CN113359183B - 一种针对极地冰层的震源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对极地冰层的震源定位方法，本发明针对极地环境以及极地海冰中声传播特点提出一种冰层震源定位方法，以解决北极地区经济开发与军事对抗中潜在的目标定位需求。本发明结合极地冰层声传播特点，充分利用弹性波导带来的多波现象，从波场偏振特征、传播速度及幅值等方向开展多维度差异性分析，构建了具有高度适用性的冰层震源定位方法；从工程应用角度出发，本发明涉及方法无需传感器阵列，使用单台自容式三分量地震仪即可满足所需数据采集需求，所需设备高度精简，操作流程简便、快捷，具有极高的极地环境作业实用性。

Description

一种针对极地冰层的震源定位方法

技术领域

本发明涉及一种震源定位方法，尤其涉及一种基于单个三分量检波器的冰层震源定位方法，属于极地声学技术领域。

背景技术

震源定位是指利用传感器所记录弹性波信号，基于震源激励下产生的弹性波波场信息以确定激励源方位的技术。传统震源定位技术源自地震学研究，其主要应用场景为天然地震监测，以此为基础的衍生应用也多围绕对地层内部人工或天然震源的定位问题。传统震源定位技术有绝对定位、相对定位以及非线性定位等多种方法，但是由于其应用介质均为地层因此存在一定的共性：1)主要利用震源激发所产生的体波(P波)信号；2)利用空间位置不同的多个检波器组成阵列以实现差分定位等分析。例如，在2020年所公布的最新同类技术发明专利中，《一种单井观测系统下的震源定位方法及相关装置和设备》是基于对P波波场的使用，而《一种基于深度学习的地下浅层震源定位方法》则是基于对传感器阵列的使用。

在面对极地冰层震源定位问题时，随着声传播介质特征的改变以及冰层波导的影响，传统震源定位方法的应用受到了局限。不同于地层的成层半空间结构，极地冰层呈宏观板状构型，因而受到弹性波导影响严重：冰层震源激励产生的体波在冰层上下表面多次反射、叠加后形成不同类型导波。由于弹性波能量从P波、SV波向导波的快速转化，极地冰层中的P波到达在远场信号中难以检测；而近场信号中的P波到达则由于波场混叠而被各类导波信号所掩盖而难以提取。与此同时，北极地区的特殊性也给传统震源定位技术中对检波器阵列的使用带来了极大挑战。北极海冰的状态高度不稳定且缺乏持续能源供给，无法构建基于固定台站的长期检波器阵列；短期传感器阵列的安置与回收均需要大量人力，而极地严酷的自然环境在提高其成本与风险的同时限制了其应用可行性。

综上所述，现有的震源定位方法不论是从实用性还是适用性均难以满足极地环境下对冰层震源定位的需求。因此，本发明针对极地环境以及极地海冰中声传播特点提出一种冰层震源定位方法，以解决北极地区经济开发与军事对抗中潜在的目标定位需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有震源定位方法在面对极地海冰时适用性受限、实用性不足而提出的一种极地冰层震源定位方法。基于对海冰中震源激励作用下所产生的多种弹性导波充分利用，使用单个三分量检波器即可快速、灵活地实现对冰中震源位置(方向、距离)的评估。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤1：检波器布放采集。将单个三分量检波器紧密耦合于冰层上表面，确保并记录其体姿与位置，而后开启连续数据采集得到三个检波器分量信号S_x，S_y，S_z；

步骤2：震源信号检测。由于A0模态导波主偏振方向垂直于冰面，因此对S_z信号应用能量检测法对信号进行峰值搜索以确定震源激励下弹性波能量的到达，对应到达时间记为t_A0；

步骤3：S0模态导波及SH波波达时间估计。对X、Y分量的信号S_x，S_y，以t_A0为终点截取时长为Δt的前序信号，确定S0模态导波和SH波在信号上的位置，获取S0模态导波和SH波的到达时间t_S0、t_SH；

步骤4：震源方位估计。基于SH波为一维线性偏振，受冰厚及冰层起伏影响相对较小，选取SH波进行震源方位估计，A0、S0模态导波进行辅助验证。截取S_x，S_y两分量信号上的SH波信号段数据开展偏振分析以获得其偏振主轴方向，据此完成对震源所在方向评估并获得方向角θ。本技术方案中的数据处理选择采用基于协方差矩阵法的偏振分析算法，可选择使用其他可应用于弹性波的偏振分析算法加以替换。

步骤5：震源距离估计。基于海冰声参数计算得到低频段S0模态导波波速c_S0，结合SH波波速c_SH与波场时差Δt＝t_SH-t_S0，可计算并完成对震源距离d的估计。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤2中的震源信号检测包括：

2.1：阈值的确定：根据弹性波理论，A0模态导波能量最大且主要集中在Z分量上；为了减少随机起伏干扰，且SH波或S0模态导波不被背景噪声所覆盖，以噪声平均幅值的4到7倍作为检测阈值，记为Am；

2.2：峰值搜索：以Z分量信号S_z为参考，以阈值Am进行峰值搜索；考虑到A0模态导波的频散效应，波形持续时间较长，在峰值搜索时需注意排除对局部峰值的重复检索以获得其A0模态导波的能量包络峰值点的到达时间，记为t_A0。

2.步骤3中的S0模态导波及SH波波达时间估计包括：

3.1：幅度调制：以测量的A0模态导波到达时间t_A0为终点，截取X、Y分量信号S_x，S_y的前序信号；在上述信号中，S0模态导波和SH波到达带来的幅值变动在两个分量信号中具有高度的相关性，将两段前序信号相乘做幅度调制以实现对有效信号幅值的放大，幅度调制所得记为S′；

3.2：提取波达时间：对幅值调制后的信号S′，参照其噪声水平确定阈值并进行峰值搜索，提取最大两个峰值对应的时间点，确定S0模态导波和SH波的到达时间，分别记为t_S0、t_s。

3.步骤4震源方位估计包括：

4.1：构造协方差矩阵：根据SH波的到达时间t_s，截取S_x，S_y两分量信号上的SH波信号段数据x_j，y_j，并以此数据构造三阶协方差矩阵R：

矩阵中各项为对应分量记录的协方差：

式中对应分量均值表示为

4.2：提取偏振方向：求解特征多项式|λI-R|＝0获得协方差矩阵R的两个特征值λ以及与其对应的特征向量v，将特征值λ按从大到小排序为λ₁，λ₂，对应特征向量为v₁，v₂；则最大特征值λ₁对应的特征向量v₁即为SH波的偏振方向

4.3：方位向量估计：根据弹性波导理论，SH波偏振方向v_s与传播方向v垂直，即v_s·v＝0；又SH波的偏振方向为通过v_s·v＝0可得到波达方向的估计值v＝[v_x,v_y]^T。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：从理论基础角度出发，本发明结合极地冰层声传播特点，充分利用弹性波导带来的多波现象，从波场偏振特征、传播速度及幅值等方向开展多维度差异性分析，构建了具有高度适用性的冰层震源定位方法；从工程应用角度出发，本发明涉及方法无需传感器阵列，使用单台自容式三分量地震仪即可满足所需数据采集需求，所需设备高度精简，操作流程简便、快捷，具有极高的极地环境作业实用性。

附图说明

图1是本发明弹性波传播理论示意图；

图2是本发明震源定位流程框图；

图3是本发明实例测试所使用数值模型示意图；

图4是本发明实例测试中数值模拟所得检波器接收信号时域波形图；

图5是本发明实例测试中数值模拟结果的A0模态导波前序信号时域波形图；

图6是基于图5所示X、Y分量信号进行幅度调制所得结果。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图6，本发明首先以弹性波导理论为基础，结合极地冰声传播特点构建定位方法理论框架。鉴于极地海冰垂向厚度与水平方向尺寸间的巨大差异，忽略震源垂向变化，冰层中声传播可简化为2维问题。图1为极地冰层内低频段弹性波传播示意图，震源激发的弹性波场在冰层内以全向方式传播，部分能量到达检波器所在位置后被其三个相互正交(X、Y分量与冰面平行且相互垂直、Z分量垂直冰面)的检波器分量所记录。根据板间波导理论可知：低频段传播速度最快的是S0模态导波，其偏振特点为扁平椭圆偏振，主方向与传播方向一致；速度次之的是水平偏振剪切波(SH波)，其偏振特点为面内线性偏振，主方向在XOY平面内与传播方向垂直；传播速度最慢的是A0模态导波，其偏振特点为近圆形平面偏振，主方向垂直于XOY平面。

利用三分量检波器对冰层弹性波场的多波多分量记录，通过对三个正交安置检波器分量信号的联合处理获得信号极化信息，完成对弹性波场偏振特性的描述。进而参照前期理论基础，基于低频段冰层导波在传播速度以及偏振状态的差异实现对A0、S0模态导波波场、以及SH波波场的分离。基于SH波与S0模态导波的偏振主轴方向与传播速度不同所导致的波场到时差异，完成对波达方向角度(θ)以及传播距离(d)的评估从而完整获得震源方位。A0模态导波在低频段内频散特征显著且波速受冰厚影响严重难以被用于距离判断，但是可以利用其高能量幅值实现基于能量检测的震源信号探测。

参阅图2为本发明提供的一种冰层冲击声源定位方法的流程示意图。其具体技术方案实施步骤如下：

步骤1检波器布放采集详细描述为：本技术方案所涉及震源信号采集需要一个三分量检波器。平整冰面后，采用清水冻结或其他方式将检波器紧密耦合于冰层上表面，过程中需调整检波器体姿以保证其Z分量垂直于冰层表面。检波器固定完毕后，记录其X、Y分量的对应方向并开始连续采集，获得三分量的接收信号S_x，S_y，S_z；

步骤2震源信号检测包括：

2.1：阈值的确定。根据弹性波理论，A0模态导波能量最大且主要集中在Z分量上。为了减少随机起伏干扰，且SH波或S0模态导波不被背景噪声所覆盖，以噪声平均幅值的4到7倍作为检测阈值，记为Am。

2.2：峰值搜索。以Z分量信号S_z为参考，以阈值Am进行峰值搜索。考虑到A0模态导波的频散效应，波形持续时间较长，在峰值搜索时需注意排除对局部峰值的重复检索以获得其A0模态导波的能量包络峰值点的到达时间，记为t_A0。

步骤3S0模态导波及SH波波达时间估计包括：

3.1：幅度调制。以上述测量的的A0模态导波到达时间t_A0为终点，截取X、Y分量信号S_x，S_y的前序信号。在上述信号中，由于S0模态导波和SH波到达带来的幅值变动在两个分量信号中具有高度的相关性，故将两段前序信号相乘做幅度调制以实现对有效信号幅值的放大，幅度调制所得记为S′；

3.2：提取波达时间。对幅值调制后的信号S′，参照其噪声水平确定阈值并进行峰值搜索，提取最大两个峰值对应的时间点，确定S0模态导波和SH波的到达时间，分别记为t_S0、t_s；

步骤4震源方位估计包括：

4.1：构造协方差矩阵。根据SH波的到达时间t_s，截取S_x，S_y两分量信号上的SH波信号段数据x_j，y_j，并以此数据构造三阶协方差矩阵R：

矩阵中各项为对应分量记录的协方差：

式中对应分量均值表示为

4.2：提取偏振方向。通过求解特征多项式|λI-R|＝0可获得协方差矩阵R的两个特征值λ以及与其对应的特征向量v，将特征值λ按从大到小排序为λ₁，λ₂，对应特征向量为v₁，v₂。则最大特征值λ₁对应的特征向量v₁即为SH波的偏振方向

4.3：方位向量估计。根据弹性波导理论，SH波偏振方向v_s与传播方向v垂直，即v_s·v＝0。又SH波的偏振方向为通过v_s·v＝0可得到波达方向的估计值v＝[v_x,v_y]^T。

步骤5震源距离估计详细描述为：根据先验知识获得的S0模态导波和SH波波速c_S0，c_s，以及S0模态导波和SH波的波达时间差t＝t_s-t_S0。假设震源距检波器距离为d，则t＝d/c_s-d/c_S0，即d＝t·c_S0·c_s/(c_S0-c_s)，则可获得震源距离估计值。

下面基于波动数值仿真开展模拟实例测试，并进行进一步说明：

波动数值仿真的模型如图3所示，检波器按照要求安置于厚度为0.4米的海冰上层，海冰下方为水层半无限空间。在距离检波器1800米处使用Ricker子波进行垂向激励以模拟脉冲震源，激励位置检波器X，Y坐标正方向夹角分别为30°、120°，即v′_x＝0.8660、v′_y＝-0.5000。以谱元波动数值模拟方法为基础，添加高斯白噪声作为背景噪声，所得三分量检波器模拟接收信号如图4所示。参照典型海冰弹模量设置模拟参数，实验激发得到的S0模态导波、横波波速分别为c_S0＝3400m/s、c_s＝1700m/s，而A0模态导波波速约为1100m/s。

采用步骤2中所描述峰值搜索法进行信号检测，得到A0模态导波的包络峰值到达时间t_A0＝1.7465s。而后，截取X、Y分量数据中A0模态导波到达前序的信号(图4)，并对所示两段信号进行幅度调制的处理，得到S0模态导波和SH波幅值增强后的信号S′如图6所示。进而对图6中信号进行峰值搜索，获得S0模态导波到达时间t_S0＝535.5ms，SH波到达时间t_s＝1605ms，完成步骤3。

由距离与到达时间关系t_s-t_S0＝d/c_s-d/c_S0，计算得到震源距检波器距离为d＝1800.3m，与预设距离一致。以SH波到达时间t_s为中心，截取X、Y分量上的SH波信号构造协方差矩阵，计算得到该段信号的特征值和特征向量。提取最大特征值对应的特征向量，得到SH波的偏振方向为v_s＝[0.5206,0.8538]^T，根据弹性波导理论，SH波偏振方向v_s与传播方向v垂直，由v_s·v＝0可得传播方向为v＝[0.8538,0.5206]^T，即与检波器X、Y坐标轴夹角分别为31.37°、121.37°。同时，提取X、Y分量上的S0模态导波信号进行相同的分析处理，得到S0模态导波主偏振方向(传播方向)与X、Y坐标轴夹角分别为31.98°、121.98°。即S0模态导波与SH波估计方位结果一致，且与试验预设方位角相吻合。结合震源距离的良好估计，本发明方法能准确有效的定位冰面震源。

Claims (5)

1.一种针对极地冰层的震源定位方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：检波器布放采集；将单个三分量检波器紧密耦合于冰层上表面，开启连续数据采集得到三个检波器分量信号S_x，S_y，S_z；

步骤2：震源信号检测；由于A0模态导波主偏振方向垂直于冰面，因此对S_z信号应用能量检测法对信号进行峰值搜索以确定震源激励下弹性波能量的到达，对应到达时间记为t_A0；

步骤3：S0模态导波及SH波波达时间估计；对X、Y分量的信号S_x，S_y，以t_A0为终点截取时长为Δt的前序信号，确定S0模态导波和SH波在信号上的位置，获取S0模态导波和SH波的到达时间t_S0、t_SH；

步骤4：震源方位估计；基于SH波为一维线性偏振，受冰厚及冰层起伏影响相对较小，选取SH波进行震源方位估计，A0、S0模态导波进行辅助验证；截取S_x，S_y两分量信号上的SH波信号段数据开展偏振分析以获得其偏振主轴方向，据此完成对震源所在方向评估并获得方向角θ；

步骤5：震源距离估计；基于海冰声参数计算得到低频段S0模态导波波速c_S0，结合SH波波速c_SH与波场时差Δt＝t_SH-t_S0，计算并完成对震源距离d的估计。

2.根据权利要求1所述的一种针对极地冰层的震源定位方法，其特征在于：步骤2中的震源信号检测包括：

2.1：阈值的确定：根据弹性波理论，A0模态导波能量最大且主要集中在Z分量上；为了减少随机起伏干扰，且SH波或S0模态导波不被背景噪声所覆盖，以噪声平均幅值的4到7倍作为检测阈值，记为Am；

2.2：峰值搜索：以Z分量信号S_z为参考，以阈值Am进行峰值搜索；考虑到A0模态导波的频散效应，波形持续时间较长，在峰值搜索时需注意排除对局部峰值的重复检索以获得其A0模态导波的能量包络峰值点的到达时间，记为t_A0。

3.根据权利要求1或2所述的一种针对极地冰层的震源定位方法，其特征在于：步骤3中的S0模态导波及SH波波达时间估计包括：

3.1：幅度调制：以测量的A0模态导波到达时间t_A0为终点，截取X、Y分量信号S_x，S_y的前序信号；在上述信号中，S0模态导波和SH波到达带来的幅值变动在两个分量信号中具有高度的相关性，将两段前序信号相乘做幅度调制以实现对有效信号幅值的放大，幅度调制所得记为S′；

3.2：提取波达时间：对幅值调制后的信号S′，参照其噪声水平确定阈值并进行峰值搜索，提取最大两个峰值对应的时间点，确定S0模态导波和SH波的到达时间，分别记为t_S0、t_s。

4.根据权利要求1或2所述的一种针对极地冰层的震源定位方法，其特征在于：步骤4震源方位估计包括：

4.1：构造协方差矩阵：根据SH波的到达时间t_s，截取S_x，S_y两分量信号上的SH波信号段数据x_j，y_j，并以此数据构造三阶协方差矩阵R：

矩阵中各项为对应分量记录的协方差：

式中对应分量均值表示为

4.2：提取偏振方向：求解特征多项式|λI-R|＝0获得协方差矩阵R的两个特征值λ以及与其对应的特征向量v，将特征值λ按从大到小排序为λ₁，λ₂，对应特征向量为v₁，v₂；则最大特征值λ₁对应的特征向量v₁即为SH波的偏振方向

4.3：方位向量估计：根据弹性波导理论，SH波偏振方向v_s与传播方向v垂直，即v_s·v＝0；又SH波的偏振方向为通过v_s·v＝0可得到波达方向的估计值v＝[v_x,v_y]^T。

5.根据权利要求3所述的一种针对极地冰层的震源定位方法，其特征在于：步骤4震源方位估计包括：

4.1：构造协方差矩阵：根据SH波的到达时间t_s，截取S_x，S_y两分量信号上的SH波信号段数据x_j，y_j，并以此数据构造三阶协方差矩阵R：

矩阵中各项为对应分量记录的协方差：

式中对应分量均值表示为

4.2：提取偏振方向：求解特征多项式|λI-R|＝0获得协方差矩阵R的两个特征值λ以及与其对应的特征向量v，将特征值λ按从大到小排序为λ₁，λ₂，对应特征向量为v₁，v₂；则最大特征值λ₁对应的特征向量v₁即为SH波的偏振方向

4.3：方位向量估计：根据弹性波导理论，SH波偏振方向v_s与传播方向v垂直，即v_s·v＝0；又SH波的偏振方向为通过v_s·v＝0可得到波达方向的估计值v＝[v_x,v_y]^T。