李萬金，陳 陽

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230026;2.云南省地震局個舊地震臺，云南個舊661000)

0 引言

地震臺站測震儀器系統(tǒng)在記錄地震波形數(shù)據(jù)的同時，必須能夠?qū)崟r準(zhǔn)確檢測地震并報警，才能從根本上保障測震人員在地震發(fā)生后及時速報地震。目前單臺儀器不能對所有記錄到的地震進行準(zhǔn)確檢測，但至少應(yīng)該保證一定強度地震(如ML≥3.0的地方震，ML≥5.0的近震，MS≥6.0的遠(yuǎn)震，MS≥7.0的極遠(yuǎn)震)的實時檢測報警。但目前國家數(shù)字地震臺使用的地震波形監(jiān)視記錄軟件的地震報警功能很不理想，經(jīng)常出現(xiàn)“有震不報警，無震亂報警”的情況，嚴(yán)重影響了臺站日常地震速報工作。

由于臺站觀測儀器易受自然界背景噪聲干擾(如機械振動、大風(fēng)、爆破、人為活動等)(孟曉春，2005)和運行環(huán)境惡劣(如受潮、氣流擾動、雷電、50 Hz交流電串入等)的影響，導(dǎo)致地震記錄波形干擾嚴(yán)重，甚至因儀器運行不正常而使記錄波形失真。如果不采取措施來改善波形記錄質(zhì)量以及不對干擾嚴(yán)重的波形數(shù)據(jù)進行除噪處理，直接使用原始記錄波形進行報警，就無法清晰呈現(xiàn)出地震的記錄特征，這樣的波形有時人工都難以識別，地震記錄軟件就更不可能實現(xiàn)準(zhǔn)確報警。

目前，我國已經(jīng)完全實現(xiàn)從模擬測震到數(shù)字化測震的轉(zhuǎn)變，數(shù)字測震儀具有記錄頻帶寬、分辨率高、動態(tài)范圍大并且便于計算機進行資料處理等優(yōu)點(劉瑞豐等，1997)。例如，個舊地震臺高靈敏度、寬頻帶、高性能的CTS－1E型甚寬頻帶地震計，其頻帶是50 Hz～120 s，對等速度輸入響應(yīng)平坦(蔡亞先等，2004)。可見它的頻帶基本涵蓋了地震波的周期，即現(xiàn)在的一套數(shù)字測震儀記錄的地震信息相當(dāng)于過去短、中、長周期3套模擬測震儀記錄信息的總和，因此只要把改善地震波記錄質(zhì)量、波形實時仿真濾波技術(shù)以及合適的地震檢測算法相結(jié)合，就能有效地提高數(shù)字化測震儀地震檢測報警的準(zhǔn)確率。

測震臺站承擔(dān)著所在區(qū)域范圍內(nèi)有感及以上地震的速報工作。實現(xiàn)從干擾波形中自動檢測地震的技術(shù)，是實現(xiàn)震相自動識別技術(shù)的前提和基礎(chǔ)。因此，研究如何提高單臺地震報警的準(zhǔn)確率具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

1 地震觸發(fā)檢測原理及改進措施

1.1 STA/LTA觸發(fā)算法原理及參數(shù)設(shè)置

目前最常使用的地震觸發(fā)檢測算法是短時絕對均值與長時絕對均值之比(即STA/LTA)(彼得·鮑曼，2006)。STA測量信號的短時間變化，隨時監(jiān)視著地震;而LTA測量臺站當(dāng)前地震噪聲的振幅水平。

(1)STA/LTA算法原理

首先分別計算移動的STA和LTA時間窗中振幅的絕對均值，再計算這兩個均值的比值(STA/LTA)。程序?qū)⒋吮戎蹬c用戶設(shè)定的觸發(fā)閾值相比較。若大于觸發(fā)閾值時，就認(rèn)為檢測到地震并觸發(fā)報警。當(dāng)STA/LTA比值低于解除觸發(fā)閾值時，就認(rèn)為地震信號結(jié)束并解除報警。STA/LTA解除觸發(fā)閾值要小于STA/LTA觸發(fā)閾值(圖1)。

STA、LTA都作為滑動均值進行計算:

式中:xi是地震信號(經(jīng)濾波或未經(jīng)濾波);STA是短時均值;LTA是長時均值;NSTA和NLTA分別是STA窗和LTA窗中的點數(shù)。

圖1 STA/LTA觸發(fā)算法原理(a)一個連續(xù)的(經(jīng)過濾波)的地震信號;(b)在STA、LTA兩個窗口里平均絕對信號隨時間的變化;(c)STA/LTA隨時間的變化Fig.1 The principle of STA/LTA trigger algorithm(a)a continuous(filtered)seismic signal;(b)mean absolute signals in STA and LTA windows change with time;(c)STA/LTA changes with time

(2)STA/LTA基本觸發(fā)參數(shù)選擇

觸發(fā)參數(shù)設(shè)置是否合適對能否成功檢測地震事件很關(guān)鍵。STA/LTA的基本觸發(fā)參數(shù)有:STA時間窗長、LTA時間窗長、STA/LTA觸發(fā)閾值、STA/LTA解除觸發(fā)閾值。對于仿真成短周期的信號，STA用來測量地震信號的“瞬時”振幅，STA窗長一般為0.5 s;LTA測量臺站當(dāng)前地震噪聲的振幅水平，通常LTA窗長為50～500 s。安靜的臺站，STA/LTA觸發(fā)閾值常設(shè)置為4;人為噪聲強的臺站，觸發(fā)閾值可取8以上。STA/LTA解除觸發(fā)閾值決定何時解除報警，能記錄弱地震活動的安靜臺站，STA/LTA解除觸發(fā)閾值的取值是2～3;對噪聲大些的臺站，該閾值應(yīng)設(shè)置高一點。

(3)改進STA/LTA地震檢測算法

為提高地震檢測靈敏度，并有效減少地震的漏觸發(fā)、虛觸發(fā)和重復(fù)觸發(fā)，本研究采用凍結(jié)LTA值和設(shè)置觸發(fā)有效的最小持續(xù)時間、相臨兩次有效的地震檢測的最小間隔時間來改進傳統(tǒng)的STA/LTA地震檢測算法。

凍結(jié)LTA:一旦檢測到事件后就凍結(jié)LTA，從而使背景噪聲參考水平不受地震事件信號的影響;當(dāng)事件檢測結(jié)束時，再解凍LTA來跟蹤背景噪聲變化。這樣STA/LTA可以突出地震信號的變化。

檢測觸發(fā)有效的最小持續(xù)時間:為了有效減少尖銳脈沖或爆破等引發(fā)的虛觸發(fā)，根據(jù)此類脈沖持續(xù)時間短的特點，采取一旦達(dá)到觸發(fā)閾值，檢測觸發(fā)有效的最小持續(xù)時間，比如持續(xù)時間小于10 s可認(rèn)定為干擾，持續(xù)時間超過10 s就認(rèn)定為地震，從而能排除絕大部分因干擾引發(fā)的報警。

相臨兩次有效的地震檢測最小間隔時間:為了避免同一次地震因波形起伏大引起的重復(fù)觸發(fā)，可采取設(shè)置相臨兩次有效地震的最小間隔時間，即后一次地震的觸發(fā)時刻與前一次地震解除觸發(fā)時刻之間的時差(比如為240 s)，間隔小于最小間隔時間的觸發(fā)就認(rèn)定為同一次地震，間隔超過最小間隔時間的觸發(fā)則認(rèn)定為另一次地震。

1.2 提高地震波形記錄質(zhì)量

臺站觀測儀器工作環(huán)境好、儀器運行正常，才能產(chǎn)出正常、連續(xù)、可靠的地震波形數(shù)據(jù)，這是提高地震檢測準(zhǔn)確性的前提和基礎(chǔ)。如果因儀器工作環(huán)境惡劣以及管理不善而導(dǎo)致儀器長期運行不正常、產(chǎn)出斷續(xù)甚至畸形的波形，那么即便采用好的地震檢測算法也無法顯著提高地震報警準(zhǔn)確率。

(1)臺址選擇

臺址的選擇，對地震波形記錄質(zhì)量尤為關(guān)鍵。必須按《地震臺站觀測規(guī)范》(國家地震局，1990)、《數(shù)字地震觀測技術(shù)》(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2003)和《地震學(xué)與地震觀測》(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2007)來選擇。選址的注意事項主要有以下幾條:測震臺的選址，必須遠(yuǎn)離各種振動干擾源;臺基應(yīng)選擇在巖性堅硬致密、完整的、并大面積出露的基巖上;臺址的地勢起伏要小，應(yīng)避開風(fēng)口;臺站觀測環(huán)境地噪聲水平要符合要求;擺房要防潮保溫。

(2)改善儀器運行環(huán)境

大多數(shù)測震儀器要在干燥的環(huán)境中才能正常工作。對潮濕的觀測山洞，可以采取綜合措施來降低潮濕程度，如采取工程措施對洞室內(nèi)壁作防水防潮處理;用密閉的儀器罩罩住地震計，罩內(nèi)放置能吸濕的硅膠干燥劑;不定期用除濕機對山洞除濕。對于室外擺線的鋪設(shè)或架設(shè)，要采取加裝外套或穿管埋地鋪設(shè)等防護措施，防止鼠類動物啃咬線路。對于雨季雷患嚴(yán)重的地區(qū)，要制作良好的接地、電源防雷和GPS天線防雷，防止雷電串入干擾甚至燒毀設(shè)備。穩(wěn)定的供電也是保證儀器正常運行的一個關(guān)鍵因素。

1.3 地震波形實時仿真

實踐表明，如果將數(shù)字測震儀波形仿真成模擬短周期測震儀波形，就能濾除干擾的主要成分，突出每個地震的縱波，從而把各個地震區(qū)分出來。本研究采用無延時的實時仿真算法來仿真原始記錄波形，原理如下:

結(jié)合寬頻帶數(shù)字測震儀的采樣頻率和模擬測震儀的傳遞函數(shù)，使用雙線性變換法(王洪體等，2006;李萬金，鄧存華，2011)將模擬測震儀器的傳遞函數(shù)濾波器變換為不同采樣率下的數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)，從而構(gòu)造出遞歸仿真濾波器;再用濾波的方法便可將數(shù)字地震波形仿真成模擬儀器記錄波形，從而實現(xiàn)實時波形仿真。

由于模擬地震儀記錄的是地動位移信號，而數(shù)字地震儀記錄的是地動速度或地動加速度信號，因此需要將數(shù)字波形信號先轉(zhuǎn)換成位移量。要將速度型數(shù)字地震儀波形轉(zhuǎn)換成位移量，需要積分一次。

一般的做法是:先對原始數(shù)字地震記錄數(shù)據(jù)進行積分，再用模擬儀器的傳遞函數(shù)來仿真。本研究的做法是:將速度型數(shù)字地震儀波形轉(zhuǎn)換成位移量，需要積分一次，只需要將模擬地震儀的傳遞函數(shù)乘1/S后得到的傳遞函數(shù)來仿真;將加速度型數(shù)字地震儀波形轉(zhuǎn)換成位移量，要積分兩次，只需要將模擬地震儀的傳遞函數(shù)乘1/S2后得到的傳遞函數(shù)來仿真。這樣可以大幅提高波形仿真的速度。

將減少了零點個數(shù)的模擬地震儀器傳遞函數(shù)變換為不同采樣率下的數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)，從而構(gòu)造出遞歸仿真濾波器，可實現(xiàn)實時波形仿真。

使用MATLAB軟件構(gòu)造遞歸仿真濾波器(萬永革，2007)的步驟:

假設(shè)模擬儀器的傳遞函數(shù)形式為H(s)=f(s)/g(s)，則

第一步，使用MATLAB函數(shù)f=poly(z)*k和g=poly(p)便可將儀器剩下的零極點轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)形式。

第二步，使用MATLAB雙線性變換函數(shù)［a，b］=bilinear(f，g，F(xiàn)s)將模擬儀器傳遞函數(shù)離散成數(shù)字濾波器。式中:f、g為模擬濾波器傳遞函數(shù)分子和分母多項式向量系數(shù);Fs為采樣頻率，單位為Hz;a、b為數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)分子和分母多項式向量系數(shù)。

如:將DD－1型模擬地震儀傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換成采樣率為100 Hz的速度信號的數(shù)字仿真濾波器:

a=0.2440 －0.8741 0.8128 0.5086－1.2196 0.4672 0.1628 －0.1，

b=1.0000 －5.3974 12.2810 －15.3370 11.4941 －5.3084 1.4621 －0.1944.

第三步，將構(gòu)造出的遞歸仿真濾波器系數(shù)代入下式的濾波算法，即可對波形進行實時仿真:

式中:系數(shù) ai(i=0，1，…，n)、bi(i=0，1，…，n)，n為遞歸濾波器階數(shù);x(k)、y(k)分別為輸入的數(shù)字測震儀采集數(shù)據(jù)和輸出的DD－1型模擬短周期測震儀仿真波形數(shù)據(jù)。

2 地震波形仿真和檢測實例

2.1 波形仿真的作用

運用上述仿真算法將波形仿真成DD－1型模擬短周期測震儀波形，主要有以下作用:

(1)濾除儀器不正常的波形

測震儀器因放大電路板工作受潮、接地不良或雷電感應(yīng)等原因引起波形大幅振蕩或毛刺脈沖，仿真成短周期波形后可以顯著的濾除這些干擾，從而減少地震虛報。

(2)消除儀器因零漂產(chǎn)生的偏移

利用零漂周期長的特點在仿真成短周期波形過程中就能有效地消除數(shù)據(jù)中的儀器零漂，突出地震信號。

(3)濾除長周期大幅度干擾

每年臺風(fēng)季節(jié)，寬頻帶地震儀的波形上常記錄到卓越周期為3～8 s的大幅度臺風(fēng)干擾。若不濾除，STA/LTA經(jīng)常檢測不到地震，導(dǎo)致地震漏報。

(4)從強震重疊波形中識別出余震

強震波形會湮沒其中的余震波形，仿真成短周期波形后可以顯露出這些余震，從而減少地震漏報。

地震仿真實例:以個舊地震臺記錄的2011年3月11日日本本州東海岸附近海域9.0級大地震(震中距為36.6°)為例，采用MATLAB編程對地震信號進行仿真以及地震檢測判別，從仿真后的波形中可以發(fā)現(xiàn)主震之后又發(fā)生了多次余震(圖2)。

圖2 2011年3月11日日本9.0級大地震波形(a)CTS－1儀器記錄的原始地震波形;(b)仿真成DD－1測震儀的波形Fig.2 Japan MS9.0 earthquake on Mar.11，2011(a)original seismic waveform recorded by CTS－1 seismograph;(b)simulatied to waveforms of DD－1 seismograph

2.2 地震波形檢測

對近年來個舊地震臺記錄到的一些地震波形和干擾波形采用上述算法進行重新檢測，既要有效排除大部分干擾波形，又要能保證一定級別的地震報警。經(jīng)過比較，個舊地震臺的STA/LTA報警檢測參數(shù)合理設(shè)置為:STA窗長為0.5 s，LTA窗長為50 s，觸發(fā)閾值是4，解除觸發(fā)閾值是2，檢測有效最小持續(xù)時間為8 s，相臨兩次有效地震檢測的最小間隔時間為180 s。以圖2b中的垂直向波形為例進行檢測演示，如圖3所示。

圖3 2011年3月11日日本9.0級大地震的檢測過程(a)仿真后的DD－1波形;(b)STA;(c)LTA;(d)STA/LTA;(e)地震事件觸發(fā)及解除觸發(fā)Fig.3 The detection process of Japan MS9.0 earthquake on Mar.11，2011(a)simulation waveforms of DD－1 seismograph;(b)STA;(c)LTA;(d)STA/LTA;(e)seismic event triggering and releasing triggering

與采用傳統(tǒng)算法(圖1)對比，從STA/LTA曲線上可看出改進后的STA/LTA算法，當(dāng)STA/LTA達(dá)到觸發(fā)閾值后，凍結(jié)LTA能有效抑制地震信號對LTA的影響，從而提高STA/LTA值;檢測觸發(fā)有效的最小持續(xù)時間參數(shù)能夠有效地排除短時干擾;相臨兩次有效的地震檢測最小間隔時間參數(shù)能顯著抑制因地震波形起伏較大造成對同一次地震的重復(fù)檢測。

2.3 地震波形檢測效果統(tǒng)計

為了充分驗證本算法的可行性和準(zhǔn)確性，筆者從個舊地震臺數(shù)字地震儀近年來記錄到的地震中選取5個地震事件進行檢驗(表1)，其中涵蓋了近震、遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震，波形中或有尖銳的爆破波形干擾、或有大周期臺風(fēng)振幅干擾、或余震完全被主震波形湮沒，對臺站需要檢測的地震和波形所受的干擾具有顯著的代表性。從表1的地震檢測效果統(tǒng)計結(jié)果可看出，在仿真成短周期的地震波形上，使用改進后的STA/LTA觸發(fā)檢測算法來檢測地震效果顯著，只要地震間的間隔時間不要過短，完全可以實現(xiàn)一定級別地震的準(zhǔn)確檢測，并有效減少地震的虛報、漏報和重復(fù)觸發(fā)，只是有時觸發(fā)持續(xù)時間較短。

表1 地震檢測效果統(tǒng)計Tab.1 Statistic results of seismic detection effect

3 討論及結(jié)論

(1)本文首先分析了采用傳統(tǒng)STA/LTA地震檢測算法在原始記錄波形上檢測地震時，地震的判別受各種振動干擾或主震波形的影響常常造成地震的漏報或虛報，地震檢測效果很不理想，而且對于選擇偏重檢測近震還是偏重檢測遠(yuǎn)震，參數(shù)設(shè)置差別大，嚴(yán)重影響了臺站的地震速報工作。然后提出了綜合解決措施:采取工程技術(shù)措施改善儀器的運行環(huán)境，提高波形產(chǎn)出質(zhì)量;將數(shù)字測震儀波形仿真成模擬短周期測震儀波形，就能濾除干擾的主要成分，突出每個地震的縱波，從而把各個地震區(qū)分出來，然后對仿真后的波形運用改進后的STA/LTA算法來檢測地震，只要一套參數(shù)，就能對一定強度級別的近震、遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震敏感，從而實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的地震檢測報警，地震漏報、虛報大幅降低。

(2)從檢測效果統(tǒng)計來看，有時地震檢測的持續(xù)時間與地震波形的完整持續(xù)時間相比較短，對波形間隔太近(如本文采用的180 s)甚至重疊的兩次地震在觸發(fā)檢測時會作為一次地震來處理會造成地震漏報，但考慮到從地震觸發(fā)報警到橫波甚至面波出現(xiàn)后才能準(zhǔn)確分析需要一段時間，且分析地震也需要時間，分析人員能從波形瀏覽中注意到軟件漏報的地震，因而不會造成真正的漏報。

(3)只要在臺站的地震數(shù)據(jù)實時記錄計算機上設(shè)計一個軟件程序來從地震數(shù)據(jù)采集器輸出的地震波形數(shù)據(jù)流中實時接收垂直向的數(shù)據(jù)，并對接收到的每個數(shù)據(jù)點應(yīng)用本文提出的實時仿真算法和改進的STA/LTA檢測算法，就能將此地震檢測報警算法應(yīng)用到實際觀測中。

(4)要嚴(yán)格區(qū)分天然地震波形和爆破等干擾波形需要從波形的形態(tài)、P波初動方向、頻譜等多個特征綜合辨別，檢測辨別算法復(fù)雜以及處理時間長;本方法只根據(jù)STA/LTA比值超過觸發(fā)閾值的持續(xù)時間(如本文采用的8 s)來區(qū)分地震和干擾，判別算法簡單，并不能完全排除干擾，但能排除絕大部分短時干擾且判別時間短，應(yīng)該說這種取舍是合適的。

(5)提高單臺地震報警準(zhǔn)確率，除了采用好的地震檢測判別算法外，最重要的是要實時產(chǎn)出質(zhì)量好的地震波形數(shù)據(jù)，這需要臺站地震觀測儀器系統(tǒng)長期正常運轉(zhuǎn)。在影響儀器正常運行因素中，有些問題需要采用工程技術(shù)措施來解決，但歸根結(jié)底還要依靠對臺站的精心管理、觀測人員高度的責(zé)任心以及觀測技能的提升。

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