地震波传播介质分析方法及设备与流程

1.本发明涉及地震波传播介质研究领域，尤其涉及一种地震波传播介质分析方法及设备。


背景技术：

2.地震仪记录到的原始地震波形图是进行地震科学研究的基础，是震源、地震波传播路径、仪器响应的卷积。其中，震源的影响包括：震源位置，能量释放(震级，地震矩)，震源类型，断层几何(特征)，地震分布等；地震波传播路径的影响包括：地球(地壳，地幔，地核)结构，俯冲带，地壳分层结构，不同层的物理状态，各向异性性质，内部边界等。
3.而地球结构、俯冲带、地壳分层结构、不同层的物理状态、各向异性性质、内部边界研究等地震波传播介质研究，对于地震孕育和发展过程、防震减灾研究具有重要意义。现有技术无法从地震波形图中提取出地震波传播路径的信息。震源和仪器响应对于地震波传播介质的研究造成干扰。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种地震波传播介质分析方法及设备，用以解决现有技术中现有技术无法从地震波形图中提取出地震波传播路径的信息的问题。
5.根据本发明实施例的地震波传播介质分析方法，包括：
6.获取地震波形图，并去除所述地震波形图中的仪器效应；
7.基于小波树分解算法与信号重构算法，对去除仪器效应后的地震波形图进行再处理，以去除震源效应；
8.基于去除震源效应后的地震波形图，对地震波传播介质进行分析。
9.根据本发明的一些实施例，所述去除所述地震波形图中的仪器效应，包括：
10.对所述地震波形图进行拉普拉斯变换；
11.将拉普拉斯变换后的地震波形图除以地震仪器传递函数，以获得频率域中真实地面信号；
12.对所述频率域中真实地面信号进行拉普拉斯逆变换，以获得时间域中真实地面信号。
13.根据本发明的一些实施例，所述基于小波树分解算法与信号重构算法，对去除仪器效应后的地震波形图进行再处理，以去除震源效应，包括：
14.采用小波树分解算法，将所述时间域中真实地面信号分解为多层小波包序列，每层所述小波包序列的频率沿第一方向依次递增；
15.采用信号重构算法，沿所述第一方向，对最后一层小波包序列中的第二个小波包序列至最后一个小波包序列进行信号重构。
16.根据本发明的一些实施例，所述将所述时间域中真实地面信号分解为多层小波包序列，包括：
17.按照二叉树结构，将所述时间域中真实地面信号逐级分解为高频部分和低频部分；
18.每个分支的频带宽度为50hz/(2^n)，其中n为分解级数。
19.根据本发明的一些实施例，所述获取地震波形图，包括：
20.通过地震仪获取所述地震波形图。
21.根据本发明实施例的地震波传播介质分析设备，包括：
22.获取单元，用于获取地震波形图；
23.处理单元，用于去除所述地震波形图中的仪器效应；以及用于基于小波树分解算法与信号重构算法，对去除仪器效应后的地震波形图进行再处理，以去除震源效应；
24.分析单元，用于基于去除震源效应后的地震波形图，对地震波传播介质进行分析。
25.根据本发明的一些实施例，所述处理单元，用于：
26.对所述地震波形图进行拉普拉斯变换；
27.将拉普拉斯变换后的地震波形图除以地震仪器传递函数，以获得频率域中真实地面信号；
28.对所述频率域中真实地面信号进行拉普拉斯逆变换，以获得时间域中真实地面信号。
29.根据本发明的一些实施例，所述处理单元，用于：
30.采用小波树分解算法，将所述时间域中真实地面信号分解为多层小波包序列，每层所述小波包序列的频率沿第一方向依次递增；
31.采用信号重构算法，沿所述第一方向，对最后一层小波包序列中的第二个小波包序列至最后一个小波包序列进行信号重构。
32.根据本发明的一些实施例，所述处理单元，用于：
33.按照二叉树结构，将所述时间域中真实地面信号逐级分解为高频部分和低频部分；
34.每个分支的频带宽度为50hz/(2^n)，其中n为分解级数。
35.根据本发明的一些实施例，所述获取单元，用于：
36.通过地震仪获取所述地震波形图。
37.采用本发明实施例，通过将地震波形图中的仪器效应以及震源效应都去除，就能够获得地震波传播介质，从而可以避免在分析地球结构、俯冲带、地壳分层结构、不同层的物理状态、各向异性性质、内部边界研究等地震波传播介质时，仪器效应、震源位置、能量释放、震源类型、断层几何、地震分布等信息的干扰，能够得到地震波传播介质更准确的研究结果。有利于获得由于地震波传播路径引起的地震动结果，有利于后续进行进一步的地震波传播介质研究，有利于探索地震孕育和发展过程及防震减灾研究。
38.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
39.通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术
人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
40.图1是本发明实施例中地震波传播介质分析方法流程图；
41.图2是本发明实施例中地震波传播介质分析方法流程图；
42.图3是本发明实施例中小波包分解树示意图。
具体实施方式
43.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。另外，在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
44.参照图1所示，本发明实施例的地震波传播介质分析方法，包括：
45.s1，获取地震波形图，并去除所述地震波形图中的仪器效应；
46.s2，基于小波树分解算法与信号重构算法，对去除仪器效应后的地震波形图进行再处理，以去除震源效应；
47.s3，基于去除震源效应后的地震波形图，对地震波传播介质进行分析。
48.由于原始地震波形是震源、地震波传播路径、仪器响应的卷积，而地球结构、俯冲带、地壳分层结构、不同层的物理状态、各向异性性质、内部边界研究等地震波传播介质研究，对于地震孕育和发展过程、防震减灾研究具有重要意义。
49.采用本发明实施例，通过将地震波形图中的仪器效应以及震源效应都去除，就能够获得地震波传播介质，从而可以避免在分析地球结构、俯冲带、地壳分层结构、不同层的物理状态、各向异性性质、内部边界研究等地震波传播介质时，仪器效应、震源位置、能量释放、震源类型、断层几何、地震分布等信息的干扰，能够得到地震波传播介质更准确的研究结果。有利于获得由于地震波传播路径引起的地震动结果，有利于后续进行进一步的地震波传播介质研究，有利于探索地震孕育和发展过程及防震减灾研究。
50.在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
51.根据本发明的一些实施例，所述去除所述地震波形图中的仪器效应，包括：
52.对所述地震波形图进行拉普拉斯变换；
53.将拉普拉斯变换后的地震波形图除以地震仪器传递函数，以获得频率域中真实地面信号；
54.对所述频率域中真实地面信号进行拉普拉斯逆变换，以获得时间域中真实地面信号。
55.地震仪的传递函数h(s)可表示为：
56.h(s)＝n
·
π(s-zj)/π(s-pk),
57.其中，n为增益系数，可取为1，zj为零点，pk为极点，常见地震仪的零点与极点见下表。
58.表1.传统标准地震仪的位移传递函数对应的零点和极点
[0059][0060]
[0061][0062]
根据本发明的一些实施例，所述基于小波树分解算法与信号重构算法，对去除仪器效应后的地震波形图进行再处理，以去除震源效应，包括：
[0063]
采用小波树分解算法，将所述时间域中真实地面信号分解为多层小波包序列，每层所述小波包序列的频率沿第一方向依次递增；小波树包分解树如图3所示。
[0064]
采用信号重构算法，沿所述第一方向，对最后一层小波包序列中的第二个小波包序列至最后一个小波包序列进行信号重构。
[0065]
根据本发明的一些实施例，所述将所述时间域中真实地面信号分解为多层小波包序列，包括：
[0066]
按照二叉树结构，将所述时间域中真实地面信号逐级分解为高频部分和低频部分；
[0067]
每个分支的频带宽度为50hz/(2^n)，其中n为分解级数。
[0068]
在本发明的一些实施例中，n＝5。
[0069]
根据本发明的一些实施例，所述获取地震波形图，包括：
[0070]
通过地震仪获取所述地震波形图。
[0071]
下面参照图2-图3以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的地震波传播介质分析方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0072]
本发明实施例提出一种地震波传播介质分析方法。该方法能够利用小波树分解与信号重构，将去除了仪器响应的地震波形进行再处理，从而去除震源信息。
[0073]
参照图2所示，本发明实施例的地震波传播介质分析方法包括如下步骤：
[0074]
步骤一：将原始地震波形u(t)进行拉普拉斯变换，得到u(s)。
[0075]
步骤二：将u(s)除以地震仪器传递函数h(s)，得到频率域中真实地面信号x(s)。
[0076]
地震仪的传递函数h(s)可表示为：
[0077]
h(s)＝n
·
π(s-zj)/π(s-pk),
[0078]
其中，n为增益系数，可取为1，zj为零点，pk为极点，常见地震仪的零点与极点见表1和表2。
[0079]
步骤三：将频率域中真实地面信号x(s)进行拉普拉斯逆变换，得到时间域中真实地面信号x(t)，其中，x(t)＝s(t)*g(t)，s(t)为震源信号，g(t)为地震波路径传播效应。该值即为去除了仪器响应的真实地面信号，它是震源信号与地震波传播路径效应的卷积。
[0080]
步骤四：将时间域中的真实地面信号x(t)，分解为高频部分(近似系数)a1和低频部分(细节系数)d1。
[0081]
根据《新地震观测实践手册(第1卷)》，地震学感兴趣的地方事件的频率范围在1-100hz之间。又根据采样定理(奈奎斯特定理)，采样频率是模拟信号最高频率的两倍以上，又因为地震仪采样率通常为100hz，则地震仪记录到的模拟信号的频率最高只能到50hz，则第n层小波数分解中，每一个分支的频带宽度为50hz/(2^n)，则对于n＝5的小波树，从左至右对应的频率范围分别是0-1.56，1.56-3.32，
……
，48.42-50。由于地震波传播路径的影响可以认为仅在高频中存在，因此去除地震信号中的低频信号即为去除震源响应。
[0082]
理论上，分解层数越多，结果越精细。但由于每往下分解1层，计算量成指数增加，而理论上5层分解已经足够达到提取感兴趣的地方事件信息的要求，因此综合时间和成本效应，本发明实施例取5层分解。
[0083]
步骤五：将小波树逐级分解，直至分解到5级，得到2^5个小波包序列，见图3。该小波包序列从左到右，频率逐渐变高、细节逐渐变多。
[0084]
步骤六：选择除aaaaa5外的其余63个小波包分解序列，进行信号重构，得到时间域中去除震源信息的地面信号g(t)。
[0085]
由于地震波在各向异性介质中传播时，低频衰减很弱，震源区的微小裂隙对地震波的传播影响很小，介质可视为各向同性介质，因此，地震波传播路径的影响可以认为仅在高频中存在。
[0086]
本发明实施例利用小波变换可以通过伸缩和平移等参数获取随频率改变的时频窗口，能够对数字信号进行多尺度的时频定位分析，获取时频局部化以及非平稳信号的信息的特点，利用5层小波树将超低频的震源信息提取出来，从而达到去除震源信息，聚焦地震波传播介质研究的目的。
[0087]
与现有技术相比，本发明提出的技术方案能够有效去除震源效应，将地震信号聚焦到地震波传播的影响中，有利于地球结构、俯冲带、地壳分层结构、不同层的物理状态、各向异性性质、内部边界研究等地震波传播介质研究，对于地震孕育和发展过程、防震减灾研究具有重要意义。
[0088]
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0089]
根据本发明实施例的地震波传播介质分析设备，包括：
[0090]
获取单元，用于获取地震波形图；
[0091]
处理单元，用于去除所述地震波形图中的仪器效应；以及用于基于小波树分解算法与信号重构算法，对去除仪器效应后的地震波形图进行再处理，以去除震源效应；
[0092]
分析单元，用于基于去除震源效应后的地震波形图，对地震波传播介质进行分析。
[0093]
采用本发明实施例，通过将地震波形图中的仪器效应以及震源效应都去除，就能够获得地震波传播介质，从而可以避免在分析地球结构、俯冲带、地壳分层结构、不同层的物理状态、各向异性性质、内部边界研究等地震波传播介质时，仪器效应、震源位置、能量释放、震源类型、断层几何、地震分布等信息的干扰，能够得到地震波传播介质更准确的研究结果。有利于获得由于地震波传播路径引起的地震动结果，有利于后续进行进一步的地震波传播介质研究，有利于探索地震孕育和发展过程及防震减灾研究。
[0094]
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
[0095]
根据本发明的一些实施例，所述处理单元，用于：
[0096]
对所述地震波形图进行拉普拉斯变换；
[0097]
将拉普拉斯变换后的地震波形图除以地震仪器传递函数，以获得频率域中真实地面信号；
[0098]
对所述频率域中真实地面信号进行拉普拉斯逆变换，以获得时间域中真实地面信号。
[0099]
根据本发明的一些实施例，所述处理单元，用于：
[0100]
采用小波树分解算法，将所述时间域中真实地面信号分解为多层小波包序列，每层所述小波包序列的频率沿第一方向依次递增；
[0101]
采用信号重构算法，沿所述第一方向，对最后一层小波包序列中的第二个小波包序列至最后一个小波包序列进行信号重构。
[0102]
根据本发明的一些实施例，所述处理单元，用于：
[0103]
按照二叉树结构，将所述时间域中真实地面信号逐级分解为高频部分和低频部分；
[0104]
每个分支的频带宽度为50hz/(2^n)，其中n为分解级数。
[0105]
根据本发明的一些实施例，所述获取单元，用于：
[0106]
通过地震仪获取所述地震波形图。
[0107]
需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0108]
另外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。不应将位于括号之内的任何参考符号构造成对权利要求的限制。