CN105572738A - 一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法，基于特定地区历史核爆炸地震事件在台站监测记录的信号特征，先截取了历史核爆炸地震事件在选定台站上的信号记录，并进行了时频域频谱分析确定了滤波频带，在选定的台站的实时数据检测中发现检测信号后，截取了实时波形数据与历史数据进行信号相关计算，判定该特定地区发生了核爆炸地震。本发明解决了特定地区核爆炸地震事件不能使用单台进行检测的问题，能够对特定地区的天然地震事件进行过滤，实现针对特定地区核爆炸地震事件的单台监测报警，完善了对于特定地区核爆炸事件的监测能力。

Description

一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法

技术领域

本发明属于地震事件检测领域，具体涉及一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法。

背景技术

地震监测是全面禁止核试验条约中规定用于监测地下核试验产生的核爆炸地震事件主要技术，全面禁止核试验条约组织国际数据中心和的地震数据处理系统采取的报警方法是基于台网监测的报警方法，在汇集了台网台站数据后进行台站信号特征提取，使用全球格点搜索方法进行事件关联形成自动处理事件列表，然后对事件列表中的事件信息进行判断，符合报警条件时触发报警。目前全球核试验地震监测台网较为稀疏，核试验也在向小型化的趋势发展，对于较小震级的核爆炸地震事件很有可能只有个别的台站能够记录到，满足不了系统形成检测事件所要求的三个或三个以上监测台站记录到的条件，导致无法对此类核爆炸事件进行报警。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法，解决了现有地震检测技术不能使用单台进行报警的技术难点，进一步完善了对于特定地区核爆炸事件的检测能力。

本发明的技术方案为：一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取一个地震监测台站作为信号相关报警台站；

S2、读取特定地区历史核爆炸地震事件在选定台站上的监测数据，使用公式(5)进行时频域频谱分析得到信号时频域谱图：

S＝spectrogram(x,window,noverlap,nfft,fs)(5)

式中x为监测台站记录的数据，window为滑动窗口内的数据点数，noverlap为计算过程中滑动窗口重叠的数据点数，nfft为快速傅里叶变换的数据长度，fs为监测台站的采样率，spectrogram为时频域频谱分析函数；

观察信号时频域谱图确认信号时间，截取该时间前后指定时间长度L的数据作为信号相关处理的模板数据H；根据信号时频域谱图确定能量集中分布频带F；

S3、获取监测台站实时监测数据，计算信号检测时刻短时绝对平均值STA_j和长时绝对平均值LTA_j：

${\mathrm{STA}}_j=\frac{1}{n}\underset{k=j-n+1}{\overset{j}{\Σ}}\left|A_k\right|---\left(7\right)$

${\mathrm{LTA}}_j=\frac{1}{m}\underset{k=j-m+1}{\overset{j}{\Σ}}\left|A_k\right|---\left(8\right)$

式中A_k表示是采样点序号k的数值，j表示信号检测时刻采样点序号，n表示短时绝对平均值时间窗口数据点数，m表示长时绝对平均值时间窗口数据点数；

S4、比较台站数据的STA_j/LTA_j结果与设定的信号检测阈值Th大小，当 $\frac{{\mathrm{STA}}_j}{{\mathrm{LTA}}_j}>Th---\left(9\right)$ 时，

根据比较结果和台站数据信息给出台站的信号检测点时间T_det。

S5、截取该台站信号检测点时间T_det前后指定时间长度为L的数据W，结合步骤S2得到的模板数据H及能量集中分布频带F，同时在该集中分布频带F进行滤波后按照公式(10)逐点错动计算两列数据W和H的互相关系数ρ_xy：

${\mathrm{\ρ}}_{xy}=\frac{\underset{l=1}{\overset{n}{\Σ}}\[x\left(l\right)-\stackrel{\‾}{x\left(l\right)}\]\[y\left(l\right)-\stackrel{\‾}{y\left(l\right)}\]}{\sqrt{\underset{l=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[x\left(l\right)-\stackrel{\‾}{x\left(l\right)}\]}^2}\sqrt{\underset{l=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[y\left(l\right)-\stackrel{\‾}{y\left(l\right)}\]}^2}}---\left(10\right)$

式中x(l)和y(l)分别是数据W和模板数据H的时间序列，n表示数据序列的个数，和分别是数据W和模板数据H的n个数据点的均值；

S6、选取逐点错动计算得到的互相关系数ρ_xy序列中的最大值作为两段数据的最终相关系数结果，当最终相关系数大于等于设定的相关系数阈值时，即判定该特定地区发生核爆炸地震；

S7、当最终相关系数小于设定的相关系数阈值时，重复进行步骤S3-S6，实现对特定地区单个台站的核爆炸地震信号进行检测。

有益效果：本发明可以对特定地区的天然地震事件进行了过滤，实现了针对特定地区核爆炸地震事件的单台检测并报警，完善了对于特定地区核爆炸事件的监测能力。

附图说明

图1为本发明对某特定地区天然地震信号相关检测结果；

图2为本发明对某特定地区核爆炸地震信号相关检测结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取一个合适的地震监测台站作为信号相关报警台站，具体步骤如下：

S1.1、按照公式(1)计算第i个台站到特定地区范围内的最大距离D_i：

D_i＝max(distance(sta_i,range))(1)

式中sta_i为第i个台站的经纬度坐标，range为特定地区经纬度范围，distance为台站和特定地区之间距离计算函数，max为取最大值函数；

S1.2、选取距离在给定距离D内的所有台站，即每个台站的距离符合以下要求：

D_i<D(2)

S1.3、统计给定时间段范围内特定地区范围内发生的事件总数为N，1.2)步骤中选取的台站中第i个台站检测到的事件数为K_i，其中1<K_i≤N，按照公式(3)计算第i个台站的监测灵敏度E_i：

S1.4、选取灵敏度在给定阈值E内的一个台站，符合以下要求，作为信号相关报警台站：E_i>E(4)

S2、读取特定地区历史核爆炸地震事件在选定台站上的监测数据，使用公式(5)进行时频域频谱分析得到信号时频域谱图，确认信号时间和能量集中分布频带F：S＝spectrogram(x,window,noverlap,nfft,fs)(5)

式中x为监测台站记录的数据，window为滑动窗口内的数据点数，noverlap为计算过程中滑动窗口重叠的数据点数，nfft为快速傅里叶变换的数据长度，fs为监测台站的采样率，spectrogram为时频域频谱分析函数；

观察信号时频域谱图确认信号时间，截取该时间前后指定时间长度L(该长度可以为10s-20s)的数据作为信号相关处理的模板数据H；根据信号时频域谱图确定能量集中分布频带F；

S3、使用连续数据传输协议获取监测台站实时监测数据，通过解析帧数据类型、帧数据起始时间、帧数据结束时间获取台站监测数据信息。

S4、根据实时获取的台站监测数据，计算信号检测时刻短时绝对平均值STA_j和长时绝对平均值LTA_j：

${\mathrm{STA}}_j=\frac{1}{n}\underset{k=j-n+1}{\overset{j}{\&Sigma;}}\left|A_k\right|---\left(7\right)$

${\mathrm{LTA}}_j=\frac{1}{m}\underset{k=j-m+1}{\overset{j}{\&Sigma;}}\left|A_k\right|---\left(8\right)$

式中A_k表示是采样点序号k的数值，j表示信号检测时刻采样点序号，n表示短时绝对平均值时间窗口数据点数，m表示长时绝对平均值时间窗口数据点数；n、m为根据采样率来设定的固定值；

S5、比较台站数据的STA/LTA结果与设定的信号检测阈值Th大小，当

$\frac{{\mathrm{STA}}_j}{{\mathrm{LTA}}_j}>Th---\left(9\right)$ 时，

根据比较结果和台站数据信息给出台站的信号检测点时间T_det。

S6、截取该台站信号检测点时间T_det前后指定时间长度为L的数据W，结合步骤S2得到的模板数据H及能量集中分布频带F，同时在该集中分布频带F进行滤波后按照公式(10)逐点错动计算两列数据W和H的互相关系数ρ_xy：

${\mathrm{\&rho;}}_{xy}=\frac{\underset{l=1}{\overset{d}{\&Sigma;}}\&lsqb;x\left(l\right)-\stackrel{\&OverBar;}{x\left(l\right)}\&rsqb;\&lsqb;y\left(l\right)-\stackrel{\&OverBar;}{y\left(l\right)}\&rsqb;}{\sqrt{\underset{l=1}{\overset{d}{\&Sigma;}}{\&lsqb;x\left(l\right)-\stackrel{\&OverBar;}{x\left(l\right)}\&rsqb;}^2}\sqrt{\underset{l=1}{\overset{d}{\&Sigma;}}{\&lsqb;y\left(l\right)-\stackrel{\&OverBar;}{y\left(l\right)}\&rsqb;}^2}}---\left(10\right)$

式中x(l)和y(l)分别是数据W和模板数据H的数据序列，d表示数据序列的个数，和分别是x(l)和y(l)的均值；

S7、选取逐点错动计算得到的互相关系数ρ_xy序列中的最大值作为两段数据的最终相关系数结果，当最终相关系数大于等于设定的相关系数阈值时，即判定该特定地区发生核爆炸地震，则启动报警；

S8、当最终相关系数小于设定的相关系数阈值时，重复进行步骤S3-S7，实现对特定地区单个台站的核爆炸地震信号进行检测。

由于特定地区一般设定为某国家的核试验场，这些核试验场一般不处于地震带上，极少会发生天然地震，因此可以推断出该特定地区发生的地震事件极可能为核爆炸地震事件。

采用本发明的方法对某特定地区的核爆炸地震事件进行了信号相关报警测试。先截取了历史核爆炸地震事件在选定台站上的信号记录，并进行了时频域频谱分析确定了滤波频带，在选定的台站的实时数据检测中发现检测信号后，截取了实时波形数据与历史数据进行信号相关计算并给出了事件报警。通过对比图1和图2的天然地震信号和核爆炸地震信号相关计算结果，采用本方法得到的天然地震事件最大相关系数为0.11，核爆炸地震事件最大相关系数为0.85。可以看出，利用本发明可以对特定地区的天然地震事件进行了过滤，实现了针对特定地区核爆炸地震事件的单台检测并报警，完善了对于特定地区核爆炸事件的监测能力。

Claims (4)

1.一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取一个地震监测台站作为信号相关报警台站；

S2、读取特定地区历史核爆炸地震事件在选定台站上的监测数据，使用公式(5)进行时频域频谱分析得到信号时频域谱图：

S＝spectrogram(x,window,noverlap,nfft,fs)(5)

式中x为监测台站记录的数据，window为滑动窗口内的数据点数，noverlap为计算过程中滑动窗口重叠的数据点数，nfft为快速傅里叶变换的数据长度，fs为监测台站的采样率，spectrogram为时频域频谱分析函数；

观察信号时频域谱图确认信号时间，截取该时间前后指定时间长度L的数据作为信号相关处理的模板数据H；根据信号时频域谱图确定能量集中分布频带F；

S3、获取监测台站实时监测数据，计算信号检测时刻短时绝对平均值STA_j和长时绝对平均值LTA_j：

${\mathrm{STA}}_j=\frac{1}{n}\underset{k=j-n+1}{\overset{j}{\&Sigma;}}\left|A_k\right|---\left(7\right)$

${\mathrm{LTA}}_j=\frac{1}{m}\underset{k=j-m+1}{\overset{j}{\&Sigma;}}\left|A_k\right|---\left(8\right)$

式中A_k表示是采样点序号k的数值，j表示信号检测时刻采样点序号，n表示短时绝对平均值时间窗口数据点数，m表示长时绝对平均值时间窗口数据点数；

S4、比较台站数据的STA_j/LTA_j结果与设定的信号检测阈值Th大小，当

$\frac{{\mathrm{STA}}_j}{{\mathrm{LTA}}_j}>Th---\left(9\right)$ 时，

根据比较结果和台站数据信息给出台站的信号检测点时间T_det；

S5、截取该台站信号检测点时间T_det前后指定时间长度为L的数据W，结合步骤S2得到的模板数据H及能量集中分布频带F，同时在该集中分布频带F进行滤波后按照公式(10)逐点错动计算两列数据W和H的互相关系数ρ_xy：

${\mathrm{\&rho;}}_{xy}=\frac{\underset{l=1}{\overset{d}{\&Sigma;}}\&lsqb;x\left(l\right)-\stackrel{\&OverBar;}{x\left(l\right)}\&rsqb;\&lsqb;y\left(l\right)-\stackrel{\&OverBar;}{y\left(l\right)}\&rsqb;}{\sqrt{\underset{l=1}{\overset{d}{\&Sigma;}}{\&lsqb;x\left(l\right)-\stackrel{\&OverBar;}{x\left(l\right)}\&rsqb;}^2}\sqrt{\underset{l=1}{\overset{d}{\&Sigma;}}{\&lsqb;y\left(l\right)-\stackrel{\&OverBar;}{y\left(l\right)}\&rsqb;}^2}}---\left(10\right)$

式中x(l)和y(l)分别是数据W和模板数据H的数据序列，d表示数据序列的个数，和分别是x(l)和y(l)的均值；

S6、选取逐点错动计算得到的互相关系数ρ_xy序列中的最大值作为两段数据的最终相关系数结果，当最终相关系数大于等于设定的相关系数阈值时，即判定该特定地区发生核爆炸地震事件；

S7、当最终相关系数小于设定的相关系数阈值时，重复进行步骤S3-S6，实现对特定地区单个台站的核爆炸地震信号进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：

S1.1、按照公式(1)计算第i个台站到特定地区范围内的最大距离D_i：

D_i＝max(distance(sta_i,range))(1)

式中sta_i为第i个台站的经纬度坐标，range为特定地区经纬度范围，distance为台站和特定地区之间距离计算函数，max为取最大值函数；

S1.2、选取距离在给定距离D内的所有台站，即每个台站的距离符合以下要求：

D_i<D(2)

S1.3、统计给定时间段范围内特定地区范围内发生的事件总数为N，1.2)步骤中选取的台站中第i个台站检测到的事件数为K_i，其中1<K_i≤N，按照公式(3)计算第i个台站的监测灵敏度E_i：

$E_i=\frac{K_i}{N}---\left(3\right)$

S1.4、选取灵敏度在给定阈值E内的一个台站，符合以下要求，作为信号相关报警台站：

E_i>E(4)。

3.根据权利要求2所述的一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法，其特征在于：指定时间长度L为10s-20s。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种采用单个台站检测特定地区核爆炸地震事件的方法，其特征在于：所述特定地区为某国家的核试验场。