臺站測震資料干擾分析處理軟件研究

何思源，李貴元，劉華姣，鐘李彬，徐文海

(四川省地震局成都地震基準臺,四川 成都 611730)

地震觀測是研究地震和地球內部結構的重要手段，也是地震學理論體系建立和發展的重要基礎，數字地震記錄已成為現代地震研究的基石(李興泉等，2018)。目前，MSDP軟件廣泛應用于臺站,該軟件提供了波形分析功能，缺少波形干擾處理功能,無法滿足實際工作需求。雖然通過濾波程序可以達到濾掉部分干擾的效果，但整體缺乏綜合分析處理能力，難以推廣應用。地震波形中包含了眾多的信息，其中不乏各種干擾，這些干擾對數字地震記錄的質量造成了影響，便會對于震相的識別與分析造成干擾，為測震分析工作增加難度和工作量，因此如何快速有效地完成對干擾的去除就顯得十分必要。本研究基于MATLAB開發了一款測震資料干擾分析處理軟件，其內部不僅集成了快速傅里葉變換、希爾伯特-黃變換、小波變換、速度功率譜估計這些分析算法，還包括了不同類型的去噪方法，可以滿足裝配速度型地震計臺站觀測資料的干擾分析與處理需求。

1 總體設計思路

如何去除地震波形中的干擾信息，保留其有效信息，首先需要了解有效信息和干擾的特點，才能正確地將二者加以區分。傅里葉變換、希爾伯特-黃變換、小波變換和速度功率譜估計則是整個“波形分析”功能的基礎，整體流程如圖1所示。“波形處理”采用的是FIR濾波器和小波去噪兩種方法，FIR濾波器由于具有線性相位的特性而被廣泛使用，小波變換去噪實質是軟閾值去噪法。閾值法去噪的優點是噪聲幾乎完全得到有效抑制，且反映原始信號的特征尖峰點也得到很好的保留，能夠使估計信號實現最大，均方誤差最小化，即去噪后的估計信號是原始信號的近似最優估計。小波變換具有時頻局部化特性、多分辨特性、去相關特性和選基靈活性的特點(周宇峰等，2008)。前兩個性質決定了小波變換去噪相比傳統方法具有獨特的優勢，是信號處理的得力工具。在利用小波變換分析和處理信號時，不同領域的學者對如何選取合適的小波基有不盡相同的看法，而且對同一信號選取不同的小波基進行處理時會出現完全不同的結果(張華等，2011)。因此，需要根據信號的特點，采取折衷的辦法進行小波基的選取(高玉寶等，2008)。軟件中給出了一些常用類型的小波基供用戶進行選擇，如圖2所示。

圖1 波形分析與處理總流程

圖2 軟件所提供的小波基類型

2 功能演示

2.1 干擾的分析

選取成都地震臺JCZ-1T地震計記錄的2016年7月27日19時59分四川平武2.5級地震垂直分向波形數據，見如圖3a。選擇“波形分析”功能中的“頻譜分析”功能，可以分別得到FFT頻譜圖和希爾伯特邊際譜，如圖3b所示。“Welch速度功率譜”可以根據設置不同的參數(FFT長度、窗函數長度、重采樣精度)得到相應的速度功率譜估計圖，如圖3c。根據FFT頻譜圖及希爾伯特邊際譜可知，在2～4 Hz的頻率區間內存在較高的幅值，而速度功率譜估計也在此區間出現了高幅值。

圖3 波形分析功能示例

為了研究該2～4 Hz的頻率區間所表示的內容，文中首先采用FIR濾波器對地震波形中的2～4 Hz頻率范圍進行帶阻濾波，以此研究2～4 Hz頻率范圍是否與地震波形中的干擾有關。選擇軟件中的“帶阻濾波器”功能，通過設置通、阻帶頻率，便可以實現帶阻濾波，如圖4所示。濾波前后的對比結果顯示：濾除2～4 Hz頻率范圍的干擾后，干擾被壓制的效果十分明顯，原始波形中的“毛刺”干擾也得到了有效的改善，表明濾除的2～4 Hz頻段波正是干擾所在的頻率范圍。

圖4 帶阻濾波前后波形

2.2 干擾的處理

選取成都地震臺JCZ-1T地震計記錄的2017年12月10日08點14分九寨溝2.9級地震記錄作為處理實例。原始波形自身存在明顯的波形“毛刺”，同時波形中還存在高頻干擾信息，可以采用小波去噪和2～4 Hz帶阻濾波法綜合去除噪聲的辦法進行處理，其中2～4 Hz帶阻濾波法是為了消除測震資料中的日常普遍性干擾(何思源等，2019)；再將處理的結果進行仿真，如圖5所示。其中，小波去噪法選擇的小波基為bior2.4小波，因為bior2.4小波基重構精度高，去噪效果良好，能夠更加完整地保留了有效信號(何思源等，2019)，其分解層數為4。原始波形經過處理后， “毛刺”及高頻干擾得到了有效的壓制，仿真后波形的垂直分向上原本被干擾所掩蓋的初至震相變得清晰可辨，信噪比得到了明顯的提升。

圖5 去噪前后波形及仿真結果

3 實例應用

由于經濟發展、城市規模擴大以及交通建設等對部分臺站的觀測條件產生了影響。瀘州地震臺由于地處市區且長期受到周邊城建施工的影響，臺站觀測數據整體呈“晝差夜良”的特點，如圖6所示。瀘州地震臺的觀測數據質量保持“晝夜一致”對提高該地震臺測震數據質量有著積極的意義。分別選取一段2019年3月12日瀘州地震臺白天和夜晚記錄的波形數據進行波形分析。通過“波形分析”功能中的“頻譜分析”可以分別得到白天和夜晚觀測數據的FFT頻譜圖，白天相比夜晚主要在高頻段具有更高的幅值水平(見圖7)，再采用小波去噪與濾波器相結合的方式進行處理。結果表明，白天的觀測數據去噪處理后，波形質量得到明顯改善，能夠與夜晚的觀測數據質量保持一致，如圖8所示。

圖6 瀘州地震臺波形數據

圖7 瀘州地震臺白天及夜晚波形數據FFT頻譜圖

圖8 瀘州地震臺去噪前后波形質量對比

4 疑似普遍性干擾提示功能

此項功能的作用是通過記錄用戶使用帶阻濾波器濾除的頻率區間，當某一頻率區間累計出現了20次，那么軟件會自動將其識別為“疑似普遍性干擾”，并及時提醒用戶注意此頻率區間信息的干擾。該功能的原理是用戶在第一次使用“帶阻濾波器”功能時，會在D盤自動建立一個文件夾且命名為“濾波器結果文件”，里面會自動生成一個名為“帶阻濾波”的Excel表格并記錄下本次所選擇濾除的頻率區間。之后用戶每使用一次“帶阻濾波器”功能，軟件都會對選擇處理的頻率區間進行記錄并統計出現的次數。當有一組頻率區間第20次出現在Excel表格中時，軟件就會彈出消息提醒框，提示用戶注意該頻率區間。例如，軟件在進行帶阻濾波處理時，用戶有20次選擇濾除2～4 Hz的頻率區間，那么軟件便會彈出提示信息，如圖9所示。

圖9 “疑似普遍性干擾頻率”提示功能示例

5 認識與討論

在測震資料干擾分析處理軟件的開發和使用過程中，有以下幾點認識：

(1)軟件的核心是“波形分析”與“波形處理”功能。“波形分析”將傅里葉變換、希爾伯特-黃變換、小波變換和速度功率譜估計作為基礎，對于測震資料中的干擾能夠實現時域、頻率的分析；“波形處理”功能以FIR濾波器及小波去噪為手段，能夠去一般的干擾信號。(2)“疑似普遍干擾頻率”提示功能作為附加功能，可以及時地為用戶反饋測震資料中可能存在的普遍性干擾，提示用戶對干擾產生的原因進行核實。(3)在實際應用中分析地震波形中存在的干擾，并能進行有效的處理，改善波形數據的質量。(4)經過分析發現，成都地震臺測震資料中普遍存在頻率區間為2～4 Hz的干擾，需要對該頻段可疑干擾源進行核實。