一种基于非均匀噪声场的地震仪方位角测量方法及系统

本发明属于地震仪方位角测量，具体涉及一种基于非均匀噪声场的地震仪方位角测量方法及系统。

背景技术：

1、三分量地震波探测是全球震源机制研究、能源与资源深部开发监测的核心技术手段。这些技术的成功应用依赖于地震仪水平分量方位角的准确确定。虽然光纤陀螺仪可以准确的测量真北方向以指导地震仪的布设，但造价昂贵且设备沉重，难以广泛应用。实际地震仪布设中，通常将地震仪的n分量平行于电子罗盘所指示的磁北方向。但是，电子罗盘测量的磁北方向会受到地震仪附近铁磁性物质的显著影响。而高纬度地区磁北方向与真北方向存在系统偏差，某些区域的偏差角甚至大于40度。因此，上述方法难以满足水平分量方位角准确测量的要求。

2、相对于上述方法，利用三分量地震仪记录的地震信号测量水平分量方位角是一种实施效率高的方法。已有技术基于三分量地震仪记录的天然地震事件提取p波或者rayleigh波的极化轨迹以测量地震仪的水平分量方位角，但此技术需要长时间观测才能收集足够数量的大地震事件以得到可靠的地震仪水平分量方位角测量结果（stachnik etal., 2012; wang et al., 2016）。鉴于此问题，后续有学者提出基于任意两个地震仪观测的背景噪声计算它们的互相关函数，再从互相关函数中提取rayleigh波极化特征确定地震仪的水平分量方位角（zha et al., 2013; xu et al., 2018; yang et al., 2020）。但该技术要求噪声源均匀分布（弥散场），此时互相关函数中rayleigh波信号的传播方向，即径向（r）方向，与两个地震仪的方位角平行。实际情况中，无论由海水运动产生的相对低频的噪声，还是人文活动产生的相对高频的噪声，其噪声源分布在短时间内难以满足弥散场假设，通常呈现高度集中分布。互相关函数中rayleigh波信号的径向方向与理论假设存在显著偏差，地震仪水平分量方位角测量结果会受到噪声源分布的显著影响，理论上最大可能导致近90度的水平分量方位角的测量误差。因此，急需一种在非均匀分布的噪声场中仍能准确测量地震仪水平分量方位角的方法。该方法对于短期布设的陆地密集台阵、海底obs台阵等应用场景具有重要的实用价值。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于非均匀噪声场的地震仪方位角测量方法及系统，旨在通过时间域分段的多分量互相关计算、噪声源方位角分析、单方向噪声源筛选、rayleigh波极化分析等可量化操作，实现了非均匀噪声场下基于噪声互相关法的地震仪水平分量方位角识别。无需人工源、亦不需要噪声源均匀分布要求即可实现地震仪水平分量的方位角测量。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于非均匀噪声场的地震仪方位角测量方法，所述方法包括：

4、获取阵列式分布的三分量地震仪的连续观测数据；

5、基于所述连续观测数据，计算每一个时间分段的每一个地震仪三分量与其余地震仪垂直分量的互相关函数；

6、利用每一个时间段的所有垂直-垂直分量互相关函数，基于聚束分析技术计算噪声源方位角分布；

7、筛选同一单方向强噪声源的时间段，叠加所述时间段所有分量的互相关函数，并确定rayleigh波的径向方向；

8、基于所述时间段所有分量的互相关函数与rayleigh波的径向方向，在0-360度范围内计算待测地震仪与其余地震仪的径向-垂直分量与垂直-垂直分量互相关函数的相关系数；

9、基于所述相关系数，通过阈值直接利用统计分析确定待测地震仪的水平分量方位角。

10、优选的，基于所述连续观测数据，计算每一个时间分段的每一个地震仪三分量与其余地震仪垂直分量的互相关函数的方法包括：

11、；

12、；

13、；

14、其中，、、分别为地震仪a经过预处理后的水平1、2分量与垂直分量的波形数据，为地震仪b经过预处理后的垂直分量的波形数据，、、分别为地震仪b的垂直分量与地震仪a的水平1、2分量与垂直分量的互相关函数，

t代表时间域的每一个时刻。

15、优选的，利用每一个时间段的所有垂直-垂直分量互相关函数，基于聚束分析技术计算噪声源方位角分布的方法包括：

16、假设平面波的频率为

f，速度为

v，入射方向的反方位角为，即以正n方向为起始顺时针旋转至平面波入射方向的反方向的夹角，地震仪的平面波响应为：

17、；

18、其中，为从参考点指向一个地震仪的位置矢量，表示以入射平面波的方向余弦为分量的单位向量，为平面波入射方位角的方向余弦，参考点设置为所有台站的平面坐标的平均值，

i为虚数符号，聚束输出为：

19、；

20、其中，为所有地震仪对之间的互相关函数以特定的进行相位校正后的叠加能量，为地震仪

j关于特定的平面波响应的复数共轭，为地震仪

i的平面波响应，n为阵列式地震仪的数量；、分别表示参考点指向地震仪

i与地震仪

j的位置矢量，*表示复数共轭，为地震仪

i与地震仪

j的互相关函数的傅里叶谱；

21、对于给定频率，遍历平面波可能的传播方位角即0-360度和速度即0.1-4.5 km/s，分别对多台地震仪所有z-z分量互相关函数中的信号进行相位校正，然后求和再取模，匹配的方位角和速度进行相位校正对应于信号的相长干涉，得到不同频率的噪声强度的方位角分布特征。

22、优选的，筛选同一单方向强噪声源的时间段，叠加所述时间段所有分量的互相关函数，并确定rayleigh波的径向方向的方法包括：

23、对于每一个时间分段的噪声源方位角分布结果，通过寻找最大噪声能量对应的方位角确定该时间段的优势噪声源方位角；

24、以优势噪声源方位角为基准，10度以内设为优势窗；

25、将优势窗内的能量最大值除以非优势窗内的能量最大值定义为噪声源方位角分布的集中程度

r；

26、根据实际情况对

r设定阈值，将所有噪声源方位角分布集中程度较高的时间分段筛选出来；

27、从筛选出来的时间分段中选择优势噪声源方位角接近的时间段，具体的筛选方式为从0度到360度进行遍历搜索，以每一个待搜索角度为基准，统计优势噪声源方位角在其3度以内的段数；

28、满足条件的段数最多的待搜索角度的反方位角为后续rayleigh波极化分析中的径向方向。

29、优选的，在0-360度范围内计算待测地震仪与其余地震仪的径向-垂直分量与垂直-垂直分量互相关函数的相关系数的方法包括：

30、以真n或者真e方向为起始，其中，n方向、e方向分别为未做水平分量方位角校正的北分量和东分量，即水平1分量、2分量，分别逆时针旋转至1分量或者2分量的夹角，具体公式为：

31、；

32、；

33、其中，为待搜索角度，为水平2分量与径向方向的夹角，是地震仪水平分量方位角，对从-180度到180度进行遍历，分别得到对应的；为对应的待测地震仪r分量与其余地震仪z分量的叠加互相关函数，、分别为地震仪b的垂直分量与待测地震仪a的水平1、2分量的叠加互相关函数；

34、基于对应的待测地震仪r分量与其余地震仪z分量的互相关函数，判断rayleigh波有效信号出现在互相关函数的正半支或是负半支，公式为：

35、；

36、其中，为地震仪b到待测地震仪a的距离矢量，为rayleigh波径向方向的方向余弦，为在径向方向的投影，如果小于0，不做任何改变；如果大于0，则将和进行逆序排列；

37、对于待测地震仪与其它任何地震仪组成的地震仪对，计算逆序排列后的与基于不同的合成的的相关系数。

38、优选的，对于待测地震仪与其它任何地震仪组成的地震仪对，计算逆序排列后的与基于不同的合成的的相关系数的方法包括：

39、对进行希尔伯特变换以实现相位校正，具体公式为：

40、；

41、其中，是相位校正后的r-z分量的叠加互相关函数，

im指虚部，

h是希尔伯特变换的算子；

42、计算与的相关系数：

43、

44、

45、其中，是零滞后的

x与

y之间的互相关函数，-

t到

t为互相关函数的完整时间范围，、为两种相关系数，皆是与地震仪水平分量方位角有关的函数，的最大值对应的为此地震仪对的互相关函数测量的水平分量方位角，的最大值为对应的质量控制参数。

46、本发明还提供了一种基于非均匀噪声场的地震仪方位角测量系统，所述系统用于实现前述的方法，所述系统包括：数据获取模块、互相关计算模块、聚束分析模块、单源叠加模块、方位扫描模块、方位定标模块；

47、所述数据获取模块，用于获取阵列式分布的三分量地震仪的连续观测数据；

48、所述互相关计算模块，用于基于所述连续观测数据，计算每一个时间分段的每一个地震仪三分量与其余地震仪垂直分量的互相关函数；

49、所述聚束分析模块，用于利用每一个时间段的所有垂直-垂直分量互相关函数，基于聚束分析技术计算噪声源方位角分布；

50、所述单源叠加模块，用于筛选同一单方向强噪声源的时间段，叠加所述时间段所有分量的互相关函数，并确定rayleigh波的径向方向；

51、所述方位扫描模块，用于基于所述时间段所有分量的互相关函数与rayleigh波的径向方向，在0-360度范围内计算待测地震仪与其余地震仪的径向-垂直分量与垂直-垂直分量互相关函数的相关系数；

52、所述方位定标模块，用于基于所述相关系数，通过阈值直接利用统计分析确定待测地震仪的水平分量方位角。

53、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

54、本发明通过将时间域的连续观测数据分段处理，直接寻找具有单方向强噪声源的时间段。并根据单方向强噪声源的方位角确定rayleigh波的径向方向，利用修正的rayleigh波极化分析技术确定地震仪水平分量方位角。本发明所提出方法可以显著提高短期密集地震仪阵列的水平分量方位角的测量精度。

55、本发明仅需较短时间的地震仪观测记录，就可显著提高噪声源非均匀分布情况下地震仪的水平分量方位角的测量精度。本发明将大幅提高地震仪在震源机制研究、能源与资源开发监测中的三分量地震观测数据的预处理精度。