-684.

[4] 李文軍,李麗,陳棋福.用震源掃描算法(SSA)研究列車源的運(yùn)動(dòng)[J].地球物理學(xué)報(bào),2008,51(4):1146-1151.

[5] 陳棋福,李麗,李綱,等.列車震動(dòng)的地震記錄信號特征[J].地震學(xué)報(bào),2004,26(6):651-659.

[6] 萬永革.數(shù)字信號處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京:科學(xué)出版社,2007:197-199.

[7] 傅淑芳,朱仁益.高等地震學(xué)[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,地球物理學(xué)專業(yè).E-mail:xiaobf—1986@hotmail.com.