人工地震信号检测中相位信息的利用

书书书第２９卷第３期２００９年６月大地测量与地球动力学ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＧＥＯＤＥＳＹＡＮＤＧＥＯＤＹＮＡＭＩＣＳＶｏｌ．２９Ｎｏ．３　Ｊｕｎｅ，２００９　　文章编号：１６７１５９４２（２００９）０３００７４０４人工地震信号检测中相位信息的利用唐　杰１）　葛洪魁２）　王宝善２）　陈　２）１）中国石油大学（华东）地球资源与信息学院，东营　２５７０６１２）中国地震局地球物理研究所，北京()　１０００８１摘　要　针对固定台接收到的小药量激发的人工震源信号信噪比低的问题，基于人工震源激发的相似性，采用相位互相关和相位权重叠加的方法检测固定台站接收到的微弱信号，提高了弱信号的检测能力，可在２００ｋｍ距离处接收到数十千克当量的炸药激发的信号。关键词　人工地震；相位权重叠加；相位互相关；波形互相关；信噪比中图分类号：Ｐ６３１．４　　　　文献标识码：ＡＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＰＨＡＳＥＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＯＳＩＧＮＡＬＤＥＴＥＣＴＩＯＮＯＦＡＲＴＩＦＩＣＩＡＬＳＥＩＳＭＩＣＳＯＵＲＣＥＴａｎｇＪｉｅ１），ＧｅＨｏｎｇｋｕｉ２），ＷａｎｇＢａｏｓｈａｎ２）ａｎｄＣｈｅｎＹｏｎｇ２）１）ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＧｅｏＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ　２５７０６１２）ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥａｒｔｈｑｕａｋｅＳｃｉｅｎｃｅ，ＣＥＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ()　１０００３６Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓｏｕｒｃｅｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｅｘｐｌｏｒｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｔｈｅｒｅｇｉｏｎａｌｓｃａｌｅｄｅｅｐｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．Ｕｓｕａｌｌｙ，ｓｉｇｎａｌｓｆｒｏｍａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓｅｉｓｍｉｃｓｏｕｒｃｅｈａｖｅｌｏｗＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ）．Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓｏｕｒｃｅｈａｓａｃｅｒｔａｉｎｄｅｇｒｅｅｏｆｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙａｍｏｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈｏｔｓ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒ，ｗｅｕｓｅｐｈａｓｅｃｒｏｓｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎｄｐｈａｓｅｗｅｉｇｈｔｅｄｓｔａｃｋｗｈｉｃｈｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｌａｒｉｔｙｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｔｏｄｅｔｅｃｔｗｅａｋｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｂｙｕｓｅｏｆｄｏｚｅｎｓｏｆｋｉｌｏｇｒａｍｓｏｆｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓｔｈｅｓｉｇｎａｌｃａｎｂｅｄｅｔｅｃｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆ２００ｋｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓｅｉｓｍｉｃｓｏｕｒｃｅ；ｐｈａｓｅｗｅｉｇｈｔｅｄｓｔａｃｋ；ｐｈａｓｅｃｒｏｓｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；ｗａｖｅｆｏｒｍｃｒｏｓｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；ＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ）１　引言采用人工震源可将现有的被动监测变为对地下状态和结构的主动探测［１］。以往远距离探测一般采用大当量炸药，但费用高且会对激发环境造成较大的破坏，在使用中受到限制，利用小当量的人工震源激发研究区域尺度深部地下结构是深部结构探测的一个发展方向［２］。小当量激发能量低，传播一定距离后信号会变得非常微弱，信噪比低，有效信号难以识别。为此需要研究检测小当量激发信号的方收稿日期：２００８１０２９基金项目：国家自然科学基金（４０５７４０１９）；科技部社会公益重点项目（２００５ＤＩＡ３Ｊ１１７）；地震行业科研专项（２００８０８００２）；中国地震局地球物理研究所基本科研业务专项（ＤＱＪＢ０７Ａ０１）作者简介：唐杰，男，１９８０年生，博士，现任教于中国石油大学，主要从事人工地震探测研究工作．Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]　第３期唐杰等：人工地震信号检测中相位信息的利用法。人工震源激发具有可控性，可以采用同一地点或小区域多次激发的方式提高人工震源的探测能力，同一台站接收到的多次激发的信号，由于震源位置、震源机制和射线路径几乎相同，使得信号具有很高的相似性和很好的重复性。对多次激发所获得的信号进行叠加是提高信噪比的一种有效手段，最初一般采取线性叠加方法［３］，这种叠加不改变信号的形态，但检测弱信号的能力有限。为了提高弱信号的检测能力，就需要采用非线性叠加方法。以往的地震数据处理主要关注波形信息，如采用波形互相关的方法检测信号［４］。地震数据中的相位是值得关注的另一个重要信息，Ｓｃｈｉｍｍｅｌ［５］研究了相位互相关并将其应用于天然地震的数据处理中；在叠加过程中引入相位信息，针对数据的相位吻合度调整叠加的权值可以得到相位权重叠加方法［６］，相位权重叠加能够有效地压制尖锐噪声，突出有效信号，本文探讨将相位信息方法应用于人工地震弱信号的检测中。２　相位互相关与相位权重叠加地震数据记录可以表示成解析形式Ｓ（ｔ），实部是信号ｓ（ｔ），虚部为信号ｓ（ｔ）的Ｈｉｌｂｅｒｔ变换，将解析形式写成振幅相位形式为：Ｓ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｉｈ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｅｘｐ（ｉφ（ｔ））（１）其中Ａ（ｔ）是ｓ（ｔ）的包络，φ（ｔ）为相位。将两个解析信号叠加。Ｃ（τ）＝Ｓ１（τ）＋Ｓ２（τ）＝Ａ１（τ）ｅｘｐ（ｉφ１（τ））＋Ａ２（τ）ｅｘｐ（ｉφ２（τ））（２）若φ２（τ）可变，当φ２（τ）与φ１（τ）相等时叠加后的幅值最大，若将两信号归一化，可得：Ｃ（τ）＝（ｅｘｐ（ｉφ１（τ））＋ｅｘｐ（ｉφ２（τ）））／２（３）该值介于０和１之间，且随相位一致性变差由１变为０，因而可用Ｃ（ｔ）表述信号的一致性。２．１　相位互相关对于同一地点多次激发的信号而言，叠加可以增加信号的信噪比，叠加时相位一致性好时能够提高叠加的效果。为了寻找最佳的对齐位置，选择一个信号作为参考信号，在其他信号上滑动找到最佳的位置。当滑动到一个位置时将所有的相位信息叠加起来，有Ｃ（ｍ）＝１２Ｎ∑Ｎｎ＝１ｅｉφ（ｎ＋ｍ）＋ｅｉψ（ｎ{}）（４）该值能够表示信号整体相位的一致性，但该值当两个信号恰好反相位时等于０，而为了寻找相位一致性好的对齐点，一般要求相关最差时的值为０，为了解决反相位问题，可以用下面的形式：Ｃｐ（ｍ）＝１２Ｎ∑Ｎｎ＝１｛｜ｅｉφ（ｎ＋ｍ）＋ｅｉψ（ｎ）｜－｜ｅｉφ（ｎ＋ｍ）－ｅｉψ（ｎ）｜｝＝１２Ｎ∑Ｎｎ＝１｛｜ｃｏｓ（φ（ｎ＋ｍ）－ψ（ｎ）２）｜－｜ｓｉｎ（φ（ｎ＋ｍ）－ψ（ｎ）２）｜｝（５）当两信号相位对齐，一致性好时其值为１，当两信号一致性差时其值很小，该值称为相位互相关系数，通过选择相位互相关系数的峰值位置就可以寻找信号相位一致性最好的地方。２．２　相位权重叠加噪声相位杂乱无章，而有效信号的相位具有一致性。利用相位信息对相位一致性好的位置赋较大的权值，对差的赋较小的权值就能更有效地压制噪声。相位加权叠加是一种非线性叠加方法，它与传统的加权叠加不同，它的权值不是给先赋予每道的数据然后做叠加，而是给叠加后的数据点赋权值。把那些同相性差的点的赋比较小的权值，同相性好的赋较大的权值。相位权重叠加计算中先求取线性叠加的结果Ｌ（ｎ）：Ｌ（ｎ）＝１Ｋ∑Ｋｊ＝１ｘｊ（ｎ）（６）其中ｎ是记录中点的位置，ｊ是记录号，ｘｊ（ｎ）是第ｊ个记录的第ｉ个点的数据，Ｋ是波形记录的个数。然后根据相位信息确定叠加的权重α（ｎ），信号ｘｊ（ｎ）写成振幅Ｂｊ（ｎ）和相位的形式有：ｘｊ（ｎ）＝Ｂｊ（ｎ）ｅ－ｉφｊ（ｎ）（７）依据不同记录对应点的相位信息可以得到相位权重值：α（ｎ）＝１Ｋ｜∑Ｋｊ＝１ｅｘｐ［ｉφｊ（ｎ）］｜ｖ（８）当ｖ＝０时，为线性叠加。最后可以得到相位权重叠加的结果Ｒ（ｉ）Ｒ（ｉ）＝α（ｉ）Ａ（ｉ）（９）３　人工地震信号检测中相位信息的应用３．１　实验简介２００５年１２月２２日凌晨，我们在顺义高丽营进行了人工爆破激发地震波实验。实验采用一次大药量以及多次小药量激发的方式，炮点位置选在同一炮场，大炮的药量为１３４５ｋｇ，井深４７．５ｍ，小炮激发共１６炮，分为４组，各组单个炮的药量分别为１０ｋｇ、１５ｋｇ、２０ｋｇ与２５ｋｇ，总药量为２８０ｋｇ，井深２５ｍ，井间距约１０ｍ。信号记录来自首都圈台阵，首都圈固定台共计１０７个，其中５３个井下短周期地震５７大地测量与地球动力学２９卷台，５个地面短周期地震台，４４个宽频带地震台和５个甚宽频带地震台，采样率为５０Ｈｚ。由于炮点集中在一个很小的区域内，相对于测线长度而言可以近似认为是点源激发；对于同一台站接收到的激发信号，地震波具有相同的射线路径；试验中尽量保证各炮点激发环境相同，加之各炮点之间距离很近，因而激发条件的一致性较好；从而确保信号具有较好的一致性。相对震中距来说，每炮的震源位置可视为同一点，其激发条件、震源机制均相同，同一台站接收到的不同药量激发信号是相似的，信号在相位上具有很好的一致性。图１给出了牛栏山台站不同小炮激发的结果比较，３～９Ｈｚ滤波后小炮激发的波基本一致，信号存在相似性。图１　牛栏山台不同药量的波形比较Ｆｉｇ．１　ＣｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｍｓａｔＮｉｕｌａｎｓｈａｎｓｔａｔｉｏｎｂｙｕｓｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｐｌｏｓｉｖｅ３．２　相位互相关相位互相关的峰值体现了记录与模板相位一致性最好的地方，在求相关系数时，会出现主峰值以外的次峰值－旁瓣，旁瓣会影响信号检测效果。图２是相位互相关与波形互相关的比较，从模板起点开始取一段作为模板（２ｓ的模板和１０ｓ的模板），然后与另一记录作波形互相关和相位互相关，由图２可以看出相位互相关对旁瓣的压制效果要好于波形互相关。图２　相位互相关和波形互相关比较Ｆｉｇ．２　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｐｈａｓｅｃｒｏｓｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎｄｗａｖｅｆｏｒｍｃｒｏｓｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ叠加前需要选择合适的对齐点以保证同相叠加，虽然有起爆时刻作为参考，但是往往有误差的存在，这里我们采用相位互相关的方法，如图３所示，对牛栏山台站接收到的其中一炮信号经３～９Ｈｚ滤波后，选择该炮起爆时刻开始起１０ｓ作模板，与１６个小炮时间序列记录（图３（ａ））做相关可以得到图３（ｂ），在出现小炮信号的位置得到了较大的相关系数峰值。这些相关系数峰值对应的点可以作为叠加时的对齐点。图３　相位互相关确定对齐点Ｆｉｇ．３　Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆａｌｉｇｎｍｅｎｔｐｏｉｎｔｓｕｓｉｎｇｐｈａｓｅｃｒｏｓｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ３．３　相位权重叠加效果采用相位权重叠加的方法对张北台记录进行分析得到图４，单炮信号信噪比低，有效信号和噪声混在一起，记录较为杂乱，噪声干扰大，线性叠加后的结果能提高信噪比，但效果有限，震相初动位置不清晰；经过相位权重叠加后对噪声压制效果明显，信号与噪声分得清楚，噪声压制效果好。图４　张北台叠加效果比较Ｆｉｇ．４　ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｔａｃｋｅｆｆｅｃｔｓａｔＺｈａｎｇｂｅｉｓｔａｔｉｏｎ对台站接收的数据叠加处理，作出６ｋｍ／ｓ折合时距曲线图，图４（ａ）、（ｂ）分别是线性叠加、相位权重叠加的结果。经过相位权重叠加后原来信噪比低的台站信噪比明显提高，有些无法（下转第７９页）６７