單臺(tái)P波震相拾取方法研究

林華偉++劉超++柴森++邱勇

摘要：地震P的震相拾取是地震預(yù)警技術(shù)中的關(guān)鍵步驟，P波到時(shí)的拾取精度直接影響到后續(xù)震源參數(shù)估算及多臺(tái)站震中定位的精度。針對(duì)常規(guī)長短時(shí)平均（STA/LTA）方法對(duì)于信噪比低的地震記錄震相拾取效果不理想的問題，本文發(fā)展了一套基于改進(jìn)的STA/LTA方法和自回歸檢測法（AIC）的P波震相拾取方法，該方法可提高算法對(duì)于低信噪比情況下的地震事件判別成功率，在實(shí)時(shí)預(yù)警中具備應(yīng)用價(jià)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.

關(guān)鍵詞：地震；P波拾??；長短時(shí)平均比

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

中圖分類號(hào)：P315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）30-0129-02

0 引言

地震是對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)危害性極大自然災(zāi)害。由于地震預(yù)警時(shí)效性的要求，往往需要在地震P波到達(dá)監(jiān)測臺(tái)站后3～5秒時(shí)間內(nèi)，通過分析地震P波攜帶的信息，在危害性更大的S波到達(dá)前發(fā)布地震警報(bào)。因此，地震P波震相的撿拾是整個(gè)預(yù)警技術(shù)的基礎(chǔ)。介于此，深入研究優(yōu)化地震P波震相的撿拾算法具有十分重要的意義。

1 方法原理

1.1 長短時(shí)平均比法

對(duì)于地震事件的判別目前最常用的是長短時(shí)平均法，該方法從地震波到達(dá)時(shí)相對(duì)于背景噪聲的能量變化入手，對(duì)地震事件進(jìn)行撿拾。按計(jì)算方法不同，可以將STA/LTA法分為標(biāo)準(zhǔn)法和遞推法。

從圖中可以看出在信噪比較高時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)方法與遞推方法均可對(duì)地震事件作出快速響應(yīng)，遞推方法的結(jié)果整體較常規(guī)方法結(jié)果更為平滑，且幅值響應(yīng)更大，對(duì)比圖中箭頭的位置發(fā)現(xiàn)，遞推法對(duì)背景噪音的抑制能力更強(qiáng)，更有利于閾值的設(shè)定。

本文采用遞推的STA/LTA法參與計(jì)算，并設(shè)定觸發(fā)閾值為10，即當(dāng)STA/LTA法計(jì)算結(jié)果數(shù)值上超過10的時(shí)候，判別為有一次事件發(fā)生。

1.2 自回歸檢測法

STA/LTA法雖然可以對(duì)地震P波震相進(jìn)行撿拾，但撿拾的結(jié)果僅僅是一個(gè)粗略的值，其相對(duì)真實(shí)的P波到時(shí)有所滯后。20世紀(jì)70年代日本學(xué)者Akaike提出一個(gè)基本信息定階準(zhǔn)則——自回歸檢測法（AIC）準(zhǔn)則對(duì)震相進(jìn)行精確拾取。該方法假設(shè)地震波到達(dá)前后信號(hào)處于兩種不同的穩(wěn)態(tài)過程，具體計(jì)算公式如下：

其中，k的范圍是窗口內(nèi)所有采樣點(diǎn)，P波震相到位置對(duì)應(yīng)于AIC函數(shù)的最小值。

本文在STA/LTA法初判點(diǎn)位置，向前向后分別開2秒和0.2秒的時(shí)窗進(jìn)行AIC檢測。圖3為2014年四川省德陽市綿竹縣3.7級(jí)地震AIC檢測效果圖，圖中深色線為垂向加速度記錄，淺色線為AIC函數(shù)計(jì)算結(jié)果，虛線位置為人工手動(dòng)拾取的P波到時(shí)。從圖中可以看出，AIC函數(shù)的最小值與人工撿拾的P波到時(shí)位置幾乎重合。

2 方法優(yōu)化

改進(jìn)的STA/LTA法

如前文所述，STA/LTA法是一種能量的方法，對(duì)于信噪比高的地震記錄，其P波震相清晰，當(dāng)有一個(gè)震相到達(dá)時(shí)，短時(shí)平均值STA（i）會(huì)有明顯突變，而長時(shí)平均值LTA（i）幾乎無變化，因此可以對(duì)震相進(jìn)行拾取。然而，對(duì)于背景噪聲較大，或者衰減后震相較為模糊的遠(yuǎn)震而言，STA/LTA法的撿拾效果往往不太理想。

介于此，本文引入改進(jìn)因子α對(duì)STA/LTA法計(jì)算結(jié)果做如下改進(jìn)：

此時(shí)當(dāng)信號(hào)到達(dá)α?xí)?duì)Rat的值產(chǎn)生一個(gè)放大作用，使其更有利于識(shí)別初動(dòng)不明顯的信號(hào)，減少漏報(bào)事件，一般t取1～2秒即可獲得很好效果。

圖4為四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣3.7級(jí)地震垂向記錄，圖5為常規(guī)方法與改進(jìn)方法撿拾結(jié)果對(duì)比圖。由圖可見，引入了改進(jìn)因子后STA/LTA法的計(jì)算結(jié)果響應(yīng)更加明顯，因此觸發(fā)閾值的設(shè)定更加明顯，可有效解決背景噪聲及P波初動(dòng)不明顯情況下的事件漏報(bào)情況。

3 結(jié)論

本文通過開展單臺(tái)P波震相拾取方法研究，發(fā)展了一套基于改進(jìn)的STA/LTA方法和自回歸檢測法（AIC）的P波震相拾取方法，對(duì)比分析常規(guī)STA/LTA法與遞推STA/LTA法的差異，實(shí)例計(jì)算表明，遞推STA/LTA法相對(duì)于常規(guī)方法對(duì)于背景噪聲的抑制能力更強(qiáng)；針對(duì)常規(guī)長短時(shí)平均（STA/LTA）方法對(duì)于信噪比低的地震記錄的震相拾取效果不理想的問題，引入改進(jìn)因子α，可有效提高背景噪聲及P波初動(dòng)不明顯情況下事件撿拾成功率，避免漏報(bào)的發(fā)生。

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