單臺P波震相拾取方法研究

林華偉++劉超++柴森++邱勇

摘要：地震P的震相拾取是地震預警技術中的關鍵步驟，P波到時的拾取精度直接影響到后續震源參數估算及多臺站震中定位的精度。針對常規長短時平均（STA/LTA）方法對于信噪比低的地震記錄震相拾取效果不理想的問題，本文發展了一套基于改進的STA/LTA方法和自回歸檢測法（AIC）的P波震相拾取方法，該方法可提高算法對于低信噪比情況下的地震事件判別成功率，在實時預警中具備應用價值。

Abstract： P-arrival detection of earthquake is the most import part of earthquake early warning. The precision of P-arrival detection directly affects the precision of earthquake parameters and location. Aiming at the problem that the short-term-average/the long-term-average （STA/LTA） method is not ideal for the seismic phase picking with low signal noise ratio， a new picking method is developed. The picking method is based on the improved short-term-average/the long-term-average （STA/LTA） and Akaike information criterion （AIC）.The method can improve the success rate of P-arrival detection and it has practical application value.

關鍵詞：地震；P波拾取；長短時平均比

Key words： earthquake；P-arrival detection；STA/LTA

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）30-0129-02

0 引言

地震是對人類生命財產危害性極大自然災害。由于地震預警時效性的要求，往往需要在地震P波到達監測臺站后3～5秒時間內，通過分析地震P波攜帶的信息，在危害性更大的S波到達前發布地震警報。因此，地震P波震相的撿拾是整個預警技術的基礎。介于此，深入研究優化地震P波震相的撿拾算法具有十分重要的意義。

1 方法原理

1.1 長短時平均比法

對于地震事件的判別目前最常用的是長短時平均法，該方法從地震波到達時相對于背景噪聲的能量變化入手，對地震事件進行撿拾。按計算方法不同，可以將STA/LTA法分為標準法和遞推法。

從圖中可以看出在信噪比較高時，標準方法與遞推方法均可對地震事件作出快速響應，遞推方法的結果整體較常規方法結果更為平滑，且幅值響應更大，對比圖中箭頭的位置發現，遞推法對背景噪音的抑制能力更強，更有利于閾值的設定。

本文采用遞推的STA/LTA法參與計算，并設定觸發閾值為10，即當STA/LTA法計算結果數值上超過10的時候，判別為有一次事件發生。

1.2 自回歸檢測法

STA/LTA法雖然可以對地震P波震相進行撿拾，但撿拾的結果僅僅是一個粗略的值，其相對真實的P波到時有所滯后。20世紀70年代日本學者Akaike提出一個基本信息定階準則——自回歸檢測法（AIC）準則對震相進行精確拾取。該方法假設地震波到達前后信號處于兩種不同的穩態過程，具體計算公式如下：

其中，k的范圍是窗口內所有采樣點，P波震相到位置對應于AIC函數的最小值。

本文在STA/LTA法初判點位置，向前向后分別開2秒和0.2秒的時窗進行AIC檢測。圖3為2014年四川省德陽市綿竹縣3.7級地震AIC檢測效果圖，圖中深色線為垂向加速度記錄，淺色線為AIC函數計算結果，虛線位置為人工手動拾取的P波到時。從圖中可以看出，AIC函數的最小值與人工撿拾的P波到時位置幾乎重合。

2 方法優化

改進的STA/LTA法

如前文所述，STA/LTA法是一種能量的方法，對于信噪比高的地震記錄，其P波震相清晰，當有一個震相到達時，短時平均值STA（i）會有明顯突變，而長時平均值LTA（i）幾乎無變化，因此可以對震相進行拾取。然而，對于背景噪聲較大，或者衰減后震相較為模糊的遠震而言，STA/LTA法的撿拾效果往往不太理想。

介于此，本文引入改進因子α對STA/LTA法計算結果做如下改進：

此時當信號到達α會對Rat的值產生一個放大作用，使其更有利于識別初動不明顯的信號，減少漏報事件，一般t取1～2秒即可獲得很好效果。

圖4為四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣3.7級地震垂向記錄，圖5為常規方法與改進方法撿拾結果對比圖。由圖可見，引入了改進因子后STA/LTA法的計算結果響應更加明顯，因此觸發閾值的設定更加明顯，可有效解決背景噪聲及P波初動不明顯情況下的事件漏報情況。

3 結論

本文通過開展單臺P波震相拾取方法研究，發展了一套基于改進的STA/LTA方法和自回歸檢測法（AIC）的P波震相拾取方法，對比分析常規STA/LTA法與遞推STA/LTA法的差異，實例計算表明，遞推STA/LTA法相對于常規方法對于背景噪聲的抑制能力更強；針對常規長短時平均（STA/LTA）方法對于信噪比低的地震記錄的震相拾取效果不理想的問題，引入改進因子α，可有效提高背景噪聲及P波初動不明顯情況下事件撿拾成功率，避免漏報的發生。

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