CN107290787A - 一种地震次声同址台站的监测信号关联方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，以Pg‑Lg和Pn‑Lg震相对为基础，利用地震信号估算震源位置并进行次声信号检索匹配，可满足地震台阵和三分向地震台站和次声台站记录信号间的关联，以及地震台站和次声台站不完全同址监测信号间的关联。本发明实现了国际次声监测系统25个地震‑次声同址台站的区域事件快速关联，能以同址的地震和次声两个台站为基础较为准确的识别出区域爆炸事件；提高全球次声事件的处理分析的针对性和效率。解决了地震、次声同址分布的两种波形监测手段对区域事件的联合观测以及利用有限台站对小当量爆炸事件进行监测识别的难题。

Description

一种地震次声同址台站的监测信号关联方法

技术领域

本发明属于地震监测领域，具体涉及一种地震次声同址台站的监测信号关联方法。

背景技术

多种波形监测技术联合分析是地震监测及事件分析的重要发展方向之一，由于次声监测对大气层爆炸、矿爆、化爆等具有较强的监测能力和敏感性，与传统仅依据地震信号特征进行的事件性质识别相比，联合运用地震、次声监测信号进行分析，可进一步提高事件识别的准确性，尤其对于某些事件而言，能够监测到次声信号可作为其性质判断的重要依据。传统地震监测和分析要求有多个地震台站的监测数据，对于某些特定区域，由于事件震级偏低、地震监测台网稀疏，因而监测结果准确度较差，甚至无法进行有效监测；通过与次声监测技术相结合，可以提高事件监测的准确性，同时由于次声台站的台阵结构，相较于三分向地震台站可以较准确估算出事件方位，从而提高地震事件分析的准确性，然而，单个监测点观测区域事件，尤其矿区爆破等重复小规模事件，其地震、次声信号判别和信号无法自动关联。

发明内容

本发明的目的是提供一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，解决单个监测点观测区域事件，尤其矿区爆破等重复小规模事件的地震、次声信号判别和信号无法自动关联的技术难题，实现地震、次声两种波形监测技术的联合运用；还可提高区域小震级事件的监测能力、事件定位精度和性质判别准确性。

本发明的技术方案为：一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

S1、根据地震区域震相Pg、Pn、Lg走时表，构建震中距在0-20°范围的震相Pg、Pn、Lg走时关系式，而后确定Pg-Lg和Pn-Lg两组震相对走时差随震中距变化关系式，分别为pglg_time、pnlg_time；

S2、对将要进行同址地震-次声台站关联的地震台站和次声台站监测数据情况进行分析，确保欲关联时间段内地震台站和次声台站同时记录有监测数据；

S3、获取欲关联时间段内待关联地震台站监测数据中检测结果为Pg、Pn、Lg三个震相的检测信号及其信号特征参数，并将检测信号按时间顺序排列，结果为Arrivals；从Arrivals中筛选出Lg信号，记录所有Lg信号在Arrivals中所处位置；

S4、对每个Lg信号，判断其所在Arrivals序列中前一位置的信号震相类别，若信号震相为Pg，计算Lg与Pg震相的到时差，调用pglg_time走时差关系式确定可疑事件的震中距Dist；若信号震相为Pn，计算Lg与Pn震相的到时差，调用pnlg_time走时差关系式确可疑事件的震中距Dist；

S5、根据次声台站位置，确定次声台站至事件的方位角Az和到事件的距离Ep的理论值，以及事件发生时间Origin_time；

S6、根据次声台站至可疑事件距离Ep，确立次声信号走时模型、次声信号走时误差限制以及次声信号到时区间，具体如下；

次声信号走时模型为：

令delt_time1＝A，delt_time2＝B，且：

T₁＝111.1949×Ep/v_h

T₂＝111.1949×Ep/v_m

T₃＝111.1949×Ep/v₁

次声信号走时误差限制为：

若：0.2×T₂＜delt_time1，则delt_time＝delt_time1；

若：0.2×T₂＞delt_time2，则delt_time＝delt_time2；

其余情况delt_time＝0.2×T₂。

其中，v_h为次声信号最大传输速度，v_m次声信号经验传输速度，v₁为次声信号最低传输速度，T₁为走时下限，T₃为走时上限，T₂为可几走时；delt_time为次声信号走时误差，A、B为预先设定的参数值；

确立次声信号到时区间[Time₁，Time₂]：

若：T₁-0.5×delt_time＞0，

则Time₁＝T₁+Origin_time-0.5×delt_time；

否则Time₁＝Origin_time

另外，Time₂＝T₃+Origin_time+delt_time。

Time₁记录次声信号的时刻下限，Time₂记录次声信号的时刻上限；

根据次声台站至事件的方位角Az和次声信号方位角误差阈值Az_th，确定检测次声信号的方位角区间为[Az-Az_th,Az+Az_th]；

S7、按照上述确定的次声信号走时区间和检测次声信号的方位角区间，搜索同址次声台站检测次声信号中特征参数符合要求的信号，将该信号作为可疑事件所产生的信号，从而与地震信号相关联；

S8、在次声台站和地震台站相关联后，将地震台站和次声台站所测信号相结合。

有益效果：本发明以Pg-Lg和Pn-Lg震相对为基础，利用地震信号估算震源位置并进行次声信号检索匹配，可满足地震台阵和三分向地震台站和次声台站记录信号间的关联，以及地震台站和次声台站不完全同址监测信号间的关联。本发明实现了国际次声监测系统25个地震-次声同址台站的区域事件快速关联，能以同址的地震和次声两个台站为基础较为准确的识别出区域爆炸事件；提高全球次声事件的处理分析的针对性和效率。本发明以自动检测的地震和次声信号为基础，自动进行关联分析，与分析员审核分析结果相比匹配率可达43％以上，具有较高的准确性；另算法自动关联产生了大量真实、震级较低、未列入审核分析结果的地震-次声关联事件，为完整分析地震和次声台站监测能力提供了技术支持。

附图说明

图1为震中距20°以内Pg-Lg震相对、Pn-Lg震相对走时差关系图；

图2为同址地震台站为台阵(左图)和三分向(右图)两种不同模式条件下事件可疑位置估算方式及同址次声台站观测信号的方位角和事件可疑传输距离估算参数示意图；

图3为地震次声同址台站的监测信号关联流程图；

图4为采用本发明识别出的I46RU次声台站附近的事件分布示意图，●为同址的I46RU次声台站和ZALV地震台站，▲为准确关联的声震事件；

图5为对某一时间监测数据进行声震自动关联结果示意图。

具体实施方式

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

本发明提供一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

S1、根据地震区域震相Pg、Pn、Lg走时表，构建震中距在0-20°范围的震相走时关系式，而后确定Pg-Lg和Pn-Lg两组震相对中Lg震相与另一震相的走时差随震中距变化关系式，分别为pglg_time、pnlg_time；震中距为同址台站到地震震中的距离；

S2、对将要进行同址地震-次声台站关联的地震台站和次声台站监测数据情况进行分析，确保欲关联时间段内地震台站和次声台站同时记录有监测数据；

S3、获取欲关联时间段内待关联地震台站监测数据中检测结果为Pg、Pn、Lg三个震相的检测信号及其信号特征参数，并将检测信号按时间顺序排列，结果为Arrivals；从Arrivals中筛选出Lg信号，记录所有Lg信号在Arrivals中所处位置；

S4、对每个Lg信号，判断其所在Arrivals序列中前一位置(时间)信号类别，若信号震相为Pg，计算Lg与Pg震相的到时差，调用pglg_time走时差关系式确定可疑事件的震中距；若信号震相为Pn，计算Lg与Pn震相的到时差，调用pnlg_time走时差关系式确可疑事件的震中距Dist；可疑事件的震中距为可疑地震事件到地震台站的距离；

S5、若同址地震台站为台阵，根据区域震相对中Pg或Pn信号的方位角指向和可疑事件的震中距Dist，事件可疑位置位于信号方位角指向上距离台站Dist处；根据次声台站位置，可确定次声台站至事件的方位角Az和到事件的距离Ep的理论值，以及事件发生时间Origin_time；

若同址地震台站为三分向台站，则事件可疑区域为以地震台站为圆心，Dist为半径的区域，根据次声台站与地震台站的相对位置关系，确定次声台站至事件可疑位置的最小和最大距离，以及其对应的事件位置坐标，据此确立事件的方位角Az和至事件的距离Ep的理论值，以及事件发生时间Origin_time；

S6、根据次声台站至可疑事件距离Ep、次声信号走时模型和次声信号走时误差限制，确立次声信号到时区间，具体如下；

次声信号走时模型为：

令delt_time1＝A，delt_time2＝B，且：

T₁＝111.1949×Ep/v_h (1)

T₂＝111.1949×Ep/v_m (2)

T₃＝111.1949×Ep/v₁ (3)

次声信号走时误差限制为：

若：0.2×T₂＜delt_time1，则delt_time＝delt_time1；

若：0.2×T₂＞felt_tmie2，则delt_time＝delt_time2；

其余情况delt_time＝0.2×T₂。

其中，v_h为次声信号最大传输速度，v_m次声信号经验传输速度，v₁为次声信号最低传输速度，T₁为走时下限，T₃为走时上限，T₂为可几走时；delt_time为次声信号的走时误差时间，A、B为预先设定的参数值。

确立次声信号到时区间[Time₁，Time₂]：

若：T₁-0.5×delt_time＞0，

则Time₁＝T₁+Origin_time-0.5×delt_time；

否则Time₁＝Origin_time

另外，Tmie₂＝T₃+Origin_time+delt_time。

Time₁记录次声信号的时刻下限，Time₂记录次声信号的时刻上限；

根据次声台站至事件的方位角Az和次声信号方位角误差阈值Az_th，确定检测次声信号的方位角区间为[Az-Az_th,Az+Az_th]；Az_th预先设定；

S7、按照上述确定的次声信号走时区间和检测次声信号的方位角区间，搜索同址次声台站检测次声信号中特征参数符合要求的信号，将该信号作为可疑事件所产生的信号，从而与地震信号相关联；

对于次声台站与三分向地震台站同址的情况，由于三分向地震台站的距离唯一，方向不确定，因此若同一事件重复关联某一次声信号，则剔除重复信号。

S8、在次声台站和地震台站相关联后，将地震台站和次声台站所测信号相结合，重新对事件进行定位以及进行事件性质的分析，得到一个更精确的事件分析结果。

以IASPEI区域震相走时表中Pg、Pn、Lg走时规律为基础，以传输速度较慢的Lg波信号走时减去Pg或Pn走时，即可获得Pg-Lg、Pn-Lg震相对的走时差；由于走时表中Pg震相走时取点间隔为0.25°，Pn与Lg走时取点间隔为0.5°，为实现根据实测信号对走时差估算震源与地震台站间的距离，必须对根据走时表获得的震相对走时差进行插值并细化信号走时随震中距的关系，通过线性插值后的Pg-Lg、Pn-Lg震相对走时差关系如图1所示。

从自动检测信号中筛选出识别震相为Pg、Pn、Lg的检测信号并按时间排序，由于Lg信号传输速度低于Pg和Pn，因此可以认为如果地震台站监测到某个区域事件，则在Pg、Pn、Lg检测信号序列中，与Lg震相相对应的Pg或Pn应位于序列表中前一位置(时刻)，采用该方法可以快速形成区域震相对并估算事件的发生位置，极大地提高关联效率。

由于同址的地震台阵分为台阵和三分向台站，对于地震台阵而言，可通过聚束、频率波数分析等方法准确估算信号的方位角，因此在Pg或Pn检测信号方向上、距地震台阵Dist处即为可疑事件位置；而对于三分向地震台阵而言，由于方位角估算的不确定度较大，因此认为可疑事件应位于以三分向台阵为中心、Dist为半径的圆上，次声台站至可疑事件存在最小距离、最大距离，对应的方位角Az和事件可疑传输距离Ep理论值可能均不同，因此估算次声信号到时过程中需考虑Ep由最小值增大至最大值的影响以及Ep变化过程中Az的变化对次声信号检索关联的影响。图2为同址地震台站为台阵(左图)和三分向(右图)两种不同模式条件下事件可疑位置估算方式。

根据同址地震台站监测信号确定事件大致位置后和事件发生时间Origin_time后，根据可疑事件位置和次声台站确定台站至事件的距离Ep和方位角Az。依据次声信号传输经验设定次声信号最大传输速度、平均传输速度、最低传输速度，首先估算次声信号传输Ep距离所需传输走时下限T₁，走时上限T₃，可几走时T₂；而后结合估算的Origin_time和设定的次声信号走时误差delt_time确定次声信号的到时区间[Time₁,Time₂]；根据次声台站至事件的方位角Az和次声信号方位角误差阈值Az_th，确定检测次声信号的方位角区间为[Az-Az_th,Az+Az_th]。

根据确定的次声信号走时区间和方位角区间，从同址次声台站的信号检测结果中检索符合条件的次声信号；若匹配出符合条件的次声信号，则将匹配次声信号与前述对应区域震相对进行组合形成信号关联，记录关联信号及确定的事件发生位置和时间，从而形成地震-次声同址台站关联事件。图3详细说明地震次声同址台站的监测信号关联流程。

所述次声台站为全面禁止核试验条约组织所建国际监测系统次声台站，泛指各类安装微气压计、微麦克风等用于记录大气压力扰动的监测站点；所述地震台站包括但不限于国际监测系统地震台站，泛指各类安装位移计、速度计及加速度计并用于测量地运动情况的监测站；所述地震信号走时表是指不同地震信号传输过程中信号传输耗时与传输距离之间的对应关系；所述区域地震震相是指地震台站记录的各类区域地震信号，本发明中仅包括Pg、Pn、Lg三个震相；所述次声信号走时误差是指次声实际走时与理论模型走时间的差值；所述次声信号方位角误差是指次声信号的检测方位角与台站至事件实际方位间的误差；所述信号检测是指由特定数据处理算法实现的信号识别和特征参数提取，包括地震信号检测和次声信号检测；所述地震台站是指根据一定规律布设的一组地震仪；所述方位角是指台站至事件的连线与正北方向的夹角；所述震中距是指地震震中至监测台站的距离；

所述次声-地震同址台站是指地震台站和次声台站建于同一地点或两个台站间距在10km以内；

所述区域震相对是指由传输速度不同的两个区域震相组合构成的震相组合，包括Pg-Lg和Pn-Lg两组震相对；

所述区域震相对走时差是指震相对中Lg震相与Pg或Pn震相传输时间差随震中距变化的数值关系；

所述震相走时关系式是指由震相离散走时表近插值形成的近似连续的走时关系式；

所述信号特征参数是指反映信号特征的一系列参数，主要包括信号到时、震相类型、传输速度、方位角、信噪比，对于次声信号还包括信号中心频率、信号相关系数等；

所述次声信号走时模型是指次声信号传输时间随传输距离的变化关系，本发明中主要包括最短传输时间、最长传输时间、可几传输时间；

所述地震-次声信号关联是指将事件产生的地震、次声信号进行正确的识别与合理的联合；

事件可疑位置是指由同址单个地震台站所确立的事件源地点，包括台阵确立的可疑位置和三分向台站确立的可疑位置；

事件可疑传输距离是指根据区域震相对走时差由震相走时关系式确定的信号传输距离；

实施实例：

全面禁止核试验条约组织所属国际数据中心记录有国际监测系统监测事件，其地震-次声关联事件公报较为准确可靠。截止2017年4月在国际数据中心共记录到9086个地震-次声联合关联事件，其中位于俄罗斯扎列索沃的I46RU次声台站参与关联了5071个事件，占比55.8％，因此选用I46RU台站和同址的ZALV地震台阵进行测试和验证。

应用本发明所述方法，对2016年9月至2017年4月3日间的数据进行处理，该时间段内国际数据中心人工审核的事件数为736个，利用未经修正的自动检测信号由本方法自动匹配出321个事件，准确率达43.6％，同时关联出大量震级较低未能记入公报的事件，实测数据表明本发明具有较高处理性能和实际应用价值。图4为2017年1月17日7时至8时监测数据进行声震自动关联结果及其对应的波形数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

S1、根据地震区域震相Pg、Pn、Lg走时表，构建震中距在0-20°范围的震相Pg、Pn、Lg走时关系式，而后确定Pg-Lg和Pn-Lg两组震相对走时差随震中距变化关系式，分别为pglg_time、pnlg_time；

S2、对将要进行同址地震-次声台站关联的地震台站和次声台站监测数据情况进行分析，确保欲关联时间段内地震台站和次声台站同时记录有监测数据；

S3、获取欲关联时间段内待关联地震台站监测数据中检测结果为Pg、Pn、Lg三个震相的检测信号及其信号特征参数，并将检测信号按时间顺序排列，结果为Arrivals；从Arrivals中筛选出Lg信号，记录所有Lg信号在Arrivals中所处位置；

S4、对每个Lg信号，判断其所在Arrivals序列中前一位置的信号震相类别，若信号震相为Pg，计算Lg与Pg震相的到时差，调用pglg_time走时差关系式确定可疑事件的震中距Dist；若信号震相为Pn，计算Lg与Pn震相的到时差，调用pnlg_time走时差关系式确可疑事件的震中距Dist；

S5、根据次声台站位置，确定次声台站至事件的方位角Az和到事件的距离Ep的理论值，以及事件发生时间Origin_time；

S6、根据次声台站至可疑事件距离Ep，确立次声信号走时模型、次声信号走时误差限制以及次声信号到时区间，具体如下；

次声信号走时模型为：

令delt_time1＝A，delt_time2＝B，且：

T₁＝111.1949×Ep/v_h

T₂＝111.1949×Ep/v_m

T₃＝111.1949×Ep/v_l

次声信号走时误差限制为：

若：0.2×T₂＜delt_time1，则delt_time＝delt_time1；

若：0.2×T₂＞delt_time2，则delt_time＝delt_time2；

其余情况delt_time＝0.2×T₂。

其中，v_h为次声信号最大传输速度，v_m次声信号经验传输速度，v_l为次声信号最低传输速度，T₁为走时下限，T₃为走时上限，T₂为可几走时；delt_time为次声信号走时误差，A、B为预先设定的参数值；

确立次声信号到时区间[Time₁，Time₂]：

若：T₁-0.5×delt_time＞0，

则Time₁＝T₁+Origin_time-0.5×delt_time；

否则Time₁＝Origin_time

另外，Time₂＝T₃+Origin_time+delt_time。

Time₁记录次声信号的时刻下限，Time₂记录次声信号的时刻上限；

根据次声台站至事件的方位角Az和次声信号方位角误差阈值Az_th，确定检测次声信号的方位角区间为[Az-Az_th,Az+Az_th]；

S7、按照上述确定的次声信号走时区间和检测次声信号的方位角区间，搜索同址次声台站检测次声信号中特征参数符合要求的信号，将该信号作为可疑事件所产生的信号，从而与地震信号相关联；

S8、在次声台站和地震台站相关联后，将地震台站和次声台站所测信号相结合。

2.根据权利要求1所述的一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：S5中，

若同址地震台站为台阵，根据区域震相对中Pg或Pn信号的方位角指向和可疑事件的震中距Dist，事件可疑位置位于信号方位角指向上距离台站Dist处；根据次声台站位置，确定次声台站至事件的方位角Az和到事件的距离Ep的理论值，以及事件发生时间Origin_time；

若同址地震台站为三分向台站，则事件可疑区域为以地震台站为圆心，Dist为半径的区域，根据次声台站与地震台站的相对位置关系，确定次声台站至事件可疑位置的最小和最大距离，以及其对应的事件位置坐标，据此确立事件的方位角Az和至事件的距离Ep的理论值，以及事件发生时间Origin_time。

3.根据权利要求2所述的一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：S7中，对于次声台站与三分向地震台站同址的情况，若同一事件重复关联某一次声信号，则剔除重复信号。

4.根据权利要求1所述的一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：走时表是指不同地震信号传输过程中信号传输耗时与传输距离之间的对应关系。

5.根据权利要求1所述的一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：所述次声信号走时误差是指次声实际走时与理论模型走时间的差值。

6.根据权利要求1所述的一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：次声信号方位角误差是指次声信号的检测方位角与台站至事件实际方位间的误差。

7.根据权利要求1所述的一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：所述震中距是指地震震中至监测台站的距离。

8.根据权利要求1～7任一项所述的一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：所述地震次声同址台站是指地震台站和次声台站建于同一地点或两个台站间距在10km以内。

9.根据权利要求8所述的一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：震相对走时差是指震相对中Lg震相与Pg或Pn震相传输时间差随震中距变化的数值关系。

10.根据权利要求9所述的一种地震次声同址台站的监测信号关联方法，其特殊之处在于：所述震相Pg、Pn、Lg走时关系式是指由震相Pg、Pn、Lg离散走时表近插值形成的近似连续的走时关系式。