CN115184992B - 基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法 - Google Patents

基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法，包括：获取远震数据，根据远震数据的直达波确定远震起震时刻和水平位置，完成对震源的初步定位。为提高初步定位的震源深度的准确度，本申请中还对直达波进行相位变换得到深度震相模板，扫描直达波后续波形中与深度震相模板匹配的波形作为备选深度震相；根据备选深度震相、远震起震时刻和水平位置，最终确定震源深度。本申请在只有远台站数据可用的情况下，在初步定位的基础上通过深度震相对震源深度精定位，提高了震源位置定位的准确性。

Description

基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法
技术领域
本申请涉及震源定位技术领域，尤其涉及一种基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法。
背景技术
目前的地震研究权威机构通常基于点源假设进行求解地震位置，然而不同机构采取的定位方法体现了不同的地震特征，例如国际地震中心通过短周期的地震波走时信息定位得到地震的震源位置，直接反映了地震的破裂起始点；哈佛大学地震组则通过拟合观测的波形和合成的波形求解得到地震矩心位置，其反映的是地震最终滑移分布的中心点。如果将这两个不同的定位方法联合，则可以解释地震破裂的方向和长度。
但是，在只有远台站数据可用的情况下，由于震中距远大于地震埋深，造成基于地震波初至走时定位的震源深度往往存在很大的不确定性，从而导致震源位置定位存在较大的误差。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中在只有远台站数据可用的情况下，震源位置定位存在较大误差的问题，本申请提供一种基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法。
本申请的方案如下：
一种基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法，包括：
获取远震数据；
根据所述远震数据的直达波确定远震起震时刻和水平位置；
对直达波进行相位变换得到深度震相模板，扫描直达波后续波形中与所述深度震相模板匹配的波形作为备选深度震相；
根据所述备选深度震相、所述远震起震时刻和所述水平位置，确定震源深度。
优选地，所述获取远震数据，包括：
获取全球矩心矩张量项目(Global Centroid-Moment-Tensor,GCMT)速报的远震起震时刻和矩心位置；
根据所述远震起震时刻和矩心位置，获取多个台站波形数据；
将处理后的台站波形数据的方向旋转至纵向、径向和切向；
在方向旋转后的台站波形数据中筛选信噪比大于预设信噪比阈值的台站波形数据。
优选地，所述获取远震数据，还包括：
确定筛选后的台站波形数据所属台站的方位角，选取每个预设方位角范围中具有最高信噪比的台站波形数据作为所述远震数据。
优选地，所述获取多个台站波形数据后，所述方法还包括：对所述台站波形数据进行去干扰处理。
优选地，所述方法还包括：根据所述矩心位置和每个预设方位角范围中具有最高信噪比的台站波形数据，通过峰态函数扫描得到所述直达波。
优选地，所述根据所述远震数据的直达波确定远震起震时刻和水平位置，包括：
根据所述矩心位置确定水平位置搜索范围和深度搜索范围，根据预设的经纬度搜索间隔和深度间隔，确定待扫描空间网格点；
对于每个待扫描空间网格点在不同时刻的叠加能量，基于预设滑动步长通过滑动时窗截取所述远震数据中每个台站波形数据进行叠加能量计算，得到多个叠加能量关于空间和时间变化的数据体，作为初选远震起震时刻和初选水平位置；
根据叠加能量最大值对应的时刻拾取每个台站波形数据的直达波初至时刻；
在各台站波形数据对应的直达波初至时刻中确定终选直达波初至时刻；
将所述终选直达波初至时刻对应的初选远震起震时刻和初选水平位置确定为终选远震起震时刻和终选水平位置。
优选地，所述根据所述备选深度震相、所述远震起震时刻和所述水平位置，确定震源深度，包括：
将所述备选深度震相出现的时刻作为观测到时；
在所述水平位置下，以预设深度间隔为基准，划分多个扫描深度；
根据所述地震事件的远震起震时刻计算每个扫描深度的深度震相理论到时；
将各扫描深度的深度震相理论到时与所述观测到时进行对比，将匹配度超过预设匹配度阈值的扫描深度确定为备选震源深度。
优选地，所述根据所述备选深度震相、所述地震事件的远震起震时刻和水平位置，确定震源深度，还包括：
计算各备选震源深度对应的备选深度震相的走时残差和；
将走时残差和最小的备选深度震相确定为终选深度震相，将所述终选深度震相对应的备选震源深度确定为终选震源深度。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：本申请中的基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法，包括：获取远震数据，根据远震数据的直达波确定远震起震时刻和水平位置，完成对震源的初步定位。为提高初步定位的震源深度的准确度，本申请中还对直达波进行相位变换得到深度震相模板，扫描直达波后续波形中与深度震相模板匹配的波形作为备选深度震相；根据备选深度震相、远震起震时刻和水平位置，最终确定震源深度。本申请在只有远台站数据可用的情况下，在初步定位的基础上通过深度震相对震源深度精定位，提高了震源位置定位的准确性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一个实施例提供的一种基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法的流程示意图；
图2是本申请一个实施例提供的一种基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法的另一流程示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1是本申请一个实施例提供的一种基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法的流程示意图，参照图1，一种基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法，包括：
S11：获取远震数据；
S12：根据远震数据的直达波确定远震起震时刻和水平位置；
S13：对直达波进行相位变换得到深度震相模板，扫描直达波后续波形中与深度震相模板匹配的波形作为备选深度震相；
S14：根据备选深度震相、远震起震时刻和水平位置，确定震源深度。
需要说明的是，本实施例中的技术方案应用于地震震源定位中，具体应用在只有远台站数据可用时，对远震震源进行定位的情况。
需要说明的是，获取远震数据，参照图2，包括：
S111：获取GCMT速报的远震起震时刻和矩心位置；
S112：根据远震起震时刻和矩心位置，获取多个台站波形数据；
S113：对台站波形数据进行去干扰处理；
S114：将处理后的台站波形数据的方向旋转至纵向、径向和切向；
S115：在方向旋转后的台站波形数据中筛选信噪比大于预设信噪比阈值的台站波形数据；
S116：确定筛选后的台站波形数据所属台站的方位角，选取每个预设方位角范围中具有最高信噪比的台站波形数据作为远震数据。
需要说明的是，在发生地震时，首先获取GCMT速报的远震起震时刻和矩心位置，并从全球公开的地震数据机构里自动搜索和下载地震台站记录的波形数据和地震仪器响应文件。进而对台站波形数据进行去干扰处理，消除噪声、仪器响应和线性趋势对波形的影响。优选地，本实施例中获取起震时刻前后30分钟和震中距范围30-90°的所有可用台站波形数据。
由于台站波形数据的初始方向为一个垂直方向，两个水平方向，这三个方向的数据被称为三分量数据，本实施例中将三分量数据旋转至纵向、径向和切向，以更好的刻画地震波的传播规律。优选地，本实施例中保留0.15-2.0Hz频率范围内的波场信息。
信噪比是指传播的信号的功率与传播信号的过程中参入的噪声的功率之比，也就是说,信噪比越大，抑制噪声的能力越强，所以本实施例在方向旋转后的台站波形数据中筛选信噪比大于预设信噪比阈值的台站波形数据。
最后，为避免某个方位具有多个台站导致其在定位过程中起主导作用，本实施例中从每个方位角区域范围内只选取一个最高信噪比台站波形数据用于接下来的震源定位过程。
需要说明的是，方法还包括：根据矩心位置和每个预设方位角范围中具有最高信噪比的台站波形数据，通过峰态函数扫描得到直达波。
本实施例中，在高信噪比的台站波形上通过峰态函数自动扫描出直达波，峰态函数为现有技术中的常规技术手段，此处不做赘述。
需要说明的是，根据远震数据确定远震起震时刻和水平位置，包括：
根据矩心位置确定水平位置搜索范围和深度搜索范围，根据预设的经纬度搜索间隔和深度间隔，确定待扫描空间网格点；
对于每个待扫描空间网格点在不同时刻的叠加能量，基于预设滑动步长通过滑动时窗截取远震数据中每个台站波形数据进行叠加能量计算，得到多个叠加能量关于空间和时间变化的数据体，作为初选远震起震时刻和初选水平位置；
根据叠加能量最大值对应的时刻拾取每个台站波形数据的直达波初至时刻；
在各台站波形数据对应的直达波初至时刻中确定终选直达波初至时刻；
将终选直达波初至时刻对应的初选远震起震时刻和初选水平位置确定为终选远震起震时刻和终选水平位置。
举例说明：起震时刻22:39:29，震级Mw 6.3，震源空间位置22.36°W，68.69°N，矩心深度118.7km。以矩心位置为参考，水平位置搜索范围确定为22.36±0.5°W和68.69±0.5°N，经度和纬度搜索间隔均为0.1°；深度扫描范围确定为矩心深度118.7±50km，深度间隔为1km，共需要扫描10*10*100＝10000个空间网格点。对于每个网格点在不同时刻的叠加能量，用50s的滑动时窗截取每个台站的波形数据段进行叠加能量计算，滑动步长为1s，得到了叠加能量关于空间和时间变化的数据体，作为初选远震起震时刻和初选水平位置。
可以理解的是，本实施例中可以基于上述的震源扫描算法来得到多个初选远震起震时刻和初选水平位置，在具体实施时也可以通过其他算法来得到初选远震起震时刻和初选水平位置，本实施例中只是提供一种确定初选远震起震时刻和初选水平位置的可行手段。
可以理解的是，本实施例中可以基于最大交点数法剔除准确度相对较低的直达波初至时刻，仅剩余当前准确度符合预期的直达波初至时刻作为终选直达波初至时刻。
需要说明的是，本实施例中对直达波进行傅里叶正反相位变换，直达波经过傅里叶正反相位变换后可得到与深度震相波形相似的深度震相模板，进而可以根据深度震相匹配模板去匹配位于直达波后面的实际深度震相作为备选深度震相。
进一步的，根据备选深度震相、远震起震时刻和水平位置，确定震源深度，包括：
将备选深度震相出现的时刻作为观测到时；
在水平位置下，以预设深度间隔为基准，划分多个扫描深度；
根据地震事件的远震起震时刻计算每个扫描深度的深度震相理论到时；
将各扫描深度的深度震相理论到时与观测到时进行对比，将匹配度超过预设匹配度阈值的扫描深度确定为备选震源深度。
需要说明的是，本实施例中在确定震源深度时，首先将备选深度震相出现的时刻作为观测到时。然后在水平位置下，以预设深度间隔(如1km)为基准，划分一系列扫描深度。然后根据地震事件的远震起震时刻进行初至正演计算每个扫描深度的深度震相理论到时。将这些理论到时与观测到时进行对比，在所有扫描深度中，选择匹配成功总数即匹配度超过预设匹配度阈值的扫描深度作为备选震源深度。
进一步的，计算各备选震源深度对应的备选深度震相的走时残差和；将走时残差和最小的备选深度震相确定为终选深度震相，将终选深度震相对应的备选震源深度确定为终选震源深度。
可以理解的是，本实施例的技术方案，获取远震数据，根据远震数据的直达波确定远震起震时刻和水平位置，完成对震源的初步定位。为提高初步定位的震源深度的准确度，本申请中还对直达波进行相位变换得到深度震相模板，扫描直达波后续波形中与深度震相模板匹配的波形作为备选深度震相；根据备选深度震相、远震起震时刻和水平位置，最终确定震源深度。本申请在只有远台站数据可用的情况下，在初步定位的基础上通过深度震相对震源深度精定位，提高了震源位置定位的准确性。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于自动拾取震相的远震震源快速定位方法，其特征在于，包括：
获取远震数据；
根据所述远震数据的直达波确定远震起震时刻和水平位置；
对直达波进行相位变换得到深度震相模板，扫描直达波后续波形中与所述深度震相模板匹配的波形作为备选深度震相；
根据所述备选深度震相、所述远震起震时刻和所述水平位置，确定震源深度；
所述获取远震数据，包括：
获取GCMT速报的远震起震时刻和矩心位置；
根据所述远震起震时刻和矩心位置，获取多个台站波形数据；
将处理后的台站波形数据的方向旋转至纵向、径向和切向；
在方向旋转后的台站波形数据中筛选信噪比大于预设信噪比阈值的台站波形数据；
所述根据所述远震数据的直达波确定远震起震时刻和水平位置，包括：
根据所述矩心位置确定水平位置搜索范围和深度搜索范围，根据预设的经纬度搜索间隔和深度间隔，确定待扫描空间网格点；
对于每个待扫描空间网格点在不同时刻的叠加能量，基于预设滑动步长通过滑动时窗截取所述远震数据中每个台站波形数据进行叠加能量计算，得到多个叠加能量关于空间和时间变化的数据体，作为初选远震起震时刻和初选水平位置；
根据叠加能量最大值对应的时刻拾取每个台站波形数据的直达波初至时刻；
在各台站波形数据对应的直达波初至时刻中确定终选直达波初至时刻；
将所述终选直达波初至时刻对应的初选远震起震时刻和初选水平位置确定为终选远震起震时刻和终选水平位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取远震数据，还包括：
确定筛选后的台站波形数据所属台站的方位角，选取每个预设方位角范围中具有最高信噪比的台站波形数据作为所述远震数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取多个台站波形数据后，所述方法还包括：对所述台站波形数据进行去干扰处理。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述矩心位置和每个预设方位角范围中具有最高信噪比的台站波形数据，通过峰态函数扫描得到所述直达波。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述备选深度震相、所述远震起震时刻和所述水平位置，确定震源深度，包括：
将所述备选深度震相出现的时刻作为观测到时；
在所述水平位置下，以预设深度间隔为基准，划分多个扫描深度；
根据地震事件的远震起震时刻计算每个扫描深度的深度震相理论到时；
将各扫描深度的深度震相理论到时与所述观测到时进行对比，将匹配度超过预设匹配度阈值的扫描深度确定为备选震源深度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述备选深度震相、所述地震事件的远震起震时刻和水平位置，确定震源深度，还包括：
计算各备选震源深度对应的备选深度震相的走时残差和；
将走时残差和最小的备选深度震相确定为终选深度震相，将所述终选深度震相对应的备选震源深度确定为终选震源深度。
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