CN107479094B - 一种实现地震预警的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实现地震预警的方法，涉及地震信号处理技术领域。该方法首先实时记录地震波，对实时传送的地震波数据通过低通滤波器进行实时滤波，用振幅相对变化率作为特征函数，对实时滤波后的数据计算特征函数，确定长、短尺度的长度后，按确定的步长同步移动长、短窗，同时实时对特征函数计算STA/LTA值，判断STA/LTA值是否超过其阈值，若是，则取其对应的采样时间为地震波到时，同时触发地震预警装置，否则，继续进行下一次的地震波实时记录。本发明采用长短时均值比方法自动拾取p波到时，算法简单、计算速度快，用地震波振幅相对变化率作为特征函数，所用机时可以忽略，抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及地震工程和地震信号处理技术领域，尤其涉及一种实现地震预警的方法。
背景技术
地震预警是针对地震预报能力不足提出的震时预警方法。其一般原理是，把地震探测器安置在活断层附近，当地震发生时，由于p波传播速度比s波快，地震探测器首先接收到p波，在破坏力很强的s波到达前用电磁波把地震消息传达到城市，通知人们在地震s波到达前做好应急准备。最近几年发展迅速的地震预警技术，需要自动、快速、准确确定P波到时。
地震p波自动拾取方法一直在不断改进，到目前为止常用方法主要有长短时均值比方法(即STA/LTA方法)、AIC准则、高阶统计计量方法(PAI-S/K)、自回归方法定义进行地震震相判别的方法，除此之外还有分形维法和神经网络法等。
长短时均值比方法是目前广泛使用的一种地震波初至拾取方法，其原理是取地震波特征函数在短时间内平均值与长时间内平均值之比确定地震波初至，即长短时平均值法，地震波初至时刻就是用长短时平均值法计算得到的对应峰值点。长短时均值比方法具有算法简单、计算速度快和特征函数多样等优点，这非常符合地震预警的要求。其不足是特征函数的不同选择使得到时的拾取产生差异，并且目前使用的特征函数使得拾取结果抗干扰能力较差；短时间和长时间取得过短、过长都会造成地震触发错误。
AIC准则认为地震发生前后对应着两个不同的稳态过程，AIC函数的极小值对应p波初至时刻。AIC函数峰值点尖锐，从这种意义上说该方法拾取到时的准确度高。但在不同时窗下，拾取的到时位置不同，所以该方法仅仅适合地震波初至位置大致已知的情况，这显然不适用地震预警的速度要求。
PAI-S/K方法定义了地震波形峰度和偏斜度函数，判断上述二函数曲线的极值点，以极值点前曲线斜率最大位置作为地震波到时。该算法计算简单、速度快，但抗干扰能力不强。
自回归方法将地震信号分为两个局部统计时段，取自相关最小值作为p波到时，该方法拾取到时精度高，但计算速度慢，不适用于地震预警。
分形维数方法认为地震信号与噪音叠加时分形维数发生变化，并据此拾取p波。该方法应用于地震预警的最大障碍是计算速度慢。
神经网络法采用峰值振幅、时窗内均方根振幅比、峰值与其前后峰值包络斜率及噪声与信号比值等作为神经网络输入因素，是一种综合的p波到时拾取方法。其最大优点是适用性强，缺点是计算复杂、用时长。
上述方法都是自动拾取p波到时的常用方法，都有一定的适用条件。地震预警要求p波拾取速度快，只有长短时均值比方法可以满足速度快的要求，但其抗干扰能力低使得拾取p波到时误差较大的问题需要改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术不足，提供一种实现地震预警的方法。采用地震波振幅相对变化率作为特征函数，用长短时均值比方法自动拾取p波到时，算法简单、计算速度快、所用机时可以忽略、抗干扰能力强。
本发明所采取的技术方案是：一种实现地震预警的方法，包括以下步骤：
步骤1：实时提取三分量地震动记录{xi}、{yi}、{zi}，i为地震动记录的实时记录序号；三分量地震动记录可以是位移、速度或加速度；
步骤2：对三分量地震动记录进行实时低通滤波，低通滤波器阈值根据地震预警的实际要求情况进行选择，如果考虑绝对公共安全(即可能发生破坏性地震)，则p波初始周期阈值(即低通滤波器阈值)取为1s，如果考虑地震预警准确性(即一定会发生破坏地震)，则p波初始周期阈值取为2s；根据p波初始周期判断是否进行地震预警计算，若p波初始周期小于p波初始周期阈值，则不能发生破坏性地震，停止地震预警计算，返回步骤1；若p波初始周期大于等于阈值，则能发生破坏性地震，执行步骤3。
步骤3：对经过三维低通滤波的地震记录，用公式(1)计算三维振幅相对变化率，得到Pi序列：
其中，0≤i≤N-2，N为序列长度；
步骤4：用三维振幅相对变化率Pi作为特征函数，用公式(2)对三维振幅相对变化率Pi做长短时均值比计算，得到序列{Pi}；
其中，N4为长短时均值比方法的短尺度，N3为长尺度，N4＜＜N3＜＜N，0≤i≤N-2-N3；
步骤5：根据环境干扰、仪器干扰和地方震特点设定地震预警触发阈值Pc，根据公式(3)判断是否触发地震预警，若公式(3)满足，则触发地震预警，若公式(3)不满足，则不能触发，返回步骤1。
max{Pi}≥Pc (3)
进一步地，所述步骤3中计算特征函数时为避免出现由于振幅为零使计算溢出的情况，公式(1)中所有作为分母的振幅数值都加上10-7数量级。
进一步地，所述步骤4中为了使p波定时准确，所用长尺度和短尺度都较短，具体如下：若地震记录的采样间隔为0.002s，则短尺度取0.1s，长尺度取0.3s；若地震记录的采样间隔为0.005s，则短尺度取0.25s，长尺度取0.75s。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种实现地震预警的方法，采用基于振幅相对变化率的长短时均值比方法自动拾取p波到时，算法简单、计算速度快，非常符合地震预警的要求。用地震波振幅相对变化率作为特征函数代替现有技术中的特征函数，使长短时均值比方法抗干扰能力增强，所用机时可以忽略，从而提高地震预警的效率；在计算特征函数前对地震记录实时进行低通滤波，提高了对破坏性地震预警的准确性，而且能为地震预警节省宝贵时间，保证预警效率；在考虑环境干扰、仪器干扰和地方震特点基础上，确定长短时均值比触发阈值，有助于消除低频干扰造成的错误触发。
附图说明
图1为本发明实施例提供的实现地震预警的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的在地震波到达前3s施加的地脉动信号；
图3为本发明实施例提供的地震三分量加速度记录；其中，(a)为竖直方向的加速度记录数据，(b)为东西方向的加速度记录数据，(c)为南北方向的加速度记录数据；
图4为对图3中的地震三分量加速度记录计算的振幅相对变化率曲线和对应的长短时均值比曲线；其中，(a)为振幅相对变化率曲线，(b)为长短时均值比曲线；
图5为本发明实施例提供的对汶川余震地震波施加振幅为4×10-5cm/s2的低频干扰波情况下计算得到的振幅相对变化率和长短时均值比曲线；其中，(a)为振幅相对变化率曲线，(b)为长短时均值比曲线；
图6为本发明实施例提供的对汶川余震地震波施加振幅为4×10-4cm/s2的低频干扰波情况下计算得到的振幅相对变化率和长短时均值比曲线；其中，(a)为振幅相对变化率曲线，(b)为长短时均值比曲线；
图7为本发明实施例提供的对汶川余震地震波施加振幅为4×10-3cm/s2的低频干扰波情况下计算得到的振幅相对变化率和长短时均值比曲线；其中，(a)为振幅相对变化率曲线，(b)为长短时均值比曲线；
图8为本发明实施例提供的对汶川余震地震波施加振幅为4×10-2cm/s2、持续时间为0.1s的低频干扰波情况下计算得到的振幅相对变化率和长短时均值比曲线；其中，(a)为振幅相对变化率曲线，(b)为长短时均值比曲线；
图9为本发明实施例提供的对汶川余震地震波施加振幅为4×10-1cm/s2、持续时间为0.2s的低频干扰波情况下计算得到的振幅相对变化率和长短时均值比曲线；其中，(a)为振幅相对变化率曲线，(b)为长短时均值比曲线；
图10为本发明实施例提供的对汶川余震地震波施加振幅为15cm/s2的低频干扰波情况下计算得到的振幅相对变化率和长短时均值比曲线；其中，(a)为振幅相对变化率曲线，(b)为长短时均值比曲线；
图11为本发明实施例提供的针对震级大于Ms4.0的160个汶川大地震和余震、地震前低频干扰振幅为4×10-2cm/s2的情况下采用本发明方法计算的P波拾取偏差及其统计直方图；其中，(a)为P波拾取偏差点状图，(b)为(a)的统计直方图；
图12为本发明实施例提供的针对震级大于Ms4.0的160个汶川大地震和余震、地震前低频干扰振幅为4×10-1cm/s2的情况下采用本发明方法计算的P波拾取偏差及其统计直方图；其中，(a)为P波拾取偏差点状图，(b)为(a)的统计直方图；
图13为本发明实施例提供的针对震级大于Ms4.0的160个汶川大地震和余震、地震前低频干扰振幅为4×10-1cm/s2的情况下采用现有的STA/LTA方法计算的P波拾取偏差及其统计直方图；其中，(a)为P波拾取偏差点状图，(b)为(a)的统计直方图；
图14为本发明实施例提供的针对震级大于Ms4.0的160个汶川大地震和余震、地震前低频干扰振幅为4×10-1cm/s2的情况下采用AIC准则计算的P波拾取偏差及其统计直方图；其中，(a)为P波拾取偏差点状图，(b)为(a)的统计直方图；
图15为本发明实施例提供的针对震级大于Ms4.0的160个汶川大地震和余震、地震前低频干扰振幅为4×10-1cm/s2的情况下采用PAI-S/K方法计算的P波拾取偏差及其统计直方图；其中，(a)为P波拾取偏差点状图，(b)为(a)的统计直方图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种实现地震预警的方法，如图1所示，本实施例的方法如下所述。
步骤1：实时提取三分量地震动记录{xi}、{yi}、{zi}，i为地震动记录的实时记录序号；三分量地震动记录为位移、速度或加速度。本实施例中，三分量地震动记录采用加速度，单位为cms-2。
如图2所示，为本实施例中在地震波到达前3s施加的地脉动信号，地脉动信号幅值小于地震波初至振幅一个数量级。图3中(a)、(b)、(c)分别是地震三分量加速度记录，采样间隔为0.002s，P波初至时刻为3s。
步骤2：对三分量地震动记录进行实时低通滤波，低通滤波器阈值根据地震预警的实际要求情况进行选择，如果考虑绝对公共安全(即可能发生破坏性地震)，则p波初始周期阈值(即低通滤波器阈值)取为1s，如果考虑地震预警准确性(即一定会发生破坏性地震)，则p波初始周期阈值取为2s；根据p波初始周期判断是否进行地震预警计算，若p波初始周期小于p波初始周期阈值，则不能发生破坏性地震，停止地震预警计算，返回步骤1；若p波初始周期大于等于p波初始周期阈值，则能发生破坏性地震，执行步骤3。
地震预警只针对破坏性地震进行，Kanamori利用地震波到达后3s内的p波的初始周期判定是否可能发生破坏性地震。研究表明p波初始周期大于1s时发生破坏性地震可能性极高，而当p波初始周期大于2s时，肯定发生破坏地震。这样可以对3s内的初至p波周期进行计算，出于绝对安全考虑，初至p波周期大于1s，可以触发地震预警，出于地震预警准确性考虑，初至p波大于2s，触发地震预警。这样做相当于给地震记录加了一个周期阈值，阈值的计算需要p波初至后的3s时间内，这是时间上的损失。
对地震记录实时进行低通滤波，周期小于阈值的地震波不能发生破坏性地震，停止地震预警计算；只有周期大于等于阈值的地震波才能发生破坏性地震，进入下一步计算。这样节省了宝贵的3s时间。
步骤3：对经过三维低通滤波的地震记录，用公式(1)计算三维振幅相对变化率，得到Pi序列：
其中，0≤i≤N-2，N为序列长度。为避免出现由于振幅为零使计算溢出的情况，公式(1)中所有作为分母的振幅数值(加速度xi、yi、zi)都加上10-7cm/s2数量级。
如图4(a)所示，为图3中的地震三分量加速度记录计算的振幅相对变化率曲线，可见振幅相对变化率曲线非常清晰地反映了p波到时的突变，第3s的p波初至时刻的振幅相对率异常明显。
步骤4：用三维振幅相对变化率Pi作为特征函数，用公式(2)对三维振幅相对变化率Pi做长短时均值比计算，得到序列{Pi}；
其中，N4为长短时均值比方法的短尺度，N3为长尺度，N4＜＜N3＜＜N，0≤i≤N-2-N3。
如图4(b)所示，为图3中的地震三分量加速度记录计算的长短时均值比曲线，其峰值与地震波到时对应得很好。
为了使p波定时准确，所用长尺度和短尺度都较短，若地震记录的采样间隔为0.002s，则短尺度取0.1s，长尺度取0.3s；若地震记录的采样间隔为0.005s，则短尺度取0.25s，长尺度取0.75s。对于图3中采样间隔为0.002s的地震记录，短时间取0.1s，长时间取0.3s。
步骤5：为了消除低频干扰造成的触发，根据环境干扰、仪器干扰和地方震特点(即每个地方地震的特点)设定地震预警触发阈值Pc，根据公式(3)判断是否触发地震预警，若公式(3)满足，则触发地震预警，若公式(3)不满足，则不能触发，返回步骤1。
max{Pi}≥Pc (3)
对汶川160个大于Ms4.0级地震在s波到达前进行长短时均值比计算，得到p波到时的Pn＝max{Pi}平均值为0.79，而非p波到时的Pn平均值为0.48。据此，汶川地区的地震预警阈值Pc取为0.6。
地震预警的关键技术是p波到时自动拾取的抗干扰问题。由于本实施例提供的地震预警方法需要对地震记录低通滤波后拾取p波，所以该方法的抗干扰分析转化为抗低频干扰分析。以汶川一余震(以下称汶川余震)为例进行本实施例方法的抗低频干扰分析。对汶川余震地震记录做低通滤波(1Hz)后，在地震波到达前的2s施加不同振幅、频率为1Hz的低频干扰后，拾取p波到时。
如图5所示，为对汶川余震到达前的2s施加振幅为4×10-5cm/s2的低频干扰后计算得到的振幅相对变化率和对应的长短时均值比曲线；如图6所示为对汶川余震到达前的2s施加振幅为4×10-4cm/s2的低频干扰后计算得到的振幅相对变化率和对应的长短时均值比曲线；如图7所示，为对汶川余震到达前的2s施加振幅为4×10-3cm/s2的低频干扰后计算得到的振幅相对变化率和对应的长短时均值比曲线。可以看出，在低频干扰振幅较小的情况下，振幅相对变化率曲线基本不受干扰的影响，相应的长短时均值比曲线峰值都准确地对应了P波到时。
如图8所示，是对汶川余震到达前的2s施加最大振幅为4×10-2cm/s2、持续时间为0.1s的低频干扰后计算得到的振幅相对变化率和对应的长短时均值比曲线；如图9所示，是对汶川余震到达前的2s施加最大振幅为4×10-1cm/s2、持续时间为0.2s的低频干扰后计算得到的振幅相对变化率和对应的长短时均值比曲线，注意到图8(a)和(b)中在0～2s之间有一个较大的振幅相对变化，说明在低频干扰振幅较大的情况下，振幅相对变化率曲线受到影响。但图9(a)和(b)的长短时均值比曲线都过滤了短时间内的振幅相对变化，曲线峰值都准确地对应了P波到时。
如图10所示，是对汶川余震到达前的2s施加最大振幅为15cm/s2、持续时间为0.3s的低频干扰后计算得到的振幅相对变化率和对应的长短时均值比曲线。在p波到达的2s时刻、长短时均值比曲线有一个峰值，该峰值反映了P波到时。但在该峰值前有一个小峰值，说明长短时均值比不能过滤掉大幅值、较长时间的干扰。说明用振幅相对变化率长短时均值比方法确定P波到时，需要根据实际情况定义一个触发阈值。
为进一步验证用基于振幅相对变化率长短时均值比方法拾取P波到时抗低频干扰能力，选择震级大于Ms4.0的汶川大地震和余震共160条记录进行分析，采样周期为0.005s，首先用手工拾取P波到时，以此为基准，与用振幅相对变化率长短时均值比方法等方法拾取到的P波到时进行比较，偏差小于等于0.1s认为拾取成功。拾取分二种情况进行，地震前低频干扰波振幅分别为4×10-2cm/s2和4×10-1cm/s2。
如图11所示，是低频干扰波振幅为4×10-2cm/s2时，用本实施例提供的基于振幅相对变化率长短时均值比方法得到的P波自动拾取偏差，可以看出拾取p波到时的偏差都小于0.1s。如图12所示，是低频干扰波振幅为4×10-1cm/s2时，用本实施例提供的基于振幅相对变化率长短时均值比方法得到的P波自动拾取偏差，可以看出拾取p波到时的偏差仅一次大于0.1s，其余都正确触发了地震预警。
如图13、图14和图15所示，分别是在干扰波振幅为4×10-1cm/s2时用现有的STA/LTA方法、AIC准则和PAI-S/K方法拾取p波到时得到的P波自动拾取偏差，可以看出，三种方法拾取p波到时的偏差都大于相同干扰下用本实施例提供的方法的拾取结果。
有以上分析可知，本实施例提供的一种实现地震预警的方法，采用基于振幅相对变化率的长短时均值比方法自动拾取p波到时，算法简单、计算速度快，非常符合地震预警的要求。用地震波振幅相对变化率作为特征函数代替以往的特征函数，使长短时均值比方法抗干扰能力增强，所用机时可以忽略；在计算特征函数前对地震记录实时进行低通滤波，提高了对破坏性地震预警的准确性，而且能为地震预警节省宝贵时间，保证了预警效率；在考虑环境干扰、仪器干扰和地方震特点基础上，确定长短时均值比触发阈值，有助于消除低频干扰造成的触发。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种实现地震预警的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：实时提取三分量地震动记录{xi}、{yi}、{zi}，i为地震动记录的实时记录序号；三分量地震动记录可以为位移、速度或加速度；
步骤2：对三分量地震动记录进行实时低通滤波，低通滤波器阈值根据地震预警的实际要求情况进行选择，如果考虑绝对公共安全，即可能发生破坏性地震，则p波初始周期阈值取为1s，如果考虑地震预警准确性，即一定发生破坏性地震，则p波初始周期阈值取为2s；根据p波初始周期判断是否进行地震预警计算，若p波初始周期小于p波初始周期阈值，则不能发生破坏性地震，停止地震预警计算，返回步骤1；若p波初始周期大于等于p波初始周期阈值，则能发生破坏性地震，执行步骤3；
步骤3：对经过三维低通滤波的地震记录，用公式(1)计算三维振幅相对变化率，得到Pi序列：
其中，0≤i≤N-2，N为序列长度；
步骤4：用三维振幅相对变化率Pi作为特征函数，用公式(2)对三维振幅相对变化率Pi做长短时均值比计算，得到序列{Pi}；
其中，N4为长短时均值比方法的短尺度，N3为长尺度，N4＜＜N3＜＜N，0≤i≤N-2-N3；
步骤5：根据环境干扰、仪器干扰和地方震特点设定地震预警触发阈值Pc，根据公式(3)判断是否触发地震预警，若公式(3)满足，则触发地震预警，若公式(3)不满足，则不能触发，返回步骤1；
max{Pi}≥Pc (3) 。
2.根据权利要求1所述的一种实现地震预警的方法，其特征在于：所述步骤3中计算特征函数时为避免出现由于振幅为零使计算溢出的情况，公式(1)中所有作为分母的振幅数值都加上10-7数量级。
3.根据权利要求1所述的一种实现地震预警的方法，其特征在于：所述步骤4中为了使p波定时准确，所用长尺度和短尺度都较短，具体如下：若地震记录的采样间隔为0.002s，则短尺度取0.1s，长尺度取0.3s；若地震记录的采样间隔为0.005s，则短尺度取0.25s，长尺度取0.75s。
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