徐文海，丁 勇

（四川省地震局，四川 成都 611730）

在數(shù)字化觀測(cè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的瞬態(tài)變化、儀器毛刺、數(shù)據(jù)記錄的階躍和尖峰以及由系統(tǒng)故障引起的信號(hào)失真和重大環(huán)境干擾源的出現(xiàn)等，都是影響數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量的重要因素。除了真實(shí)的地震信號(hào)外，還包含了由于系統(tǒng)故障引起的各種失真信號(hào)以及臺(tái)站周圍的環(huán)境噪聲干擾等信息[1]。特別是地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程的大背景下，如何應(yīng)對(duì)地震臺(tái)站已存在及未來可能存在的各種類型的干擾，是我們需要長(zhǎng)期面對(duì)的問題。這也就要求地震臺(tái)站或中心站的監(jiān)測(cè)人員需要依托自身熟悉自己臺(tái)站或轄區(qū)內(nèi)臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，及時(shí)對(duì)可疑的干擾進(jìn)行分析研究。本文認(rèn)為在臺(tái)站干擾分析排查這項(xiàng)工作中，臺(tái)站監(jiān)測(cè)人員應(yīng)該盡可能地將工作做在前面，才能有效避免潛在的負(fù)面影響。為了區(qū)分以及消除干擾，首先就需要對(duì)地震波進(jìn)行分析。為此，本文采用了傅里葉變換、希爾伯特-黃變換進(jìn)行頻譜分析，再結(jié)合功率譜對(duì)地震波干擾信息進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)干擾的頻率區(qū)間設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器來消除干擾。

1 成都地震監(jiān)測(cè)中心站職責(zé)

成都地震監(jiān)測(cè)中心站的主責(zé)主業(yè)分為3部分：①圍繞地震危險(xiǎn)區(qū)地震活動(dòng)態(tài)勢(shì)及未來地震形勢(shì)的嚴(yán)峻性，不斷提升區(qū)域地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)綜合能力。將日常監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作與重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的強(qiáng)化短臨跟蹤工作相結(jié)合，開展地震震情監(jiān)視跟蹤和年度地震趨勢(shì)會(huì)商工作。②制定針對(duì)性監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)拓展方案。以專業(yè)臺(tái)與市州局共促區(qū)域性地震監(jiān)測(cè)事業(yè)發(fā)展為基點(diǎn)，與市縣防震減災(zāi)部門協(xié)同合作，共建共享，利用成都地震監(jiān)測(cè)中心站技術(shù)力量?jī)?yōu)勢(shì)和地方良好的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)資源，優(yōu)化區(qū)域監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布局，提升區(qū)域地震監(jiān)測(cè)能力。③推動(dòng)地震預(yù)警項(xiàng)目開展。組織人員開展預(yù)警項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施指導(dǎo)服務(wù)和驗(yàn)收工作，目前已完成轄區(qū)60余個(gè)站點(diǎn)的驗(yàn)收工作。待地震速報(bào)與預(yù)警項(xiàng)目建設(shè)全面完成后，成都站將承擔(dān)所轄片區(qū)內(nèi)284個(gè)預(yù)警臺(tái)共計(jì)305臺(tái)預(yù)警儀器的運(yùn)行維護(hù)工作。

2 測(cè)震觀測(cè)系統(tǒng)

成都站是龍門山地震帶和四川中北部地區(qū)唯一的多學(xué)科綜合型觀測(cè)臺(tái)站。近幾年，隨著“中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目”“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈項(xiàng)目”“中國(guó)地震局背景場(chǎng)項(xiàng)目”“汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建項(xiàng)目”“蘆山地震災(zāi)后恢復(fù)重建項(xiàng)目”以及臺(tái)站優(yōu)化改造、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)項(xiàng)目的相繼完成，成都站已建成一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施完善、觀測(cè)設(shè)備現(xiàn)代化、科研技術(shù)力量強(qiáng)勁的綜合臺(tái)站。成都站測(cè)震數(shù)據(jù)以及地磁數(shù)據(jù)均參與國(guó)際資料交換，服務(wù)于全球地震定位及地磁場(chǎng)空間變化研究。成都和松潘測(cè)震觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，觀測(cè)資料記錄連續(xù)，震相分析準(zhǔn)確，后續(xù)震相豐富，其觀測(cè)資料精度和分析水平在國(guó)內(nèi)始終處于前列，為中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)以及地震數(shù)據(jù)庫提供了大量、可靠的波形資料和震相分析資料，為地震監(jiān)測(cè)、科學(xué)研究及防震減災(zāi)事業(yè)作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。成都臺(tái)作為離5·12汶川地震最近的國(guó)家級(jí)臺(tái)站，擁有一套周期360 s的超寬頻帶地震計(jì)，所記錄的寶貴地震資料被廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外對(duì)地震的科學(xué)研究。

3 方法的MATLAB實(shí)現(xiàn)

第一步，讀取指定文件名的地震波形數(shù)據(jù)，確定參數(shù)，包括采樣頻率、地震計(jì)周期、數(shù)采轉(zhuǎn)換因子。

第二步，調(diào)用函數(shù)y=fft（x）實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換。

第三步，調(diào)用函數(shù)z=emd（x）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解，求得邊際譜和每個(gè)IMF分量及最后一個(gè)剩余分量residual的圖形。

第四步，用xt=x×C/2 000將count值轉(zhuǎn)化為速度值，其中C為數(shù)采轉(zhuǎn)化因子。然后調(diào)用mean()函數(shù)，用公式xt=xt-mean（xt）去均值。

第五步，調(diào)用pwelch()函數(shù)實(shí)現(xiàn)Welch算法，即：

式（1）中：pxx為功率譜估計(jì)值；f為得到的頻率點(diǎn)；x為進(jìn)行功率譜估計(jì)的有限長(zhǎng)序列，即上述已去均值的xt；window指所用窗函數(shù)；noverlap指重疊的點(diǎn)數(shù)；Nfft指采用的FFT算法長(zhǎng)度；Fs為采樣頻率。

第六步，用函數(shù)sys=tf（[100]，[12×0.707×pi/T/2pi×pi/（T×T）/4]）求出頻率響應(yīng)，再由函數(shù)[m p]=bode（sys，2×pi×f）求出幅值m，經(jīng)過矩陣轉(zhuǎn)置后，由公式pxx=pxx/abs（mag^2）扣除儀器響應(yīng)，再用繪出速度功率譜。其中T為地震計(jì)周期。

第七步，用db4小波對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行5層分解并提取小波系數(shù)：[c，l]=wavedec（x，5，'db4'），再用appcoef()和detcoef()求得低頻與高頻部分，隨后進(jìn)行小波消噪，之后再進(jìn)行高通濾波，本文所選擇的是IIR高通濾波器。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文截取了2016-07-15T02：00記錄于成都地震監(jiān)測(cè)中心站JCZ-1T的垂直向波形數(shù)據(jù)，時(shí)間長(zhǎng)度為300 s，包含了一個(gè)地震事件。

4.1 分析部分

由于原始波形受到嚴(yán)重的干擾，地震信息被干擾掩蓋難以分辨，如圖1所示?？焖俑道锶~變換（FFT）分析后的結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，波形數(shù)據(jù)中存在低頻、高頻的干擾，2～4 Hz的頻率區(qū)間幅度較大。在Hilbert邊際譜上，同樣存在2～4 Hz頻率區(qū)間的較大幅度反應(yīng)。這是由于2～4 Hz頻率范圍的干擾已成為成都地震臺(tái)（現(xiàn)成都地震監(jiān)測(cè)中心站）測(cè)震資料中的固有干擾[2]。

為了驗(yàn)證分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)了FIR帶阻濾波器對(duì)2～4 Hz的頻率區(qū)間進(jìn)行濾波，毛刺干擾被壓制，如圖3所示，證實(shí)了2～4 Hz頻率區(qū)間的較大幅度反應(yīng)是波形中存在毛刺的原因。

4.2 處理部分

db4小波分解的結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，低頻信號(hào)振幅與原信號(hào)更接近，而高頻信號(hào)比較集中且振幅較小，與原波形相差較大，去噪便是對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行處理。將去噪后進(jìn)行IIR高通濾波，得到最終處理結(jié)果，如圖5所示。由處理結(jié)果可知，整個(gè)處理過程中原始波形中的干擾被有效地壓制。

圖1 原始波形

圖2 FFT幅頻圖與Hilbert邊際譜

圖3 消除2～4 Hz頻率區(qū)間后的波形

圖4 db4小波分解后各層低頻、高頻信號(hào)

圖5 小波去噪及IIR高通濾波后的波形

5 認(rèn)識(shí)與討論

本文所提出的測(cè)震資料分析處理方法在地震臺(tái)站的實(shí)際應(yīng)用中，取得了良好的效果，對(duì)干擾進(jìn)行了有效的壓制。文中詳細(xì)地介紹了測(cè)震數(shù)據(jù)分析處理方法的設(shè)計(jì)原理、工作流程，核心是干擾類別的識(shí)別。測(cè)震工作人員不僅局限于地震震相的劃分，還需要對(duì)數(shù)據(jù)中存在的干擾類型進(jìn)行判斷并區(qū)分是固定干擾還是隨機(jī)干擾。

本文所提出的分析處理方法的初衷是加強(qiáng)對(duì)干擾類別的判斷與識(shí)別，以傅里葉變換、希爾伯特-黃變換以及速度功率譜作為分析判別的理論依據(jù)，小波變換和濾波器作為分析結(jié)果的驗(yàn)證手段。未來將對(duì)方法進(jìn)行軟件化，并希望在更多地震臺(tái)站進(jìn)行試用。