蔣生淼+王寶善+張云鵬+陳颙

摘要：為剔除小地震信號和強(qiáng)噪聲對氣槍信號疊加效果的影響，提出了一種利用信號記錄中噪聲特征的主動源數(shù)據(jù)篩選方法——RMS篩選法，服務(wù)于氣槍數(shù)據(jù)的自動化處理。實(shí)際氣槍數(shù)據(jù)篩選結(jié)果表明，RMS篩選法采用信號噪聲水平作為信號選擇標(biāo)準(zhǔn)，可以有效去除高噪聲信號，其線性和相位加權(quán)疊加結(jié)果優(yōu)于常規(guī)線性疊加和常規(guī)相位加權(quán)結(jié)果，噪聲得到壓制，遠(yuǎn)距離臺站微弱信號檢測效果得以增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：氣槍信號；主動源；自動化處理；RMS篩選

中圖分類號：P315.31文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0534-09

0引言

利用天然或人工重復(fù)性震源進(jìn)行地下精細(xì)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)變化的成像研究在近20年已取得重要進(jìn)展（Schaff，Beroza，2004；Lumley，2004；Poli et al，2012；王寶善等，2016）。為構(gòu)筑能獲取地下不同尺度圖像的地震雷達(dá)技術(shù)平臺（陳颙，朱日祥，2005），我們進(jìn)行了一系列人工震源應(yīng)用探索，成功將海洋勘探氣槍震源引入陸上水體，構(gòu)建了一整套主動源監(jiān)測系統(tǒng)。歷次實(shí)驗(yàn)證明，陸上大容量非調(diào)諧氣槍陣列是研究大陸淺部精細(xì)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)動態(tài)變化的有效手段（陳颙等，2007；Chen et al，2008）。

為拓展氣槍源在地球科學(xué)和防震減災(zāi)中的應(yīng)用，我們先后建立了3個以大容量氣槍陣列為震源的固定地震信號發(fā)射臺，用于常規(guī)主動探測（Wang et al，2010）。而震源探測地下介質(zhì)的范圍取決于震源產(chǎn)生信號能量的強(qiáng)度。地震發(fā)射臺單次激發(fā)產(chǎn)生能量等效于ML0.7～0.9天然地震，相對炸藥震源和天然地震源能量較弱，產(chǎn)生地震波傳播距離有限。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，氣槍單次激發(fā)所產(chǎn)生的峰值加速度在離源600 m距離即降至背景振動水平（劉必?zé)舻龋?011），而到50 km時槍陣引起地面位移已降至10 nm，百千米距離上，槍陣信號已遠(yuǎn)小于一般臺站的平均噪聲水平（徐逸鶴等，2016）。氣槍信號的散射和衰減使得信號隨著傳播距離的增加而逐漸淹沒在背景噪聲中。同時，地下介質(zhì)變化是個長期過程，與地下介質(zhì)變化相關(guān)的地震信號較弱。因此強(qiáng)背景噪聲中極微弱信號的檢測與提取，是進(jìn)行區(qū)域結(jié)構(gòu)探測和介質(zhì)變化監(jiān)測的關(guān)鍵。

運(yùn)用去噪、濾波和疊加等方法壓制噪聲，提高地震資料信噪比是增強(qiáng)弱信號拾取能力的主要途徑。發(fā)射臺氣槍源的優(yōu)勢頻率為2～8 Hz（楊微，2013），而此頻段包含人類活動產(chǎn)生的大量高頻背景噪聲（Hillers et al，2012；Chávez-García，Rodríguez，2007）。得益于氣槍信號的高度可重復(fù)性（唐杰等，2014），疊加重復(fù)激發(fā)信號的方法可有效識別被噪聲淹沒的氣槍信號，這是當(dāng)前用于氣槍資料處理的主要方法（武安緒等，2016）。但長時間段內(nèi)的信號疊加受多種因素影響，人類不定期活動、固體潮變化、大氣壓及溫度的季節(jié)變化和偶發(fā)的小地震事件都可能影響背景噪聲強(qiáng)度，改變信噪比，進(jìn)而影響疊加效果。而常規(guī)疊加方法對這些噪聲的壓制效果在長時間疊加中效果有限。同時發(fā)射臺氣槍源的數(shù)年連續(xù)激發(fā)和現(xiàn)代地震臺陣的發(fā)展，使得氣槍研究需要處理大量信號資料，人工對于強(qiáng)噪聲信號的篩選效率較低，不適宜處理大量數(shù)據(jù)。自動化數(shù)據(jù)處理是氣槍源信號處理的現(xiàn)實(shí)要求與發(fā)展趨勢。

本文提出了一種利用氣槍信號噪聲特征的主動源信號自動篩選與疊加方法，介紹了該方法的原理，并通過選取不同地震信號發(fā)射臺氣槍源實(shí)際觀測信號，分別進(jìn)行線性疊加和時頻域相位加權(quán)疊加評估了該方法處理效果，證實(shí)了此方法相對傳統(tǒng)線性疊加和相位加權(quán)疊加在處理氣槍信號方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。

1陸上水體氣槍震源信號特征

1.1固定地震信號發(fā)射臺依托氣槍源陸上水體的激發(fā)來建立地震信號發(fā)射臺，主動發(fā)射地震波，是一種新的科學(xué)嘗試。2011年4月，為探索云南地區(qū)深部地下介質(zhì)動態(tài)變化，我們在云南賓川大銀甸水庫建立了第一個固定地震信號發(fā)射臺（下稱賓川臺）。槍陣總?cè)萘? 000 in3（4支2 000 in3氣槍），單次激發(fā)信號等效于ML0.7地震，可在距離源50 km臺站的原始記錄中觀測到清晰氣槍信號（楊微，2013）。但受水位季節(jié)性變化影響，賓川臺工作條件和時間不穩(wěn)定。為克服此不利條件，2013年5月，新疆呼圖壁人工水體固定地震信號發(fā)射臺（下稱呼圖壁臺）建成，實(shí)現(xiàn)了天然水庫向人工水體的轉(zhuǎn)變和對激發(fā)條件的進(jìn)一步精準(zhǔn)控制。氣槍陣列總?cè)萘吭龃笾?2 000 in3（6支2 000 in3氣槍），單次激發(fā)信號等效于ML0.9地震（王寶善等，2013）。為研究祁連山腹地大陸動力學(xué)問題，2015年5月，我們在青藏高原東北緣的甘肅張掖建成新的固定地震信號發(fā)射臺（下稱張掖臺）。槍陣總?cè)萘? 000 in3，單次激發(fā)信號等效于ML0.7地震，可在相距40 km臺站的原始記錄中觀測到清晰氣槍信號。各地震信號發(fā)射臺均配套建設(shè)的數(shù)十套流動觀測儀器，結(jié)合當(dāng)?shù)毓潭ǖ卣鹋_網(wǎng)，與大容量氣槍震源組成了綜合觀測系統(tǒng)（圖1、表1）。

1.2陸上氣槍震源信號特點(diǎn)

多年實(shí)驗(yàn)研究表明陸地水體氣槍震源激發(fā)信號受氣槍、水體和固-液界面等共同作用，水體與氣槍陣列可作為一個震源系統(tǒng)進(jìn)行考慮（陳蒙，2014）。高壓氣體在水下的瞬間釋放，產(chǎn)生氣壓脈沖和氣泡脈沖，傳播至固-液界面發(fā)生反射與吸收，并轉(zhuǎn)化為地震波信號。圖2a為距新疆呼圖壁臺50 m臺站記錄的信號頻譜，可見信號主要分為5 Hz左右的低頻部分和40 Hz左右高頻部分；圖2b為距賓川臺40 m臺站記錄的信號頻譜，由圖可見，除這2部分信號外，10 Hz和20 Hz左右信號也較強(qiáng)。氣槍震源信號主要為40 Hz高頻和5 Hz左右的低頻信號，但不同水體信號成分略有差異。地震波信號中高頻成分在傳播過程中易散射和衰減，傳播較近，而低頻部分不易衰減，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播的關(guān)鍵。為增加探測距離，各地震發(fā)射臺均采用的大容量氣槍非調(diào)諧陣列進(jìn)行激發(fā)以增強(qiáng)低頻信號。但低頻信號特征使得氣槍信號在傳播時受介質(zhì)結(jié)構(gòu)影響小，而受接收點(diǎn)噪聲水平影響較大。endprint

高度可重復(fù)性是陸上氣槍源信號的另一特征。氣槍震源為間隔脈沖震源，近場破壞小，可以在同一地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高度可重復(fù)激發(fā)。同等激發(fā)條件下，地震信號發(fā)射臺不同時刻激發(fā)的氣槍信號在同一地震臺記錄波形幾乎不變。圖3為2015年賓川臺974次連續(xù)激發(fā)，張掖臺2天共206次激發(fā)，2013年呼圖壁臺720次氣槍激發(fā)各自參考臺記錄信號的重疊效果及互相關(guān)系數(shù)。信號波形均顯示出高度一致的特性，氣槍源激發(fā)信號的相關(guān)系數(shù)大于0.9，基本可忽略震源特性隨時間的變化。

2方法介紹

提高信噪比是地震信號處理的重要目標(biāo)。大規(guī)模臺陣的發(fā)展和大量高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的積累推動了疊加技術(shù)的應(yīng)用（Rost，Thomas，2002）。時域線性疊加（Harjes，Henger，1973；Kennett，2000）和時頻域相位加權(quán)疊加（Stockwell et al，1996；Zeng，Thurber，2016）是常用的疊加技術(shù)。相位加權(quán)疊加存在波形失真，不利于依賴于震相的分析，故當(dāng)前氣槍處理資料以線性疊加為主，而線性疊加效果嚴(yán)重依賴于信號信噪比。

信噪比（SNR）是信號強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，定義為信號均方根（RMS）振幅與噪聲的均方根振幅的比值。在常規(guī)線性疊加中，信號為相干的，其疊加可視為對每條信號以權(quán)重N-1相加，所得疊加結(jié)果振幅和標(biāo)準(zhǔn)差基本不變。圖4為2015年賓川臺974次信號振幅同其線性疊加結(jié)果振幅的差異值分布，可見線性疊加結(jié)果信號振幅同單條記錄基本一致，變化值多在2%以內(nèi)。氣槍信號均方根振幅基本不變，則信噪比由噪聲部分決定。而白噪聲為均勻分布的不相干信號，振幅變?yōu)樵蠳條振幅的平均數(shù)，若噪聲方差為σ2，則此均值的方差為σ2/N，則噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差為σ/N，故信噪比增加N倍（Liu，Niu，2012；Lee et al，2002）。線性疊加方法不改變信號原有形態(tài)，但噪聲在1 Hz頻段以上近隨機(jī)不相關(guān)分布，低頻段卻趨于相干，使得線性疊加后信噪比提升低于理論的N倍。

噪聲RMS水平是一個不斷變化的值，對特別大的振幅很敏感，單次地震或強(qiáng)噪聲均會顯著增大噪聲RMS計算結(jié)果，故為剔除小地震信號和強(qiáng)噪聲對于氣槍信號疊加的影響，需要一個刻畫記錄噪聲水平的變量來評估疊加效果。

為此，我們提出了用噪聲因子（noise）來評估疊加信號噪聲水平，并以此作為判斷信號是否疊加的判定標(biāo)準(zhǔn)。步驟為選取每條信號記錄目標(biāo)震相窗口，信號預(yù)處理，然后計算窗口內(nèi)信號振幅的標(biāo)準(zhǔn)差σ。σ值包含信號的標(biāo)準(zhǔn)差與噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差，但信號標(biāo)準(zhǔn)差基本不變，則σ是對每條信號噪聲水平的反應(yīng)，其值越大，則各點(diǎn)離平均值越遠(yuǎn)，噪聲水平越大。對σ值從小到大排序，選取第一個值記為σ0=noise0，第n個σ（σn）對應(yīng)的noisen值按照式（3）遞推算得。噪聲因子noise是逐條噪聲水平的疊加效應(yīng)，即為對疊加結(jié)果中噪聲水平的反映。σ=Var=∑ni=1（xi-x ）2n（1）x=1n∑ni=1xi（2）noisen=（n-1）·noisen-1+σnnn（3）則noisen值隨n變化為類拋物線，即存在一個使noise最小的σ值。取noise最小值對應(yīng)的σ為信號記錄選擇標(biāo)準(zhǔn)RMStrd，即如果其他記錄對應(yīng)σ值小于RMStrd，則輸出信號記錄用于疊加。噪聲因子的選擇可以剔除高噪聲造成的強(qiáng)干擾，得到使疊加結(jié)果在最優(yōu)噪聲水平的信號記錄，進(jìn)而提高信噪比。

3實(shí)際數(shù)據(jù)疊加效果分析

云南賓川臺、新疆呼圖壁臺和甘肅張掖臺數(shù)年常規(guī)激發(fā)和數(shù)次連續(xù)實(shí)驗(yàn)，為不同區(qū)域不同背景噪聲條件下RMS篩選方法的應(yīng)用提供了豐富的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源包括各臺配套建設(shè)的流動觀測臺網(wǎng)、中國地震局固定臺網(wǎng)和各地方區(qū)域固定臺網(wǎng)，所有臺站均處于連續(xù)工作狀態(tài)。流動臺站多采用短周期地震儀，而固定臺站多布置三分量寬頻帶地震儀。賓川臺自2011年建成以來共計激發(fā)氣槍近5 500次，呼圖壁臺自2013年建成來共計激發(fā)近6 000次，甘肅張掖臺自2015年建成以來共計激發(fā)近5 500次。不同臺站由于架設(shè)時間不一和設(shè)備維護(hù)等原因，實(shí)際使用的數(shù)據(jù)數(shù)目有差異。為深入研究該數(shù)據(jù)挑選方法的可行性與實(shí)際性能，選取賓川臺流動臺網(wǎng)近5 000次激發(fā)信號，固定臺網(wǎng)2014年和2015年共1 700次激發(fā)信號；呼圖壁臺固定臺網(wǎng)自建成后所接收到的所有氣槍源信號；張掖臺流動臺網(wǎng)兩天共計206次激發(fā)數(shù)據(jù)，固定臺網(wǎng)自臺站建成以來所有氣槍激發(fā)數(shù)據(jù)。運(yùn)用RMS篩選自動處理，采用常規(guī)線性疊加和相位加權(quán)疊加方法對以上所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所得結(jié)果如圖5所示。

對比RMS篩選線性疊加與常規(guī)線性疊加結(jié)果，可以看出RMS篩選疊加的信號信噪比高于常規(guī)疊加，信號到達(dá)前的噪聲得到了更好的壓制，信號初至更加清晰，有效提高了信號的識別能力。RMS篩選疊加可以增加信號被淹沒臺站的信號信噪比，增大了氣槍信號探測距離。賓川臺信號傳播距離由250 km增至350 km，呼圖壁臺由約500 km增至1 000 km，張掖臺由300 km提高至約500 km。對比相位加權(quán)疊加結(jié)果，亦可見RMS篩選疊加對于信號信噪比的改善作用明顯，探測距離進(jìn)一步增加。

RMS篩選是一種針對氣槍震源信號噪聲特征設(shè)計的處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的自動篩選方法。RMS篩選通過對每條記錄信號窗口內(nèi)噪聲水平的自動判斷識別，選擇最有利于疊加效果的噪聲水平作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，自動剔除高噪聲水平記錄。通過對不同地震發(fā)射臺站實(shí)際數(shù)據(jù)分析，證實(shí)了RMS篩選疊加方法較傳統(tǒng)疊加方法在處理氣槍信號方面的優(yōu)勢，尤其是在對長時間、大量數(shù)據(jù)信號處理方面。RMS篩選疊加可以有效剔除高噪聲水平的信號記錄，提高疊加信號的信噪比，尤其對遠(yuǎn)距離上信號原本已經(jīng)被噪聲淹沒的臺站，可有助于識別信號初至，拓展信號傳播距離。

4討論

4.1RMS篩選效能分析RMS篩選方法基于氣槍信號不變而噪聲水平變化的假設(shè)，選取最優(yōu)噪聲因子進(jìn)行疊加提高信噪比，現(xiàn)選取距賓川臺116 km處EY13臺站信號測試RMS篩選提升信噪比效果。2015年11月起，賓川臺進(jìn)行了連續(xù)2個月的激發(fā)實(shí)驗(yàn)，在此期間EY13臺實(shí)際記錄到847次激發(fā)信號，截取200 s信號。單次激發(fā)原始信號如圖6a-1所示，噪聲信號振幅（103 count）遠(yuǎn)大氣槍信號振幅（20 count），氣槍信號完全被噪聲淹沒，無法直接讀取。對所有記錄按照RMS篩選方法自動識別，取noise最小值時得到618條可用記錄，分別采用線性疊加和相位加權(quán)疊加，結(jié)果如圖6所示。847條記錄線性疊加結(jié)果中在噪聲較強(qiáng)段出現(xiàn)了一個振幅較大的干擾信號，而618條記錄RMS線性疊加有效壓制了此噪聲。RMS線性疊加的信噪比隨疊加次數(shù)增加而增大，優(yōu)于常規(guī)線性疊加結(jié)果，但低于理論N倍增加值。2種相位加權(quán)最終結(jié)果相近，可見RMS相位加權(quán)結(jié)果信噪比始終高于常規(guī)相位加權(quán)疊加結(jié)果。相位加權(quán)疊加對于信噪比的提升整體伏于線性疊加。RMS篩選后，線性疊加和相位加權(quán)疊加結(jié)果均得到了改善，以較少的記錄反而得到了更高的信噪比，篩選作用優(yōu)于150次額外疊加次數(shù)增加帶來的信噪比提升。endprint

4.2RMS篩選適用性分析

選取甘肅流動臺網(wǎng)2天206次激發(fā)數(shù)據(jù)，對不同距離臺站接收信號進(jìn)行疊加對比分析，結(jié)果如圖7所示。信號強(qiáng)度會隨著傳播距離的增加而衰減，導(dǎo)致臺站接收信號信噪比降低，單次激發(fā)信號在46 km臺站已弱于臺站噪聲水平，無法直接識別。對于近距離臺站（ZDY22，ZDY25），由于信號較強(qiáng)、噪聲相對較弱、信號信噪比較高、足以影響信號的強(qiáng)噪聲記錄較少，RMS篩選后分別保留205條和197條記錄，常規(guī)線性疊加和相位加權(quán)疊加與RMS篩選后效果相近。而隨著接收臺站距離的增加，信號逐漸衰減至背景噪聲水平，RMS篩選對信號受強(qiáng)噪聲影響的記錄剔除作用加強(qiáng)，用于疊加信號條目減少，46 km處ZDY21臺保留172條，89 km處ZDY34臺保留154條，133 km處ZDY05臺保留88條，197 km處ZDY01臺僅剩148條，但RMS篩選線性疊加和相位加權(quán)疊加后信號的信噪比仍與常規(guī)疊加相當(dāng)乃至更好?？梢奟MS篩選對于不同距離臺站適用性不一，對于近處高信噪比臺站，篩選作用有限，而對于遠(yuǎn)距離低信噪比臺站篩選作用明顯，效果較好。

5結(jié)論

氣槍震源激發(fā)能量小，采用疊加增強(qiáng)信號以等效于單次大當(dāng)量激發(fā)和利用干涉提取走時變化來成像介質(zhì)變化的處理方式，決定了對遠(yuǎn)距離強(qiáng)噪聲下微弱信號提取和檢測技術(shù)的需求。地震信號發(fā)射臺的大規(guī)模激發(fā)和臺陣的發(fā)展積累了海量的氣槍信號數(shù)據(jù)，催生了對于氣槍信號自動化處理的要求。本文利用氣槍信號噪聲特征，提出了一種新的主動源信號自動篩選與疊加方法，并通過選取不同地震信號發(fā)射臺氣槍源實(shí)際觀測信號，分別進(jìn)行線性疊加和相位加權(quán)疊加評估了該方法的處理效果。結(jié)果證明實(shí)線性疊加和相位加權(quán)疊加均能實(shí)現(xiàn)對噪聲的壓制，增強(qiáng)有效信號。對于氣槍主動源可重復(fù)信號，RMS篩選疊加基于信號自身噪聲水平，選取信號是否用于疊加標(biāo)準(zhǔn)，可以有效剔除高噪聲地震記錄和小地震事件信號的記錄，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的自動篩選優(yōu)化。通過對流動臺網(wǎng)和固定臺網(wǎng)實(shí)際氣槍信號數(shù)據(jù)的疊加對比分析，表明RMS篩選線性疊加和相位加權(quán)疊加比常規(guī)的線性疊加和相位加權(quán)疊加更能壓制強(qiáng)背景噪聲的干擾，有效提高疊加信號的信噪比，實(shí)現(xiàn)氣槍信號的遠(yuǎn)距離傳播與拾取，有效拓展氣槍探測范圍。RMS篩選對于近距離臺站數(shù)據(jù)作用有限，適用于距離較遠(yuǎn)，尤其是信號低于臺站噪聲水平的臺站。氣槍信號準(zhǔn)確拾取，對于提取氣槍信號初至到時，研究走時變化，及對應(yīng)的地下介質(zhì)變化等地震資料處理過程都至關(guān)重要。同時，疊加信號的震相更加清晰，有利于拾取直達(dá)波、反射波和折射波震相，提高大陸地殼三維地下結(jié)構(gòu)成像精度和準(zhǔn)確性，對分析地球內(nèi)部動力學(xué)演化過程等一系列后續(xù)研究也有重要意義。

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