CN111222081A - 一种次声信号幅值季节性偏差校正方法 - Google Patents

一种次声信号幅值季节性偏差校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，提出了以试验场为中心，划分分割线，对分割线两侧台站独立进行幅值校正。在对实际监测信号幅值进行当量归一化处理的基础上，将归一化后的次声信号幅值按日历天进行分析，采用二阶拟合曲线确切地反映了信号幅值变化规律。针对不同次声台站给出了通用校正函数和以通用函数为基础进行精确校正的方法。以实测信号幅值扣除校正值后即为次声信号校正幅值。本发明解决了因季节性差异导致的实测次声信号偏差较大的问题，从而提高了次声事件当量估算准确度，降低了当量估算误差。

Description

一种次声信号幅值季节性偏差校正方法
技术领域
本发明属于次声信号校正技术领域，具体涉及一种次声信号幅值季节性偏差校正方法。
背景技术
次声是全面禁止核试验条约组织规定的四种监测技术手段之一，可有效监测大气层和地面爆炸事件。利用次声台站记录的爆炸次声信号，通过信号检测与特征提取、台网关联的技术手段，可以确定事件发生的位置、事件及当量。根据次声信号的特征参数、信号传输距离，按照一定的能量衰减规律计算次声事件当量。次声事件当量估算方式主要有两种：根据次声信号幅值及信号传输距离计算、根据次声信号周期计算。其中，根据次声信号幅值计算当量的方式是基于次声信号在远距离传输中的能量衰减规律，事件能量越高，则传播相同距离后记录的次声信号幅值也越大。而利用次声信号周期计算当量的方法是基于信号远距离传输过程中的频率衰减规律，由于频散，次声信号的高频成分衰减很快；信号周期越长，则表明低频成分越多，次声事件的能量也越强。目前次声事件当量估算主要采用信号幅值和传输距离方式。
次声由于受大气环流等因素影响，在传输过程中存在顺风加强、逆风减弱的特点，次声台站实际监测的次声信号幅值与理论值之间存在较为明显的差异。
发明内容
本发明提供一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，要解决的技术问题是：解决季节性变化因素对次声信号幅值的影响，从而提高爆炸事件的当量估算的准确性。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，其特殊之处在于：其包括以下步骤：
S1、对目标地区历史爆炸事件进行收集，得到各次声台站记录的次声信号；
S2、将收集的次声信号按照台站进行分类，记录事件发生日期、台站名称、台站至事件的距离、台站至事件的方位角、爆炸事件的当量、监测的次声信号幅值；
S3、对次声信号幅值进行当量归一化处理，并取对数，得到归一化幅值amp_adjust：
S4、将事件发生日期转换为日历天Jdate，即全年第x天；以日历天为横坐标，归一化幅值amp_adjust为纵坐标，对所指定台站记录的所有次声信号进行分析；
S5、根据归一化幅值-日历天图示所展示的各台站信号幅值变化趋势，将次声台站分为先上升后降低型和先降低后上升型；
S6、按照S5得到的两种类型的台站的地理分布划定分割线，将两种类型的台站分割开来，对分割线两侧台站分别进行幅值校正；对需要幅值校正的台站，将归一化幅值分别进行二阶、三阶、四阶拟合，确定最能反映幅值变化规律的多阶拟合函数；
S7、对于同一类型的台站，将S6得到的某一台站多阶拟合函数在其它台站进行适用性进行分析，确认最能反映幅值变化规律的拟合函数阶数；
S8、将S7确定的某一台站的拟合函数在同一类台站进行适用性分析，最终确定适合全部或大部分台站使用的拟合函数，从而获得普遍适用的通用校正函数；
S9、对于某一个具体事件，将其所发生的日历天代入S8的通用校正函数中，即可获得当日次声信号的校正系数Amp2，得到经校正后的次声信号幅值amp_new为：
amp_new＝amp_adjust-Amp2
S10、根据当量计算公式确定经信号幅值季节性偏差校正后的平流层顶次声信号幅值-当量-传输距离关系。
有益效果：本发明可根据历史爆炸次声信号幅值的季节性分析，确定次声信号幅值季节性偏差的校正函数，通过增加幅值校正项降低实测次声信号幅值与理论幅值的偏差，进而实现次声事件当量准确估算；可实现对大气层事件产生的次声信号幅值进行季节性偏差校正，降低信号测量幅值与信号理论幅值间的差异，从而提高以信号幅值为基础进行事件当量估算的准确度，对于准确估算次声事件的当量、评估与识别次声事件具有重要意义。具体优点如下：
1.本发明采用定向可变格点的设计方法，本发明采用信号幅值进行当量归一化后取对数的处理方法，较之原始数据更直观的揭示了次声信号的幅值变化规律；采用二阶多项式拟合的方法，符合了所有分析台站的幅值变化规律；采用通用校正函数和精细化微调函数相结合的校正方法，既解决了校正方法的普遍适用性，同时也兼顾的某些台站精准校正的需求。
2.本发明实现了根据次声信号幅值的季节性变化规律进行了信号幅值校正，降低了实际观测信号幅值与信号理论幅值偏差，提高了相同能量水平次声信号的一致性，经季节性幅值校正后的信号幅值，在幅值-传输距离关系中具有更好的聚集效果，推导得出的爆炸事件当量估算方法具有更低的估算偏差。
附图说明
图1记录内华达空爆核试验数据较多的次声台站分布
图2StGeorge拟合结果比较(实线为二阶拟合，粗虚线为三阶拟合，点虚线为四阶拟合)
图3不同台站拟合结果在StGeorge次声台站适用性比较
图4不同台站拟合函数在Bishop次声台站适用性比较
图5Caliente台站校正前后幅值比较,函数右移jdate20天，校正因子-0.4。(*为原始幅值，△为季节性校正后幅值)
图6季节性校正前的次声信号幅值与传输距离变化关系，信号幅值经当量归一化
图7校正后次声信号幅值与传输距离关系，对145-325°连线两侧台站采用不同校正系数。
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。
本发明提出的一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，包括以下步骤：
S1、对目标地区(内华达)历史爆炸事件进行收集，得到各次声台站记录的次声信号；图1为记录内华达空爆核试验次数较多的次声台站分布。
S2、将收集的次声信号按照台站进行分类，得到每个台站记录的事件发生日期、台站名称、台站至事件的距离、台站至事件的方位角、爆炸事件的当量w(单位千吨)、监测的次声信号幅值amp；
S3、对次声信号幅值进行当量归一化处理，并取对数，得到归一化幅值amp_adjust：
Figure BDA0002366155180000041
次声信号幅值amp为Pa(帕)，爆炸事件的当量w单位为看kT(千吨)。
S4、将事件发生日期转换为日历天Jdate，即全年第x天；以日历天为横坐标，归一化幅值amp_adjust为纵坐标，对所指定台站记录的所有次声信号进行分析；
S5、根据归一化幅值-日历天图示所展示的各台站信号的归一化幅值随日历天的变化类型，主要有幅值随日期平坦型、先上升后降低型和先降低后上升型，将次声台站进行分类，由于幅值随日期平坦型体现不出季节性差异，因此与其相关的次声台站不做考虑，重点研究后两种类型对应的次声台站；
S6、按照S5得到的两种类型的台站的地理分布，以试验场为中心，140°-320°连线为分割线，将两种类型的台站分割开来，对分割线两侧台站分别独立进行幅值校正；对需要幅值校正的台站，将归一化幅值分别进行二阶、三阶、四阶拟合，得到反映幅值变化规律的多阶拟合函数：
Amp2＝a1*x2+a2*x+a3 (2)
Amp2＝a1*x3+a2*x2+a3*x+a4 (3)
Amp2＝a1*x4+a2*x3+a3*x2+a4*x+a5 (4)
a1、a2、a3、a4、a5分别为拟合系数；
图2为位于场地以东方向210km左右的StGeorge台站归一化信号幅值分别采用二阶、三阶、四阶拟合的结果，其拟合函数分别为：
Amp2＝1.285*10-4*x2-0.04725*x+3.851 (5)
Amp3＝-4.588*10-8*x3+1.542*10-4*x2-0.05151*x+4.058 (6)
Amp4＝1.215*10-8*x4+9.161*10-6*x3-2.2258*10-3*x2+0.2012*x-4.729
(7)
S7、对于同一类型的台站，将S6得到的某一台站多阶拟合函数在其它台站进行适用性进行分析，确认最能反映幅值变化规律的拟合函数阶数；以内华达核试验场为例适合采用二阶拟合函数；图3为不同台站二阶拟合结果在StGeorge适用性比较，图4为不同台站拟合函数在Bishop次声台站适用性比较，图3与图4分别代表了次声信号幅值随机季节性变化的两类特征。
S8、将S7确定的某一台站的拟合函数在同一类台站进行适用性分析，最终确定适合全部或大部分台站使用的拟合函数，从而获得普遍适用的通用校正函数；经过S7步骤的适用性分析，确定图3所示的幅值先减小后增大的台站类型，可以使用图1中右上角Lund台站的拟合函数作为通用校正函数来计算其校正系数，其计算方式为：
Amp2＝7.962*10-5*Jdate2-0.0298*Jdate+2.532 (8)
图4所示的幅值先增大后减小的台站类型，可以使用图1右下侧Bishop台站的拟合函数作为通用校正函数，其计算方式为：
Amp2＝-9.619*10-5*Jdate2+0.03697*Jdate-2.791 (9)
其中Bishop和Inyokern使用同一类校正函数，Lund、StGeorge、LasVegas、BoulderCity、Tonopah、Valiente等台站使用同一类校正函数。
S9、根据台站的实际情况对通用校正函数进行微调，包括将日期Jdatex左右移动和幅值上下移动，得到微调之后的校正函数：
Amp2＝a1*(x+D)2+a2*(x+D)+a3+B (10)
将公式8或公式9带入归一化幅值随日历天的分布图里，通过调整日期使其左右移动和幅值上下移动，确定匹配度最高的曲线；
当d为正数时表示x左移d天，d为负数时表示x右移d天，d为整数；B为正数时幅值向上移动，B为负数时幅值向下移动。x的取值范围为Amp2进行次声幅值校正的时间区间，如Amp2进行次声幅值校正的时间区间为2月至11月，也即50<x<330。
S10、对于某一个具体事件，将其所发生的日历天代入公式10或公式8或公式9中，即可获得当日次声信号的校正系数amp2，经校正后的次声信号幅值为：
amp_new＝amp_adjust-Amp2 (11)
图5为Caliente台站校正前后幅值比较,函数右移jdate20天，校正因子-0.4；表1为幅值校正前后偏离情况比较，经幅值校正后幅值偏差均值和方差显著减小。
S11、借鉴当量计算公式
log(Amp)＝-1.2*log(D)+0.5*log(w)+3.6159 (12)
确定经信号幅值季节性偏差校正后的平流层顶次声信号幅值-当量-传输距离关系式：
log(Amp)＝-1.2*log(D)+0.5*log(w)+3.6159+Amp2 (13)
其中，Amp为次声信号幅值，单位帕(Pa)；Amp2为次声信号幅值校正系数，随季节性变化；w为爆炸当量，单位千吨(kT)；D为信号传输距离，单位千米(km)。
根据上述关系式可以根据次声信号计算爆炸事件的当量；
图6为校正前的次声信号幅值与传输距离变化关系，图7为校正后次声信号幅值与传输距离关系，比较两图可以看出经季节性偏差校正后的次声信号幅值在幅值-当量-传输距离公式13附近具有更好的集中效果。
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；次声数据是指次声传感器记录的数据；所述大气层或地表爆炸事件是指被多个次声台站同时记录的、源项位于大气层或地表的爆炸；信号幅值是指次声信号的半峰峰幅值；理论幅值是指在给定爆炸当量和监测距离的条件下，次声台站理论上应测量到的信号幅值；当量是指爆炸时产生的能量相对于TNT炸药的对应值；所述当量估算是指根据次声信号的特征参数，估算出事件的爆炸当量水平；所述方位角是指次声台站至事件连线与正北方向的夹角。
所述次声信号幅值偏差是指次声台站实测次声信号的幅值与次声台站理论应测幅值之间的差异；
所述幅值季节性偏差是指相同能量水平次声事件由于发生的季节性差异所体现出的幅值偏差；
所述归一化幅值是指对次声信号幅值进行当量归一化处理后所得到的信号幅值；
所述季节性偏差校正是指根据时间发生的季节或时段对信号幅值偏差进行校正；
所述通用校正函数是指适用于某一类台站幅值偏差校正的函数。
实施实例：
1955年3月29日12:55在内华达核试验场进行了一次当量为14.2KT的空爆试验，高度152m。表2为该次试验的相关参数，包括从相关资料获取的台站信息、台站与事件发生点的位置关系、次声台站监测的信号幅值，以及利用所述方法中公式8-10计算的信号幅值季节性校正参数，利用幅值-当量-传输距离关系公式12计算的未经校正的当量值，利用公式13计算的季节性校正后的当量估算值。利用8个次声台站分别进行当量计算，未经幅值校正的情况下，估算的当量均值为94.49KT，方差为184.4，最大当量值与最小当量值相差1308倍；采用季节性校正函数校正后，估算的当量均值为12.81KT，方差为17.0，最大当量值与最小当量值相差27.8倍。从表2的比较中可以看出，采用季节性校正后幅值计算的事件当量与实际爆炸当量更为接近，具有更好的多台估算一致性。
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 (7)

1.一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，其特殊之处在于：其包括以下步骤：
S1、对目标地区历史爆炸事件进行收集，得到各次声台站记录的次声信号；
S2、将收集的次声信号按照台站进行分类，记录事件发生日期、台站名称、台站至事件的距离、台站至事件的方位角、爆炸事件的当量、监测的次声信号幅值；
S3、对次声信号幅值进行当量归一化处理，并取对数，得到归一化幅值amp_adjust：
S4、将事件发生日期转换为日历天Jdate，即全年第x天；以日历天为横坐标，归一化幅值amp_adjust为纵坐标，对所指定台站记录的所有次声信号进行分析；
S5、根据归一化幅值-日历天图示所展示的各台站信号幅值变化趋势，将次声台站分为先上升后降低型和先降低后上升型；
S6、按照S5得到的两种类型的台站的地理分布划定分割线，将两种类型的台站分割开来，对分割线两侧台站分别进行幅值校正；对需要幅值校正的台站，将归一化幅值分别进行二阶、三阶、四阶拟合，确定最能反映幅值变化规律的多阶拟合函数；
S7、对于同一类型的台站，将S6得到的某一台站多阶拟合函数在其它台站进行适用性进行分析，确认最能反映幅值变化规律的拟合函数阶数；
S8、将S7确定的某一台站的拟合函数在同一类台站进行适用性分析，最终确定适合全部或大部分台站使用的拟合函数，从而获得普遍适用的通用校正函数；
S9、对于某一个具体事件，将其所发生的日历天代入S8的通用校正函数中，即可获得当日次声信号的校正系数Amp2，得到经校正后的次声信号幅值amp_new为：
amp_new＝amp_adjust-Amp2
S10、根据当量计算公式确定经信号幅值季节性偏差校正后的平流层顶次声信号幅值-当量-传输距离关系。
2.根据权利要求1所述的一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，其特殊之处在于：
Figure FDA0002366155170000021
amp为次声信号幅值，w为爆炸事件的当量。
3.根据权利要求1所述的一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，其特殊之处在于：根据台站的实际情况对S8获得的通用校正函数进行微调，包括将日期x左右移动和幅值上下移动，得到微调之后的校正函数；
Amp2＝a1*(x+d)2+a2*(x+d)+a3+B
当d为正数时表示x左移d天，d为负数时表示x右移d天，d为整数；B为正数时幅值向上移动，B为负数时幅值向下移动。
4.根据权利要求3所述的一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，其特殊之处在于：x的取值范围为Amp2进行次声幅值校正的时间区间。
5.根据权利要求3所述的一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，其特殊之处在于：S10中，经信号幅值季节性偏差校正后的平流层顶次声信号幅值-当量-传输距离关系式为：
log(Amp)＝-1.2*log(D)+0.5*log(w)+3.6159+Amp2
其中，Amp为次声信号幅值，Amp2为次声信号幅值校正系数；D为信号传输距离。
6.根据权利要求1所述的一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，其特殊之处在于：S6中将归一化幅值分别进行二阶、三阶、四阶拟合，得到反映幅值变化规律的多阶拟合函数分别为：
Amp2＝a1*x2+a2*x+a3
Amp2＝a1*x3+a2*x2+a3*x+a4
Amp2＝a1*x4+a2*x3+a3*x2+a4*x+a5
a1、a2、a3、a4、a5分别为拟合系数。
7.根据权利要求1所述的一种次声信号幅值季节性偏差校正方法，其特殊之处在于：所述次声信号幅值季节性偏差是指相同能量水平次声事件由于发生的季节性差异所体现出的幅值偏差。
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