單臺數字測震儀地震實時準確報警方法研究*

李萬金，陳 陽

(1.中國科學技術大學地球和空間科學學院，安徽合肥230026;2.云南省地震局個舊地震臺，云南個舊661000)

0 引言

地震臺站測震儀器系統在記錄地震波形數據的同時，必須能夠實時準確檢測地震并報警，才能從根本上保障測震人員在地震發生后及時速報地震。目前單臺儀器不能對所有記錄到的地震進行準確檢測，但至少應該保證一定強度地震(如ML≥3.0的地方震，ML≥5.0的近震，MS≥6.0的遠震，MS≥7.0的極遠震)的實時檢測報警。但目前國家數字地震臺使用的地震波形監視記錄軟件的地震報警功能很不理想，經常出現“有震不報警，無震亂報警”的情況，嚴重影響了臺站日常地震速報工作。

由于臺站觀測儀器易受自然界背景噪聲干擾(如機械振動、大風、爆破、人為活動等)(孟曉春，2005)和運行環境惡劣(如受潮、氣流擾動、雷電、50 Hz交流電串入等)的影響，導致地震記錄波形干擾嚴重，甚至因儀器運行不正常而使記錄波形失真。如果不采取措施來改善波形記錄質量以及不對干擾嚴重的波形數據進行除噪處理，直接使用原始記錄波形進行報警，就無法清晰呈現出地震的記錄特征，這樣的波形有時人工都難以識別，地震記錄軟件就更不可能實現準確報警。

目前，我國已經完全實現從模擬測震到數字化測震的轉變，數字測震儀具有記錄頻帶寬、分辨率高、動態范圍大并且便于計算機進行資料處理等優點(劉瑞豐等，1997)。例如，個舊地震臺高靈敏度、寬頻帶、高性能的CTS－1E型甚寬頻帶地震計，其頻帶是50 Hz～120 s，對等速度輸入響應平坦(蔡亞先等，2004)。可見它的頻帶基本涵蓋了地震波的周期，即現在的一套數字測震儀記錄的地震信息相當于過去短、中、長周期3套模擬測震儀記錄信息的總和，因此只要把改善地震波記錄質量、波形實時仿真濾波技術以及合適的地震檢測算法相結合，就能有效地提高數字化測震儀地震檢測報警的準確率。

測震臺站承擔著所在區域范圍內有感及以上地震的速報工作。實現從干擾波形中自動檢測地震的技術，是實現震相自動識別技術的前提和基礎。因此，研究如何提高單臺地震報警的準確率具有重要的現實意義和應用價值。

1 地震觸發檢測原理及改進措施

1.1 STA/LTA觸發算法原理及參數設置

目前最常使用的地震觸發檢測算法是短時絕對均值與長時絕對均值之比(即STA/LTA)(彼得·鮑曼，2006)。STA測量信號的短時間變化，隨時監視著地震;而LTA測量臺站當前地震噪聲的振幅水平。

(1)STA/LTA算法原理

首先分別計算移動的STA和LTA時間窗中振幅的絕對均值，再計算這兩個均值的比值(STA/LTA)。程序將此比值與用戶設定的觸發閾值相比較。若大于觸發閾值時，就認為檢測到地震并觸發報警。當STA/LTA比值低于解除觸發閾值時，就認為地震信號結束并解除報警。STA/LTA解除觸發閾值要小于STA/LTA觸發閾值(圖1)。

STA、LTA都作為滑動均值進行計算:

式中:xi是地震信號(經濾波或未經濾波);STA是短時均值;LTA是長時均值;NSTA和NLTA分別是STA窗和LTA窗中的點數。

圖1 STA/LTA觸發算法原理(a)一個連續的(經過濾波)的地震信號;(b)在STA、LTA兩個窗口里平均絕對信號隨時間的變化;(c)STA/LTA隨時間的變化Fig.1 The principle of STA/LTA trigger algorithm(a)a continuous(filtered)seismic signal;(b)mean absolute signals in STA and LTA windows change with time;(c)STA/LTA changes with time

(2)STA/LTA基本觸發參數選擇

觸發參數設置是否合適對能否成功檢測地震事件很關鍵。STA/LTA的基本觸發參數有:STA時間窗長、LTA時間窗長、STA/LTA觸發閾值、STA/LTA解除觸發閾值。對于仿真成短周期的信號，STA用來測量地震信號的“瞬時”振幅，STA窗長一般為0.5 s;LTA測量臺站當前地震噪聲的振幅水平，通常LTA窗長為50～500 s。安靜的臺站，STA/LTA觸發閾值常設置為4;人為噪聲強的臺站，觸發閾值可取8以上。STA/LTA解除觸發閾值決定何時解除報警，能記錄弱地震活動的安靜臺站，STA/LTA解除觸發閾值的取值是2～3;對噪聲大些的臺站，該閾值應設置高一點。

(3)改進STA/LTA地震檢測算法

為提高地震檢測靈敏度，并有效減少地震的漏觸發、虛觸發和重復觸發，本研究采用凍結LTA值和設置觸發有效的最小持續時間、相臨兩次有效的地震檢測的最小間隔時間來改進傳統的STA/LTA地震檢測算法。

凍結LTA:一旦檢測到事件后就凍結LTA，從而使背景噪聲參考水平不受地震事件信號的影響;當事件檢測結束時，再解凍LTA來跟蹤背景噪聲變化。這樣STA/LTA可以突出地震信號的變化。

檢測觸發有效的最小持續時間:為了有效減少尖銳脈沖或爆破等引發的虛觸發，根據此類脈沖持續時間短的特點，采取一旦達到觸發閾值，檢測觸發有效的最小持續時間，比如持續時間小于10 s可認定為干擾，持續時間超過10 s就認定為地震，從而能排除絕大部分因干擾引發的報警。

相臨兩次有效的地震檢測最小間隔時間:為了避免同一次地震因波形起伏大引起的重復觸發，可采取設置相臨兩次有效地震的最小間隔時間，即后一次地震的觸發時刻與前一次地震解除觸發時刻之間的時差(比如為240 s)，間隔小于最小間隔時間的觸發就認定為同一次地震，間隔超過最小間隔時間的觸發則認定為另一次地震。

1.2 提高地震波形記錄質量

臺站觀測儀器工作環境好、儀器運行正常，才能產出正常、連續、可靠的地震波形數據，這是提高地震檢測準確性的前提和基礎。如果因儀器工作環境惡劣以及管理不善而導致儀器長期運行不正常、產出斷續甚至畸形的波形，那么即便采用好的地震檢測算法也無法顯著提高地震報警準確率。

(1)臺址選擇

臺址的選擇，對地震波形記錄質量尤為關鍵。必須按《地震臺站觀測規范》(國家地震局，1990)、《數字地震觀測技術》(中國地震局監測預報司，2003)和《地震學與地震觀測》(中國地震局監測預報司，2007)來選擇。選址的注意事項主要有以下幾條:測震臺的選址，必須遠離各種振動干擾源;臺基應選擇在巖性堅硬致密、完整的、并大面積出露的基巖上;臺址的地勢起伏要小，應避開風口;臺站觀測環境地噪聲水平要符合要求;擺房要防潮保溫。

(2)改善儀器運行環境

大多數測震儀器要在干燥的環境中才能正常工作。對潮濕的觀測山洞，可以采取綜合措施來降低潮濕程度，如采取工程措施對洞室內壁作防水防潮處理;用密閉的儀器罩罩住地震計，罩內放置能吸濕的硅膠干燥劑;不定期用除濕機對山洞除濕。對于室外擺線的鋪設或架設，要采取加裝外套或穿管埋地鋪設等防護措施，防止鼠類動物啃咬線路。對于雨季雷患嚴重的地區，要制作良好的接地、電源防雷和GPS天線防雷，防止雷電串入干擾甚至燒毀設備。穩定的供電也是保證儀器正常運行的一個關鍵因素。

1.3 地震波形實時仿真

實踐表明，如果將數字測震儀波形仿真成模擬短周期測震儀波形，就能濾除干擾的主要成分，突出每個地震的縱波，從而把各個地震區分出來。本研究采用無延時的實時仿真算法來仿真原始記錄波形，原理如下:

結合寬頻帶數字測震儀的采樣頻率和模擬測震儀的傳遞函數，使用雙線性變換法(王洪體等，2006;李萬金，鄧存華，2011)將模擬測震儀器的傳遞函數濾波器變換為不同采樣率下的數字濾波器傳遞函數，從而構造出遞歸仿真濾波器;再用濾波的方法便可將數字地震波形仿真成模擬儀器記錄波形，從而實現實時波形仿真。

由于模擬地震儀記錄的是地動位移信號，而數字地震儀記錄的是地動速度或地動加速度信號，因此需要將數字波形信號先轉換成位移量。要將速度型數字地震儀波形轉換成位移量，需要積分一次。

一般的做法是:先對原始數字地震記錄數據進行積分，再用模擬儀器的傳遞函數來仿真。本研究的做法是:將速度型數字地震儀波形轉換成位移量，需要積分一次，只需要將模擬地震儀的傳遞函數乘1/S后得到的傳遞函數來仿真;將加速度型數字地震儀波形轉換成位移量，要積分兩次，只需要將模擬地震儀的傳遞函數乘1/S2后得到的傳遞函數來仿真。這樣可以大幅提高波形仿真的速度。

將減少了零點個數的模擬地震儀器傳遞函數變換為不同采樣率下的數字濾波器傳遞函數，從而構造出遞歸仿真濾波器，可實現實時波形仿真。

使用MATLAB軟件構造遞歸仿真濾波器(萬永革，2007)的步驟:

假設模擬儀器的傳遞函數形式為H(s)=f(s)/g(s)，則

第一步，使用MATLAB函數f=poly(z)*k和g=poly(p)便可將儀器剩下的零極點轉換成傳遞函數形式。

第二步，使用MATLAB雙線性變換函數［a，b］=bilinear(f，g，Fs)將模擬儀器傳遞函數離散成數字濾波器。式中:f、g為模擬濾波器傳遞函數分子和分母多項式向量系數;Fs為采樣頻率，單位為Hz;a、b為數字濾波器傳遞函數分子和分母多項式向量系數。

如:將DD－1型模擬地震儀傳遞函數轉換成采樣率為100 Hz的速度信號的數字仿真濾波器:

a=0.2440 －0.8741 0.8128 0.5086－1.2196 0.4672 0.1628 －0.1，

b=1.0000 －5.3974 12.2810 －15.3370 11.4941 －5.3084 1.4621 －0.1944.

第三步，將構造出的遞歸仿真濾波器系數代入下式的濾波算法，即可對波形進行實時仿真:

式中:系數 ai(i=0，1，…，n)、bi(i=0，1，…，n)，n為遞歸濾波器階數;x(k)、y(k)分別為輸入的數字測震儀采集數據和輸出的DD－1型模擬短周期測震儀仿真波形數據。

2 地震波形仿真和檢測實例

2.1 波形仿真的作用

運用上述仿真算法將波形仿真成DD－1型模擬短周期測震儀波形，主要有以下作用:

(1)濾除儀器不正常的波形

測震儀器因放大電路板工作受潮、接地不良或雷電感應等原因引起波形大幅振蕩或毛刺脈沖，仿真成短周期波形后可以顯著的濾除這些干擾，從而減少地震虛報。

(2)消除儀器因零漂產生的偏移

利用零漂周期長的特點在仿真成短周期波形過程中就能有效地消除數據中的儀器零漂，突出地震信號。

(3)濾除長周期大幅度干擾

每年臺風季節，寬頻帶地震儀的波形上常記錄到卓越周期為3～8 s的大幅度臺風干擾。若不濾除，STA/LTA經常檢測不到地震，導致地震漏報。

(4)從強震重疊波形中識別出余震

強震波形會湮沒其中的余震波形，仿真成短周期波形后可以顯露出這些余震，從而減少地震漏報。

地震仿真實例:以個舊地震臺記錄的2011年3月11日日本本州東海岸附近海域9.0級大地震(震中距為36.6°)為例，采用MATLAB編程對地震信號進行仿真以及地震檢測判別，從仿真后的波形中可以發現主震之后又發生了多次余震(圖2)。

圖2 2011年3月11日日本9.0級大地震波形(a)CTS－1儀器記錄的原始地震波形;(b)仿真成DD－1測震儀的波形Fig.2 Japan MS9.0 earthquake on Mar.11，2011(a)original seismic waveform recorded by CTS－1 seismograph;(b)simulatied to waveforms of DD－1 seismograph

2.2 地震波形檢測

對近年來個舊地震臺記錄到的一些地震波形和干擾波形采用上述算法進行重新檢測，既要有效排除大部分干擾波形，又要能保證一定級別的地震報警。經過比較，個舊地震臺的STA/LTA報警檢測參數合理設置為:STA窗長為0.5 s，LTA窗長為50 s，觸發閾值是4，解除觸發閾值是2，檢測有效最小持續時間為8 s，相臨兩次有效地震檢測的最小間隔時間為180 s。以圖2b中的垂直向波形為例進行檢測演示，如圖3所示。

圖3 2011年3月11日日本9.0級大地震的檢測過程(a)仿真后的DD－1波形;(b)STA;(c)LTA;(d)STA/LTA;(e)地震事件觸發及解除觸發Fig.3 The detection process of Japan MS9.0 earthquake on Mar.11，2011(a)simulation waveforms of DD－1 seismograph;(b)STA;(c)LTA;(d)STA/LTA;(e)seismic event triggering and releasing triggering

與采用傳統算法(圖1)對比，從STA/LTA曲線上可看出改進后的STA/LTA算法，當STA/LTA達到觸發閾值后，凍結LTA能有效抑制地震信號對LTA的影響，從而提高STA/LTA值;檢測觸發有效的最小持續時間參數能夠有效地排除短時干擾;相臨兩次有效的地震檢測最小間隔時間參數能顯著抑制因地震波形起伏較大造成對同一次地震的重復檢測。

2.3 地震波形檢測效果統計

為了充分驗證本算法的可行性和準確性，筆者從個舊地震臺數字地震儀近年來記錄到的地震中選取5個地震事件進行檢驗(表1)，其中涵蓋了近震、遠震和極遠震，波形中或有尖銳的爆破波形干擾、或有大周期臺風振幅干擾、或余震完全被主震波形湮沒，對臺站需要檢測的地震和波形所受的干擾具有顯著的代表性。從表1的地震檢測效果統計結果可看出，在仿真成短周期的地震波形上，使用改進后的STA/LTA觸發檢測算法來檢測地震效果顯著，只要地震間的間隔時間不要過短，完全可以實現一定級別地震的準確檢測，并有效減少地震的虛報、漏報和重復觸發，只是有時觸發持續時間較短。

表1 地震檢測效果統計Tab.1 Statistic results of seismic detection effect

3 討論及結論

(1)本文首先分析了采用傳統STA/LTA地震檢測算法在原始記錄波形上檢測地震時，地震的判別受各種振動干擾或主震波形的影響常常造成地震的漏報或虛報，地震檢測效果很不理想，而且對于選擇偏重檢測近震還是偏重檢測遠震，參數設置差別大，嚴重影響了臺站的地震速報工作。然后提出了綜合解決措施:采取工程技術措施改善儀器的運行環境，提高波形產出質量;將數字測震儀波形仿真成模擬短周期測震儀波形，就能濾除干擾的主要成分，突出每個地震的縱波，從而把各個地震區分出來，然后對仿真后的波形運用改進后的STA/LTA算法來檢測地震，只要一套參數，就能對一定強度級別的近震、遠震和極遠震敏感，從而實現較為準確的地震檢測報警，地震漏報、虛報大幅降低。

(2)從檢測效果統計來看，有時地震檢測的持續時間與地震波形的完整持續時間相比較短，對波形間隔太近(如本文采用的180 s)甚至重疊的兩次地震在觸發檢測時會作為一次地震來處理會造成地震漏報，但考慮到從地震觸發報警到橫波甚至面波出現后才能準確分析需要一段時間，且分析地震也需要時間，分析人員能從波形瀏覽中注意到軟件漏報的地震，因而不會造成真正的漏報。

(3)只要在臺站的地震數據實時記錄計算機上設計一個軟件程序來從地震數據采集器輸出的地震波形數據流中實時接收垂直向的數據，并對接收到的每個數據點應用本文提出的實時仿真算法和改進的STA/LTA檢測算法，就能將此地震檢測報警算法應用到實際觀測中。

(4)要嚴格區分天然地震波形和爆破等干擾波形需要從波形的形態、P波初動方向、頻譜等多個特征綜合辨別，檢測辨別算法復雜以及處理時間長;本方法只根據STA/LTA比值超過觸發閾值的持續時間(如本文采用的8 s)來區分地震和干擾，判別算法簡單，并不能完全排除干擾，但能排除絕大部分短時干擾且判別時間短，應該說這種取舍是合適的。

(5)提高單臺地震報警準確率，除了采用好的地震檢測判別算法外，最重要的是要實時產出質量好的地震波形數據，這需要臺站地震觀測儀器系統長期正常運轉。在影響儀器正常運行因素中，有些問題需要采用工程技術措施來解決，但歸根結底還要依靠對臺站的精心管理、觀測人員高度的責任心以及觀測技能的提升。

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