CN113031057B

CN113031057B - 基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法

Info

Publication number: CN113031057B
Application number: CN202110203734.XA
Authority: CN
Inventors: 徐恒垒; 王红春; 张阿瑶; 韩业丰
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2021-02-23
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2041-02-23
Also published as: CN113031057A

Abstract

本发明涉及一种地震波通讯方法，具体涉及一种基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，以解决现有地震波通讯对微弱震源的探测缺乏时效性，且难以实现可控连续性的操作来实现信息的编码的技术问题。首先利用时间上的增益，获得定向可控微弱震源在超密集台阵各子台上的模板信号，然后采用各子台上的模板信号对各自记录到的地震波通讯信号连续波进行相关检测，最后将相关检测波形进行叠加，利用空间上的增益将地震波通讯信号检测出来。本发明方法利用分布式光纤声波传感器来实现地震波信号的采集，采用震源阵列的地震波信号激发方式进行地震波通讯信号的编码，实现了地震波信号的远距离即时通讯。

Description

基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法

技术领域

本发明涉及地震波信号的探测方法，具体涉及一种基于定向可控微弱震源地震波信号的远距离即时通讯方法。

背景技术

由于地震波信号在地球内部传播，信道稳定，几乎不会受到外部人为的干扰，因而实现基于地震波信号的通讯具有潜在的应用价值。然而，除了地下爆炸，由于人工可控震源(如震源车、气枪源等)的强度不会很大，其激发的地震波信号在地球介质内部经过传播衰减，到达远距离台站时信号波形已淹没于地球本底噪声之中，难以用直接拾取的方式获取信号信息。如位于新疆呼图壁的气枪源，其单发实验强度约为ML1.0，在距震中80km的WMQ(乌鲁木齐)台没有形成可检测信号。虽然可以利用不同发实验之间信号的高度重复性通过时间上的多次叠加将气枪源的信号增益出来，但对于通讯来说，失去了时效性。对于地下爆炸震源，虽然可以通过增大当量来提高激发地震波信号的幅值，但难以实现可控连续性的操作来实现信息的编码。

发明内容

本发明的目的是解决现有地震波通讯对微弱震源的探测缺乏时效性，且难以实现可控连续性的操作来实现信息的编码的技术问题，提出一种基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法。本发明利用超密集台阵测量相关检测波形叠加的信号增益解决定向可控微弱震源地震波信号远距离即时通讯问题，利用定向可控微弱震源阵列的地震波信号激发方式提高信息编码效率。

本发明的技术思路是：对于定向可控微弱震源，震源信息已知，信道固定，不同次实验激发的地震波信号在固定台站上具有高度的重复性，可以通过多次实验信号时间序列的叠加来获取各子台的模板信号，利用模板信号做相关检测可以排除非相干信号的干扰，并进一步实现信号信噪比的增益，通过超密集台阵超大子台个数来实现信号信噪比高度增益，以解决定向可控微弱震源地震波信号远距离即时通讯问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、获得模板信号：

1.1)定向可控微弱震源多次激发地震波实验信号；

1.2)超密集台阵各子台采集并记录多次激发的地震波实验信号；

1.3)将各子台记录的多次激发的地震波实验信号均按发震时间对齐，各自进行叠加，并将各子台上的地震波实验信号增益到本底噪声水平以上，得到各子台的模板信号；

步骤2、进行地震波通讯：

2.1)对通讯信息进行信息编码，定向可控微弱震源按照信息编码激发地震波通讯信号；

2.2)超密集台阵各子台采集并记录地震波通讯信号的连续波；

2.3)利用超密集台阵各子台的模板信号对各自记录的连续波进行相关检测，得到各子台的相关波形；

2.4)将各子台的相关波形进行空间叠加，检测出地震波通讯信号；

2.5)对检测到的地震波通讯信号进行解码，得到通讯信息。

进一步地，步骤1.2)和步骤2.2)中，所述超密集台阵各子台采集地震波实验信号和地震波通讯信号，是利用分布式光纤声波传感器来实现的。

进一步地，步骤2.1)中，所述信息编码采用震源阵列激发地震波信号的方式实现；所述震源阵列包括位于同一区域的多个可控微弱震源。

进一步地，上述多个可控微弱震源之间的彼此间隔为3km以上。

进一步地，步骤1.1)中，所述定向可控微弱震源的激发次数为获取模板信号所需的激发次数Num，可通过以下计算得到：

A₀＝f(ML，d)

Num＝(SNR*A/A₀)²

其中：f的函数形式由里氏震级计算公式得到；ML为可控微弱震源单次激发的震源强度里氏震级；d为通讯距离；A₀为地震波实验信号在通讯距离d处计算得到的信号强度；A为测量得到通讯距离d处的本底噪声幅值；SNR为模板信号信噪比，取值范围3～10。

进一步地，步骤1.2)中，所述超密集台阵的子台数量N可通过以下计算得到：

N＝Num/10

其中：Num为获取定向可控微弱震源模板信号所需的激发次数。

进一步地，SNR＝3。

进一步地，所述定向可控微弱震源的单发实验强度为ML1.0±0.2。

进一步地，所述定向可控微弱震源为气枪源。

本发明的有益效果是：

1)本发明基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，首先利用时间上的增益，获得定向可控微弱震源在各子台上的模板信号，然后采用模板信号对各自记录到的连续波进行相关检测，最后将相关检测波形进行叠加，利用空间上的增益实现地震波通讯信号的检出。本发明最大程度的利用了信源已知、信道固定的信息，通过空间相干叠加实现信号信噪比最大可能的增益，实现了地震波信号的远距离即时通讯。

2)本发明基于可控微弱震源地震波信号实现信号通讯，并且采用分布式光纤声波传感器实现超密集台阵的布设，通过超密集台阵来实现地震波信号信噪比的高度增益。这种淹没在本底噪声中的信息传输具有天然自带的安全性，不容易被全球地震监测台网检测到信号关联成地震事件从而引起关注；此外，基于分布式光纤的超密集台阵具有成本低廉、布设简单、维护容易的优点。

3)本发明利用各子台模板信号对定向可控微弱震源地震波信号进行相关检测，使得可以检测到的地震波幅值减小到原来的1/10；利用模板信号进行相关检测还可以有效的排除地震等非相干信号的干扰，避免信号的误检测；而且，相关波形可以无须到时校正而直接进行叠加，避免了波形叠加时各个子台信号到时差精确校正的问题；此外，利用模板信号进行相关检测不用要求波形具有相似性，各子台可以分布在一个很大的地理范围，以降低各子台之间的噪声相关性，提高信噪比增益效果。

4)本发明利用震源阵列的激发方式缩短震源激发的时间间隔，消除波列持续时间对相关检测的影响，实现信息的高速编码。

附图说明

图1为本发明基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法流程图；

图2为本发明方法中震源阵列激发方式示意图；

图3为本发明实施例中搜集到数据的云南宾川气枪源与分布式光纤声波传感器位置示意图；

图4为本发明实施例中在分布式光纤上一个子台上20次的单次实验波形、20次实验叠加波形、模板信号波形、待检测波形及模板信号对待检测连续波的相关检测波形；

图5为本发明实施例中分布式光纤上各个子台的以气枪源信号波形作为模板信号的相关检测波形及相关检测波形叠加结果；

图6为本发明实施例中分布式光纤上各个子台的以非气枪源信号波形作为模板信号的相关检测波形及相关检测波形叠加结果。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本底噪声虽然给信号探测带来了技术挑战，但另外一方面，淹没在本底噪声中的信息传输具有天然自带的安全性，不容易被全球地震监测台网检测到信号关联成地震事件从而引起关注。从远距离台站本底噪声中快速提取出定向可控微弱震源激发的地震波信号，建立接收与激发之间的因果关系，是实现地震波信号通讯应用的首要步骤。为此，本发明首先提出一种超密集台阵测量加相关检测波形叠加的技术方案，通过信号的空间相干增益以期解决定向可控微弱震源地震波信号远距离即时探测问题。

利用台阵的方法提高地震信号的信噪比在地震监测中是一种常用的技术手段。其核心为台站记录到的地震波形可以表示为：

w(t)＝s(t)+n(t)

其中，s(t)为信号，n(t)为噪声。

台阵子台之间信号相似，噪声不相似，因而将各子台记录到的地震信号经过到时校正后进行叠加，可以起到放大信号、压制噪声的作用。在理想情况下信噪比可以增益倍，N为子台个数。因此，理论上可以通过增加子台个数来提高信号的信噪比。基于传统的地震台站布设设备，台阵子台个数一般为几个到几十个。通过利用分布式光纤声波传感器(DAS)光纤内部散射体产生的散射信号精密测量两个散射体间距的改变来反映地运动的测量方式，在工程上很容易实现在几公里范围内解调成几千到上万个子台的地运动信号，使得人们可以对地震波的时空传播过程实现高分辨率的观测，深刻的影响了地震学的发展方向。基于分布式光纤传感器发展的现状，通过超密集台阵来实现信号信噪比高度增益的设想具备工程实践的可行性。需要指出，传统的台阵信噪比增益是建立在信号已经检测出来的基础上，通过调整各子台的到时差实现最大增益来获取地震波的传播方向和速度信息，而超密集台阵信噪比增益针对的是各子台均没有检测到信号、通过波形的叠加实现信号检测的问题，因而到时差校正的精确性将直接会影响到波形的叠加效果。

对于定向可控微弱震源，信源已知，信道固定，因而不同次实验激发的地震波信号在固定台站上具有高度的重复性。对于点到点定向传播的重复性地震波信号，非常适合用相关检测原理去检测信号。因此，首先通过多次实验信号的叠加来获取各子台的实验信号，然后利用各子台的实验信号作为模板信号进行相关检测，以提高信号的检测效果。相关检测的原理可以理解成将和模板信号一致的信号在波列上进行压缩增益，而对不一致的信号则进行压缩抑制，因而模板信号越长，检测效果越好。研究表明，相比于传统的短时窗比长时窗(STA/LTA)信号检测算法，模板信号相关检测可以降低一个震级单位的检测阈值，即信号幅值减小到原来的1/10，依然可以用模板信号相关检测出来。利用模板信号相关检测的第二个优势在于，利用模板信号相关检测可以有效的排除地震等非相干信号的干扰，避免信号的误检测。利用模板信号相关检测的第三个优势在于，取各子台模板信号时如果取第一个时间点的绝对时刻一致，那么各子台的到时差信息将涵盖在模板信号中，如此相关波形可以无须到时校正而直接进行叠加，避免了波形叠加时各个子台信号到时差精确校正的问题。第四，基于模板信号相关检测的波形叠加增益信噪比不再像传统台阵波形叠加增益信噪比那样要求波形具有相似性，因而各子台可以分布在一个很大的地理范围，以降低各子台之间的噪声相关性，提高信噪比增益效果。

实现了定向可控微弱震源单发实验激发地震波信号的即时探测后，就可以对检测到的信号进行编码实现通讯。但是，对于定向可控微弱震源，如气枪源，两次激发需要一定的间隔时间，一是气枪充气需要时间，二是水体恢复原来的静止状态需要时间。另外，对于地震波信号，由于地球内部结构的复杂性，如分界面、介质异常体的存在，会使得地震波信号沿不同的路径达到台站，形成不同的震相，此外不同结构分界面处的P波、S波转换，都会使得远距离台站上记录到的实验信号为一个复杂的波列，有一定的持续时间。这就会使得如果两次实验激发时间小于波列的持续时间，那么前面实验的信号波列会对后面实验信号的检测形成干扰，特别是由于前后两次实验的信号具有重复性，波列交织对模板信号检测的干扰会更强烈。这两个因素都会影响到信息的编码速率。为此，提出震源阵列的地震波信号激发方式，震源阵列包括多个定向可控微弱震源，在空间上有一定的展布。震源阵列位于同一区域，单个震源之间彼此间隔3km以上，使得分布式光纤每个子台记录到的每个震源的信号不相似，以保证检测不会互相干扰。震源阵列个数的设置取决于信息发送量的需求。

采用震源阵列激发地震波信号，一是可以大大缩短两次实验激发的时间间隔，提高编码速率，二是不同震源在远距离台站上的模板信号是不相似的，避免波列持续时间对模板信号检测的干扰。

本发明基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法的技术方案如图1所示，可以分为两个阶段。

第一阶段为模板信号收集阶段：

1)定向可控微弱震源多次激发地震波信号；

2)远距离超密集台阵各子台采集并记录定向可控微弱震源多次激发的地震波实验信号；分布式光纤声波传感器理论上可以解调成任意个子台数，但受制于分布式光纤分布的空间尺度，即空间分布状况，包括光纤的布置长度、空间布置结构等，信噪比增益的最高程度存在一个最优子台数，即子台数的取值和光纤分布的空间尺度与满足通讯所需的信噪比增益倍数有关；

3)将远距离超密集台阵各子台记录到的多发实验信号均按发震时间对齐,各自进行叠加，将定向可控微弱震源的地震波信号增益到本底噪声水平以上，得到各个子台的模板信号。

不同时刻多次激发的实验信号的叠加体现为时间序列叠加，该阶段也可以称为时间增益阶段，为地震波通讯的准备阶段。

获取模板信号过程中波形的叠加次数，与通讯距离和光纤位置的本底噪声水平有关。可以用下面的方法来对所需的波形叠加次数进行计算：

设定向可控微弱震源单次激发的震源强度为里氏震级ML，可以利用当地的震级计算公式得到通讯距离d处(即分布式光纤位置)的信号强度A₀为

A₀＝f(ML，d)

设测量得到通讯距离d处本底噪声的幅值为A，那么就可以计算得到模板信号SNR所需的波形叠加次数Num＝(SNR*A/A₀)²，SNR取值为3～10；一般情况下，3倍信噪比模板信号即可满足需求。

第二阶段为定向可控微弱震源单次实验信号检测阶段：

1)定向可控微弱震源按照通讯信息编码激发地震波通讯信号；

2)远距离超密集台阵各子台采集并记录地震波通讯信号的连续波；

3)利用各子台的模板信号对各子台记录到的连续波形进行相关检测；

4)将相关波形进行叠加，检测出目标信号；

5)对检测到的信号进行解码得到通讯信息。

该阶段也可以称为空间增益阶段，为地震波通讯的实施阶段。

获取检测信号所需的超密集子台个数与分布式光纤声波传感器分布的空间尺度有关和满足通讯所需的信噪比增益倍数。可以利用下面的方法来对所需的超密集子台个数进行计算：

通常，相比于波形检测，相关检测可以降低一个震级的检测阈值，即幅值减小1/10，就可以实现同样的检测效果，据此可以推算，相关检测波形只需叠加Num/10，即可实现和波形叠加相同的检测效果。

子台个数的计算方法为：

理论上，台阵个数为N的情况下可实现的信号增益β为

其中，为测量得到各子台之间的信号相关系数平均值；/>为测量得到各子台之间的噪声相关系数平均值，与子台间距有关，对于各子台之间的相关检测结果，/>近似为1，通过尽可能增大超密集台阵的空间尺度，降低子台之间的噪声相关性，使得/>近似为0，如此便可获得和时间叠加相同的效果，即子台个数N＝Num/10，其中，Num为获取定向可控微弱震源模板信号所需的激发次数。

如图2所示，为了提高信息的编码速率，采用震源阵列的地震波信号激发方式，以减小震源激发的时间间隔，消除波列持续时间对相关检测的影响。

本发明基于定向可控微弱震源信号的高度重复性，联合使用模板信号检测与超密集台阵波形叠加排除非相干信号干扰，并同时进行信号增益，实现定向可控微弱震源地震波信号的远距离即时探测。利用震源阵列的激发方式实现信息的高速编码。

本发明实施例中，搜集了云南宾川气枪源在震中距9km处一段100m长分布式光纤上25次激发实验的数据。光纤被解调成2m一段，相当于一共50个子台。气枪源与分布式光纤声波传感器(DAS)的相对位置如图3所示。根据本发明的信号检测方案，利用其中20次激发实验的数据进行叠加，得到模板信号，然后利用模板信号对余下几次的实验数据进行相关检测，最后给出相关检测波形的叠加结果。

图4给出了一个子台的记录结果，各次实验信号均按发震时间对齐，20次单发实验波形很难辨认出气枪源实验信号，根据其波形叠加结果由信噪比及波形频率变化则可以判断出4-6s时间窗内为实验信号，采用理论到时及其它分析手段可以进一步确认该信号，因此取4-6s时间窗信号为模板信号。图4中由于叠加次数较少，模板信号的质量不高；利用该模板信号对待检测实验的信号进行相关检测，该子台在理论到时4s位置没有触发检测。如图5所示，将50个子台的相关检测结果进行叠加，单个子台的相关检测结果难以辨认出检测信号，而相关系数叠加结果在理论到时4s位置有一个明显的峰值，即检测到了波形中的气枪源信号。相关系数有较宽的旁瓣可能与模板信号质量不高有关系。为了进一步说明，取1-3s时间窗非实验信号为模板信号，相关检测叠加结果如图6所示，在理论到时4s位置相关系数没有出现峰值，即没有触发检测。结果进一步验证了该方法的准确性与可靠性，待检测波形中含有的气枪源信号只会由气枪源模板信号去触发，而不会由其它信号引起误触发。

该分析表明，利用本发明技术方案可以检测出单道波形中无法检出的信号，实现了信噪比的增益。如果增大光纤的分布尺度与子台的个数，降低子台之间噪声的相关性，进而实现更大倍数的信噪比增益，采用本发明技术方案，理论上可以实现几百到上千公里距离上的定向可控微弱震源激发信号的检出。获取模板信号过程中地震波实验信号波形的叠加次数以及超密集台阵的子台个数选择依赖于定向可控微弱震源地震波信号的通讯距离、分布式光纤声波传感器位置的本底噪声水平和分布式光纤分布的空间尺度。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims

1.一种基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获得模板信号：

1.1)定向可控微弱震源多次激发地震波实验信号；

1.3)将各子台记录的多次激发的地震波实验信号均按发震时间对齐，各子台记录的地震波实验信号自身进行叠加，并将各子台上的地震波实验信号增益到本底噪声水平以上，得到各子台的模板信号；

步骤2、进行地震波通讯：

2.2)超密集台阵各子台采集并记录地震波通讯信号的连续波；

2.5)对检测到的地震波通讯信号进行解码，得到通讯信息。

2.根据权利要求1所述的基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特征在于：步骤1.2)和步骤2.2)中，所述超密集台阵各子台采集地震波实验信号和地震波通讯信号，是利用分布式光纤声波传感器来实现的。

3.根据权利要求1或2所述的基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特征在于：步骤2.1)中，所述信息编码采用震源阵列激发地震波信号的方式实现；所述震源阵列包括位于同一区域的多个可控微弱震源。

4.根据权利要求3所述的基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特征在于：步骤2.1)中，所述多个可控微弱震源之间的彼此间隔为3km以上。

5.根据权利要求4所述的基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特征在于，步骤1.1)中，所述定向可控微弱震源的激发次数为获取模板信号所需的激发次数Num，可通过以下计算得到：

A₀＝f(ML，d)

Num＝(SNR*A/A₀)²

其中：f的函数形式由里氏震级计算公式得到；ML为定向可控微弱震源单次激发的震源强度里氏震级；d为通讯距离；A₀为地震波实验信号在通讯距离d处计算得到的信号强度；A为测量得到通讯距离d处的本底噪声幅值；SNR为信噪比，取值范围3～10。

6.根据权利要求5所述的基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特征在于，步骤1.2)中，所述超密集台阵的子台数量N可通过以下计算得到：

N＝Num/10

7.根据权利要求6所述的基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特征在于：SNR＝3。

8.根据权利要求7所述的基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特征在于：所述定向可控微弱震源的单次激发实验的震源强度为ML1.0±0.2。

9.根据权利要求8所述的基于定向可控微弱震源地震波信号的通讯方法，其特征在于：所述定向可控微弱震源为气枪源。