基于PS12臺陣的微弱爆炸信號識別技術*

郝春月，李 麗，鄭 重

(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

基于PS12臺陣的微弱爆炸信號識別技術*

郝春月，李 麗，鄭 重

(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

對GSN臺網的HIA地震臺站與CTBTO/IMS的PS12地震臺陣記錄的2007年12月11日河北懷來“明燈1號”爆炸及2006年10月9日朝鮮爆炸事件進行對比分析。結果顯示：PS12臺陣子臺監測的P波信噪比提高至普通臺站監測的P波信噪比的4.6倍；利用聚束技術進一步壓低噪聲后，PS12臺陣聚束信號的信噪比提高至單個鉆井臺站的3倍，比普通HIA臺站記錄的地震信號信噪比高10多倍。研究結果表明，鉆井小孔徑臺陣可高效提高微弱信號的檢測能力。

微弱爆炸信號；地震臺陣；HIA；PS12；信噪比；聚束技術

當前對爆炸產生的地震波研究較多[1-4]，而對微弱爆炸信號研究相對較少。微弱地震信號的識別與定位對于秘密核試驗監測、區域地震構造研究以及地震危險性估計都非常重要。為了給核禁試提供核查手段，1958年日內瓦裁軍談判特設的科學專家組提出了建設地震臺陣以監測與識別遠處地下核試驗的構想。地震臺陣是指將包括很多地震計的地震設備不連續地排列在一個設計精良的布局上[5]，可以用射電天文學和雷達科學中的天線臺陣的基本數學原理予以分析[6]。像高倍望遠鏡對現代天文學的影響一樣，地震臺陣對地震學也有著極其重要的影響。相比于單獨的地震臺站，地震臺陣的主要優點之一是可以通過對臺陣子臺的單獨記錄進行疊加而提高信噪比(SNR)。另外，地震臺陣還可以確定地震信號的方向信息，也就是說，地震臺陣可以對地震事件進行定位。

位于中國海拉爾的國際監測系統(IMS)PS12臺陣于2001年建成并運行。該臺陣地處內蒙古自治區陳巴爾虎旗的三八牧場，有9個子臺，呈雙環形分布，孔徑約3 km，各子臺的地震儀均放置于地下40～50 m的鉆井中。為了研究PS12臺陣的實際功效，利用距PS12臺陣30 km處的HIA臺站進行對比分析。HIA臺站同屬于全球地震臺網(GSN)和中國數字地震臺網(CDSN)。選取的爆炸事件是2007年12月11日19時(國際時間)發生在河北省懷來縣的“明燈1號”爆炸事件和2006年10月9日凌晨(國際時間)在朝鮮發生的爆炸事件(見圖1)。

1 PS12臺陣和HIA臺站的記錄波形

1.1HIA臺站對兩次爆炸事件的記錄波形

對于背景噪聲一般的臺站，在1 000 km震中距處能夠記錄到里氏震級ML為4.0及以上的地震[7]。2007年12月11日19時在河北省懷來縣發生的“明燈1號”爆炸震級為2.8，HIA臺站距離爆炸地點約1 039 km，一般情況下HIA臺站記錄不到“明燈1號”爆炸信號。圖2顯示了HIA臺站記錄的2007年12月11日19時的波形信息，其中圖2(a)為未經濾波的寬頻帶信號，圖2(b)為經過0.5～6.0 Hz濾波的波形，其中“Z”“N”“E”分別表示垂直向、北南向和東西向?？梢钥闯?，原始波形與濾波波形沒有記錄到任何信號。實際情況與理論分析相符，即HIA臺站無法記錄1 000 km以外的里氏震級為2.8的地震/爆炸事件。

2006年10月9日發生的朝鮮爆炸距離HIA臺站1 140 km，體波震級Mb為4.3。在HIA臺站測得的未經濾波處理的寬頻帶波形數據中，找不到朝鮮爆炸信號，如圖3(a)所示；而經過0.5～6.0 Hz頻段濾波后，隱約可見該事件波形，如圖3(b)所示，其中Z向P震相的信噪比為1.5，E向P震相初動埋入噪聲，N向無法確定P震相和其他震相。

1.2PS12臺陣對兩次爆炸事件的記錄波形

根據經驗，如果HIA臺站無法記錄“明燈1號”爆炸，那么比HIA臺站遠30 km的PS12臺陣就更記錄不到了。然而實際上PS12臺陣的各個子臺都隱約記錄到了“明燈1號”爆炸[8]，如圖4所示，其中每道波形左上角均標有臺陣子臺名稱。由于PS12臺陣為鉆井臺陣，各子臺的深度在45 m左右，井下臺站擺脫了地面上大部分人文高頻噪聲，使背景噪聲很低，從而記錄到原本無法記錄的微弱地震信號。

PS12臺陣記錄的2006年10月9日發生的朝鮮爆炸波形如圖5所示。PS12臺陣各子臺均是垂直向短周期(0.5～16.0 Hz)記錄?？梢钥闯?，只有6個子臺清晰地記錄了該事件。各子臺記錄的朝鮮爆炸事件波形的信噪比平均值為7。雖然HIA臺站距離朝鮮爆炸地點更近一些，但是所記錄的該事件波形信噪比僅為1.5左右(見圖3(b))。以此事件為例，PS12鉆井地震臺站的信噪比提高至一般地震臺站信噪比的4.6倍。由于各地區的地質差異，該倍數關系并不標準，但是毫無疑問，鉆井臺站能夠有效降低背景噪聲，且效果顯著。

2 聚束技術概述

2.1聚束概念的提出

地震臺陣自20世紀60年代開始發展以來，給地震學帶來了新的沖擊。一個由許多相同地震儀組成、設計精良、空間分布緊密的臺陣所產生的地震記錄，可提供高質量、相似的數據集，用以研究精細地球結構。除了對單個臺陣記錄進行簡單相加以提高信噪比以外，還開發出了許多特殊的臺陣技術，如聚束技術、傾斜疊加技術、頻率-波數分析等。

聚束技術就是把臺陣各子臺記錄的波形進行疊加。如果波形疊加時不考慮各子臺的時間延時，則P波初動將會被壓制；如果波形疊加前對所有子臺記錄進行時間調整，以對齊參考臺的P波初動，則由于信號彼此之間存在相關性，疊加后即可得到最大振幅，不相關的能量得以壓制。

2.2聚束定義

臺陣聚束是分離記錄信號的相關部分與不相關部分的基本方法[9]。它利用特定的慢度與方位角組合所對應的各個子臺的不同走時，給出一個方位角和慢度組合，假如各子臺波形移動一定的時間偏移量，那么所有具有相同反方位角和慢度的信號將全部相加。聚束就是利用一組能夠確定地震位置的參數，即慢度和方位角，計算各子臺之間的到時差，從而對各子臺波形進行調整，然后再疊加的過程。

設臺陣中第i個子臺的位置矢量為ri，絕對值|ri|表示從臺陣中心到第i個子臺的距離。臺陣中心可以是一個中心儀器，也可以是臺陣的幾何中心。對于由臺陣中心臺站記錄的含有信號f(t)和噪聲ni(t)(方差為σ2)的初動波場，其時間序列為：

由于臺陣子臺處于不同的位置，因此每個子臺的初動波前具有不同的走時。走時差與波前慢度及傳感器位置有關。因此位置為ri的臺站i所記錄的時間序列為：

式中：uhor表示水平慢度矢量。經過時間校正的信號序列可由下式計算：

對一個擁有M個子臺的臺陣進行延時相加，得到的聚束記錄可由下式計算：

噪聲的壓制與用于數據處理的子臺個數有關。對于一個含有M個子臺的臺陣，假設每個子臺的信號f(t)完全相關，而噪聲ni(t)完全不相關，則臺陣的信噪比sa與其子臺信噪比s的關系可以由一個很好的近似表達式[10]表示：

2.3臺陣聚束技術的發展與應用

臺陣聚束技術是利用慢度與方位角組合形成的時間延遲作為疊加基礎，由此而衍生出的頻率-波數(F-K)分析技術。具體的處理過程為：給定一個慢度域，慢度域中的坐標為后方位角和慢度組合，對每個點進行聚束計算，錯誤的坐標給出低疊加能量，正確的坐標給出最高疊加能量，從而認定得到最高疊加能量的后方位角和慢度為該事件的定位值。因為慢度與震中距具有一一對應關系，所以該組合值可以定位地震事件。另外，臺陣聚束技術(波形疊加)要求臺陣子臺波形必須相似，即子臺波形的相關性好，這使得聚束法很難用于臺站設備不統一的臺網和大孔徑臺陣。

雙聚束法(double beam method, DBM)是聯合震源序列和接收臺陣解決地球結構問題[11-13]的一種方法。根據格林函數原理，震源序列也可以應用固定臺陣技術增大信噪比，因此將震源序列與固定臺陣相結合的雙聚束法將有效增大信噪比?；写癋-K分析[14]中，一固定寬度的短時間窗隨著地震圖以固定步長移動，在每個時間窗中，計算一個標準的F-K分析；F-K分析結果，也就是每個時間窗中產生最大能量的慢度和反方位角以及信號的相干性信息被存儲起來。這就把臺陣記錄轉換為相干性、慢度與反方位角的時間序列信息。

3 利用聚束技術提高PS12臺陣信噪比

圖4中最后一道波形為PS12臺陣經過聚束分析后獲得的“明燈1號”波形?？梢钥闯?，此波形的噪聲明顯降低，信噪比得以提高。由于9個子臺中只有1個子臺沒有數據，所以通過聚束分析使信噪比提升至單個臺站的81/2倍，即2.8倍。從普通臺站的無法記錄，到深井觀測的隱約信號，再到隱約信號信噪比提升至2.8倍，由此可見小孔徑鉆井臺陣檢測微弱爆炸信號的巨大潛能。

對于2006年的朝鮮爆炸事件，PS12臺陣中有6個子臺記錄正常，獲得的聚束波形信噪比提高至單個臺站的61/2倍，即2.4倍，如圖6所示。圖6中，最后一道波形為聚束波形，前6道波形分別為6個子臺記錄的P震相?？梢?，最后一道波形的信噪比明顯增大。從普通臺站的隱約記錄，到深井臺陣各子臺信噪比為7的清晰記錄，再到利用聚束技術將信噪比提升至2.4倍(如果所有子臺均記錄良好，則可提升至子臺信噪比的3倍)，是普通臺站信噪比的16.8倍，再次顯示出小孔徑鉆井臺陣的巨大優勢。

4 爆炸事件定位

4.1HIA臺站的定位能力

HIA為一個三分向寬頻帶地震臺站。三分向臺站定位的方位角殘差的標準偏差很大，可達20°；而一般短周期臺陣定位方位角殘差的標準偏差為10°～15°，短周期臺陣定位遠震的方位角殘差的標準偏差可小于10°[15]。所以一般而言，三分向寬頻帶地震臺站僅作為參考參與地震臺網的地震定位。

4.2PS12臺陣對兩次爆炸事件的定位

F-K分析是臺陣定位的一種主要方法，能夠同時計算全部慢度矢量(即反方位角θ和水平慢度u，習慣稱反方位角為方位角)，即同時計算地震波在不同慢度和不同反方位角上的能量分布。若信號的反方位角和慢度未知，則利用網格搜索法找到最優的u和θ組合，使延時相加的信號產生最高的振幅。為節省計算時間，此計算在譜域進行。

臺陣記錄的總能量E可以通過下式表示：

式中：S(ω)為信號序列S(t)的傅里葉變換；N為臺陣子臺數；k為波數矢量；k0為u0的波數矢量。式(6)還可以寫成：

式(8)即為臺陣的響應函數(ARF)。

根據圖7，PS12臺陣對“明燈1號”爆炸的定位信息為：方位角θ=203.20°，慢度u=10.97 s/°?！懊鳠?號”爆炸為人工爆炸，爆炸位置已知，根據已知爆炸位置和PS12臺陣中心臺的位置，可計算理論方位角和理論慢度，分別為198.85°和13.70 s/°。利用PS12臺陣遠震校正模型對F-K分析值進行校正，可獲得校正方位角和校正慢度，分別為198.46°和11.69 s/°。

根據圖7，PS12臺陣對2006年10月9日朝鮮爆炸事件的定位信息為：方位角θ=141.71°，慢度u=11.62 s/°。朝鮮爆炸事件的位置信息采用美國地質調查局(USGS)國家地震信息中心(NEIC)發布的地震目錄(PDE)，據此可得出朝鮮爆炸事件的理論方位角和理論慢度，分別為138.04°和13.69 s/°。利用PS12臺陣遠震校正模型對F-K分析值進行校正，可獲得校正方位角和校正慢度，分別為139.44°和12.59 s/°，如表1所示。

表1 PS12臺陣對兩次爆炸事件的定位Table 1 Location of two explosions recorded by PS12 seismic array

PS12臺陣對兩次爆炸事件的定位結果表明，小孔徑環形臺陣表現出方位角分辨率較強的優勢，但在慢度上存在一定偏差，雖然經過校正在一定程度上補償了慢度值，但是與理論慢度值仍存在差距。這是因為本研究應用的校正模型是針對震中距為30°～90°的遠震模型，而兩次爆炸事件距離PS12臺陣在10°左右，屬于區域震范疇。區域震校正模型將是本課題組下一步的工作重點。除了建立區域震校正模型，對于某些特定地區，還可以根據該地事件進行定點校正。

臺陣的主要目的是檢測微弱信號。最大限度地利用臺陣自身優勢檢測普通臺站無法檢測到的信號，再利用各種校正方法，使定位結果逼近研究區域是完全可行的。

5 結 論

(1) PS12小孔徑臺陣在震中距比HIA三分向寬頻帶臺站遠30 km的情況下，各子臺隱約記錄到“明燈1號”爆炸事件，并清晰記錄到2006年10月9日的朝鮮爆炸事件，說明鉆井地震臺可有效降低背景噪聲，突出有用信號，相比于HIA三分向寬頻帶臺站，在某些情況下可將信噪比提高至單個臺站的4.6倍(2006年10月9日朝鮮爆炸事件)，在某些情況下可以檢測到寬頻帶地震臺檢測不到的信號(“明燈1號”爆炸)。

(2) 利用臺陣聚束方法壓低噪聲，對于“明燈1號”爆炸事件，PS12臺陣有8個子臺記錄，信噪比提升至單個子臺記錄的2.8倍；對于朝鮮爆炸事件，PS12有6個子臺清晰記錄，信噪比提升至單個子臺信噪比的2.4倍，如果9個子臺全部記錄，則可將信噪比提升至單個子臺的3倍。

(3) HIA三分向寬頻帶臺站的定位能力(即單臺定位能力)較弱，而PS12臺陣可以單獨定位，并可根據相應的校正模型較準確地定位。

(4) 通過分析兩個震中距在1 000 km左右的爆炸事件，結果顯示，PS12鉆井小孔徑地震臺陣實現了1 000 km處檢測并定位里氏震級2.8級地震事件的先例，在相同距離內記錄的波形信噪比是普通臺站的10多倍。對諸如“明燈1號”爆炸等千公里外普通臺站無法記錄到的事件，PS12鉆井小孔徑地震臺陣在千公里外能夠記錄并分析；對于諸如2006年10月9日朝鮮爆炸等千公里外普通臺站記錄震相不清晰的事件，PS12鉆井小孔徑地震臺陣在千公里外能夠獲取信噪比較高的信號，并可實現定位分析。

對微弱爆炸信號信噪比的兩次提升(第一次是鉆井本身，第二次是利用臺陣聚束技術)，證明了鉆井小孔徑臺陣強大的檢測能力。在武器小型化、國防科技飛躍發展的今天，小孔徑鉆井臺陣對于提升核偵查能力具有至關重要的作用。

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Abstract: In this paper, we analyzed the waveforms of the two explosions that occurred on Dec.11, 2007 and Oct.9, 2006 as recorded using the HIA seismic station and the PS12 borehole seismic array. The results show that a borehole station can raise the signal-to-noise ratio (SNR) of the P waves to 4.6 times that of the common station at the same distance. With the beamforming technique, the SNR of the beamforming waveform from the PS12 is 3 times that from the single borehole station and over 10 times than that of the waveform recorded by the HIA. So the PS12 borehole seismic array can effectively improve the SNR of weak signals.

Keywords: weak explosion signals; seismic array; HIA; PS12; signal-to-noise ratio; beamforming technique

(責任編輯 王 影)

RecognitiontechnologyforweakexplosionsignalsbasedonPS12boreholeseismicarray

Hao Chunyue, Li Li, Zheng Zhong

(InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration, 100081Beijing,China)

O381國標學科代碼13035

A

10.11883/1001-1455(2017)05-0822-07

2016-03-04；

2016-05-26

國家自然科學基金項目(41474114)

郝春月(1973-)，女，碩士，副研究員；

李 麗，lilygrace@cea-igp.ac.cn。