CN105738950A - 一种针对特定地区的指向性聚束检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对特定地区的指向性聚束检测方法，采用F检测理论对信号检测概率进行计算，由于指定了慢度向量的台阵信号聚束处理保证了台阵只对特定地区的某类震相敏感，过滤了来自该地区的其它震相或其它地区信号的检测，当信号检测概率P大于设定的检测阈值时，给出针对该特定地区发生核地震事件的结果，使得检测效率更高；本发明具有指向性强、检测灵敏度高的特点，流程简洁，计算量小，便于实现。

Description

一种针对特定地区的指向性聚束检测方法

技术领域

本发明属于核爆炸地震监测领域，具体涉及一种针对特定地区的指向性聚束检测方法，具体涉及特定地区核爆炸地震监测中的地震台阵监测技术。

背景技术

地震台阵是国际监测系统中主要的地震监测设施，其是在与所观测地震波波长相当的孔径范围内规则排列的一组地震计，通过对这组地震计的输出信号进行各种组合分析，降低背景噪声，突出有用地震波信号和获取有关震源及地球内部结构信息。现有的地震数据处理系统采取的台阵信号处理方法主要是相干聚束方法，通过对台阵各子台进行相干聚束以提高信噪比，并在聚束通道上进行STA/LTA信号检测，没有考虑到信号在不同子台记录中的相关特性，不能充分发挥台阵的效能；另外，由于需要做相干聚束，计算量大，耗费时间长。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对特定地区的指向性聚束检测方法，解决了采用台阵检测特定地区核爆炸地震事件计算量大、耗费时间长的问题，进一步完善对于特定地区核爆炸事件的监测能力。

本发明的技术方案为：一种针对特定地区的指向性聚束检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、选取一个合适的指向性聚束监测台阵；

S2、计算特定地区相对步骤S1中确定的监测台阵的慢度向量，具体步骤如下：

S2.1、读取特定地区历史核爆炸地震事件在该监测台阵各子台上的信号记录，去掉数据的线性趋势项；

S2.2、根据公式(5)对步骤S2.1得到的数据进行频率-波数分析，得到在不同慢度条件下的信号谱P：

$P(S_n,S_e)=\frac{\underset{f=f_1}{\overset{f_2}{\Σ}}|\underset{k=1}{\overset{J}{\Σ}}{F}_k\left(f\right)\·e^{2\mathrm{\π}\sqrt{-1}f(S_n\·dnorth+S_e\·deast)}|}{J\·\underset{f=f_1}{\overset{f_2}{\Σ}}\left\{\underset{k=1}{\overset{J}{\Σ}}{F}_k{\left(f\right)}^2\right\}}---\left(5\right)$

式中S_n和S_e是慢度向量在南北向和东西向上的分量，F(f)是信号与自身作卷积后的序列，f₁和f₂分别是滤波频带的起止频率，J为该监测台阵的子台个数，dnorth和deast是各子台相对于中心子台在南北向和东西向的偏移量；

S2.3、记录信号谱P在最大值时对应的慢度向量的分量S_nm、S_em；

S3、对特定地区核爆炸地震事件进行检测，具体步骤如下：

S3.1、获取监测台阵各子台的实时监测数据；

S3.2、结合步骤S3.1的实时监测数据，将步骤S2.3中得到的S_nm、S_em代入到公式(6)中计算台阵信号检测的F值：

$F(s_{nm},s_{em})=\[\frac{J-1}{J}\]\·\frac{\underset{n=n_0}{\overset{n_0+(N-1)}{\Σ}}{\left|\underset{i=1}{\overset{J}{\Σ}}{x}_i(n+{\mathrm{lag}}_i(s_{nm},s_{em}\left)\right)\right|}^2}{\underset{n=n_0}{\overset{n_0+(N-1)}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{J}{\Σ}}{|x_i(n+{\mathrm{lag}}_i(s_{nm},s_{em}\left)\right)-\[\frac{1}{J}\]\·\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{x}_j(n+{\mathrm{lag}}_j(s_{nm},s_{em}\left)\right)|}^2}---\left(6\right)$

式中n₀为开始计算的采样点，N为时域的采样窗长，J为监测台阵的子台个数，lag_i(s_nm,s_em)为给定慢度矢量(s_nm,s_em)下聚束的时间延迟，x_i(n+lag_i(s_nm,s_em))是第i个子台在采样点n处延迟后的零均值滤波数据的幅值；

S3.3、将步骤S3.2中计算得到的F值代入服从公式(7)的F分布模型中得到信号的检测概率P：

F～F(N₁,N₂,λ)(7)

式中N₁＝2BT,N₂＝(K-1)N₁,λ＝N₁(SNR)²，其中B为有效带宽，T为有效时长，J为该监测台阵的子台个数，λ为F分布非中心因子，(SNR)²为信号与噪声的平均能量之比；

S3.4、当信号检测概率P大于等于设定的检测阈值时，即可确定该特定地区发生核爆炸地震事件；

当信号检测概率P小于设定的检测阈值时，重复上述步骤S3.1-S3.3。

有益效果：本发明采用F检测理论对信号检测概率进行计算，具有指向性强、检测灵敏度高的特点。由于指定了慢度向量的台阵信号聚束处理保证了台阵只对特定地区的某类震相敏感，过滤了来自该地区的其它震相或其它地区信号的检测，当信号检测概率P大于设定的检测阈值时，给出针对该特定地区的指向性聚束结果，使得检测效率更高；本发明流程简洁，计算量小，便于实现。

附图说明

图1为利用本发明建立的来自特定地区的核爆炸地震信号的检测结果；

图2为利用本发明建立的来自其它地区的天然地震信号的检测结果。

具体实施方式

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

本发明提供一种针对特定地区的指向性聚束检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、选取一个合适的指向性聚束监测台阵，具体步骤如下：

S1.1、按照公式(1)计算第i个台阵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个台阵中心子台的经纬度坐标，range为特定地区经纬度范围，distance为台阵中心子台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内的所有台阵，每个台阵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M，步骤S1.2中选取的台站中第i个台阵检测到的事件数为K_i，其中1<K_i≤M，按照公式(3)计算台阵的监测灵敏度E_i：

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

S1.4、选取灵敏度在给定阈值E内的一个台阵，符合以下要求，即为合适的指向性聚束监测台阵：

E_i>E(4)

S2、计算特定地区相对步骤S1中确定的监测台阵的慢度向量，具体步骤如下：

S2.1、读取特定地区历史核爆炸地震事件在该监测台阵各子台上的信号记录，去掉数据的线性趋势项；

S2.2、根据公式(5)对步骤S2.1得到的数据进行频率-波数(F-K)分析，得到在不同慢度条件下的信号谱P：

$P(S_n,S_e)=\frac{\underset{f=f_1}{\overset{f_2}{\&Sigma;}}|\underset{k=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{F}_k\left(f\right)\&CenterDot;e^{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{-1}f(S_n\&CenterDot;dnorth+S_e\&CenterDot;deast)}|}{J\&CenterDot;\underset{f=f_1}{\overset{f_2}{\&Sigma;}}\left\{\underset{k=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{F}_k{\left(f\right)}^2\right\}}---\left(5\right)$

式中S_n和S_e是慢度向量在南北向和东西向上的分量，F(f)是信号与自身作卷积后的序列，f₁和f₂分别是滤波频带的起止频率，J为该监测台阵的子台个数，dnorth和deast是各子台相对于中心子台在南北向和东西向的偏移量；

S2.3、记录信号谱P在最大值时对应的慢度向量的分量S_nm、S_em；

S3、对特定地区核爆炸地震事件进行检测，具体步骤如下：

S3.1、使用连续数据传输协议获取监测台阵各子台的实时监测数据，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阵子台监测数据信息；

S3.2、结合步骤S3.1的实时监测数据，将步骤S2.3中得到的S_nm、S_em代入到公式(6)中计算台阵信号检测的F值：

$F(s_{nm},s_{em})=\&lsqb;\frac{J-1}{J}\&rsqb;\&CenterDot;\frac{\underset{n=n_0}{\overset{n_0+(N-1)}{\&Sigma;}}{\left|\underset{i=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{x}_i(n+{\mathrm{lag}}_i(s_{nm},s_{em}\left)\right)\right|}^2}{\underset{n=n_0}{\overset{n_0+(N-1)}{\&Sigma;}}\underset{i=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{|x_i(n+{\mathrm{lag}}_i(s_{nm},s_{em}\left)\right)-\&lsqb;\frac{1}{J}\&rsqb;\&CenterDot;\underset{j=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{x}_j(n+{\mathrm{lag}}_j(s_{nm},s_{em}\left)\right)|}^2}---\left(6\right)$

式中n₀为开始计算的采样点(可以每30s采一次)，N为时域的采样窗长，J该监测台阵的子台个数，lag_i(s_nm,s_em)为给定慢度矢量(s_nm,s_em)下聚束的时间延迟，x_i(n+lag_i(s_nm,s_em))是第i个子台在采样点n处延迟后的零均值滤波数据的幅值；

S3.3、将步骤S3.2中计算得到的F值代入服从公式(7)的F分布模型中得到信号的检测概率P：

F～F(N₁,N₂,λ)(7)

式中N₁＝2BT,N₂＝(K-1)N₁,λ＝N₁(SNR)²，其中B为有效带宽(取整)，T为有效时长(Hann窗取整)，J为该监测台阵的子台个数，_λ为F分布非中心因子，(SNR)²为信号与噪声的平均能量之比；

S3.4、当信号检测概率P大于等于设定的检测阈值时，即可确定该特定地区发生核爆炸地震事件，发出报警信号；

当信号检测概率P小于设定的检测阈值时，重复上述步骤S3.1-S3.3。

现有方法在计算台阵检测信号时仅对相干聚束通道的信号进行STA/LTA检测，本方法使用固定值慢度向量进行指向性聚束，采用F检测理论对信号检测概率进行计算，具有指向性强、检测灵敏度高的特点。指定了慢度的台阵信号聚束处理保证了台阵只对特定地区的某类震相敏感，过滤了来自该地区的其它震相或其它地区信号的检测，当信号检测概率P大于设定的检测阈值时，给出针对该特定地区的指向性聚束检测。

实施例：对某特定地区的核爆炸地震事件进行了指向性聚束检测。通过分析历史事件在监测台阵记录的信号谱，确定信号谱在最大值时对应的慢度向量Snm、Sem，并将其作为台阵对于该地区信号检测的指向性聚束参数。参见图1和图2的检测结果，通过对比可以看到，对于特定地区的核爆炸地震信号的信号检测概率高于阈值，给出事件报警；对于其它地区的天然地震信号检测概率基本为0，不给出事件报警。所述特定地区为某国家的核试验场。

Claims (3)

1.一种针对特定地区的指向性聚束检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、选取一个合适的指向性聚束监测台阵；

S2、计算特定地区相对步骤S1中确定的监测台阵的慢度向量，具体步骤如下：

S2.1、读取特定地区历史核爆炸地震事件在该监测台阵各子台上的信号记录，去掉数据的线性趋势项；

S2.2、根据公式(5)对步骤S2.1得到的数据进行频率-波数分析，得到在不同慢度条件下的信号谱P：

$P(S_n,S_e)=\frac{\underset{f=f_1}{\overset{f_2}{\&Sigma;}}|\underset{k=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{F}_k\left(f\right)\&CenterDot;e^{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{-1}f(S_n\&CenterDot;dnorth+S_e\&CenterDot;deast)}|}{J\&CenterDot;\underset{f=f_1}{\overset{f_2}{\&Sigma;}}\left\{\underset{k=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{F}_k{\left(f\right)}^2\right\}}---\left(5\right)$

式中S_n和S_e是慢度向量在南北向和东西向上的分量，F(f)是信号与自身作卷积后的序列，f₁和f₂分别是滤波频带的起止频率，J为该监测台阵的子台个数，dnorth和deast是各子台相对于中心子台在南北向和东西向的偏移量；

S2.3、记录信号谱P在最大值时对应的慢度向量的分量S_nm、S_em；

S3、对特定地区核爆炸地震事件进行检测，具体步骤如下：

S3.1、获取监测台阵各子台的实时监测数据；

S3.2、结合步骤S3.1的实时监测数据，将步骤S2.3中得到的S_nm、S_em代入到公式(6)中计算台阵信号检测的F值：

$F(s_{nm},s_{em})=\&lsqb;\frac{J-1}{J}\&rsqb;\&CenterDot;\frac{\underset{n=n_0}{\overset{n_0+(N-1)}{\&Sigma;}}{\left|\underset{i=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{x}_i\left(n+{\mathrm{lag}}_i\left(s_{nm},s_{em}\right)\right)\right|}^2}{\underset{n=n_0}{\overset{n_0+(N-1)}{\&Sigma;}}\underset{i=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{\left|x_i\left(n+{\mathrm{lag}}_i\left(s_{nm},s_{em}\right)\right)-\&lsqb;\frac{1}{J}\&rsqb;\&CenterDot;\underset{j=1}{\overset{J}{\&Sigma;}}{x}_j\left(n+{\mathrm{lag}}_j\left(s_{nm},s_{em}\right)\right)\right|}^2}---\left(6\right)$

式中n₀为开始计算的采样点，N为时域的采样窗长，J为监测台阵的子台个数，lag_i(s_nm，s_em)为给定慢度矢量(s_nm,s_em)下聚束的时间延迟，x_i(n+lag_i(s_nm,s_em))是第i个子台在采样点n处延迟后的零均值滤波数据的幅值；

S3.3、将步骤S3.2中计算得到的F值代入服从公式(7)的F分布模型中得到信号的检测概率P：

F～F(N₁,N₂,λ)(7)

式中N₁＝2BT,N₂＝(K-1)N₁,λ＝N₁(SNR)²，其中B为有效带宽，T为有效时长，J为该监测台阵的子台个数，λ为F分布非中心因子，(SNR)²为信号与噪声的平均能量之比；

S3.4、当信号检测概率P大于等于设定的检测阈值时，即可确定该特定地区发生核爆炸地震事件；

当信号检测概率P小于设定的检测阈值时，重复上述步骤S3.1-S3.3。

2.根据权利要求1所述的一种针对特定地区的指向性聚束检测方法，其特征在于：步骤S1的具体步骤如下：

S1.1、按照公式(1)计算第i个台阵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个台阵中心子台的经纬度坐标，range为特定地区经纬度范围，distance为台阵中心子台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内的所有台阵，每个台阵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M，步骤S1.2中选取的台站中第i个台阵检测到的事件数为K_i，其中1<K_i≤M，按照公式(3)计算台阵的监测灵敏度E_i：

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

S1.4、选取灵敏度在给定阈值E内的一个台阵，符合以下要求，即为合适的指向性聚束监测台阵：

E_i>E(4)。

3.根据权利要求1或2所述的一种针对特定地区的指向性聚束检测方法，其特征在于：所述特定地区为某国家的核试验场。