一种水声台站监测信号到时区间估算方法与流程

本发明属于水声监测
技术领域：
，具体涉及一种水声台站监测信号到时区间估算方法。
背景技术：
：水声监测技术是监测水面和水下爆炸事件的有效技术手段，由于水声信号传输过程中信号能量损失低，公斤级的水下爆炸产生的水声信号亦能被数千公里外的水声台站记录到；同时水声台站对海洋和沿海地区的地震事件也有很强的监测能力。台网关联是利用多个台站记录的信号确定事件源项位置和发生时间的重要步骤，判断信号是否来源于某个事件的依据主要包括信号到时和方位角，对于水声信号而言，主要考虑信号到时是否与理论走时相匹配。水声台站记录的信号除水声信号外，还包括各类地震震相。如果能建立一种水声台站监测信号到时区间估算方法，在精确控制信号到时区间的同时，又能确保各类声相不被遗漏，则对于提高水声信号参与事件关联的准确性、信号关联率，降低漏关联率和误关联率，提高水声数据综合处理能力具有重要的应用价值。技术实现要素：本发明提供一种水声台站监测信号到时区间估算方法，要解决的技术问题是：针对地震台网记录的地震事件，确定水声台站可能监测到的信号类型及信号的走时区间，从而为地震事件关联水声台站记录信号提供精准的走时依据，解决了不同类型水声信号与地震事件无法准确关联的问题。为了解决以上技术问题，本发明提供了一种水声台站监测信号到时区间估算方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、筛选并确定水声台站参与事件定位的声相类型，包括水声台网关联形成的事件、水声台站与地震台站联合关联的地震事件；选取参与事件关联次数比较多的几个声相进行分析；s2、对水声台站参与关联的历史事件及关联声相进行分析，按照上述多个声相，依次提取出每个声相对应的事件发生时刻tei,j，关联声相到时tai,j，台站至事件震中距di,j，其中i表示第i个事件，j表示第j个声相，1≤j≤11；根据上述参数计算信号单位距离传输时间，即慢度tti,j：tti,j＝(tai,j-tei,j)/di,js3、对每个声相，在确保95％信号有效的情况下，确定各自慢度区间；s4、对于某个待关联水声台站的事件，其发生时间为tevent，发生位置为[latevent,lonevent]，待关联水声台站的位置为[latsta,lonsta]，事件至台站的震中距为dist；根据s3确定的各声相慢度区间，按照每种声相的有效震中距区间，确定震中距为有效声相，并且从根据有效声相对应的慢度区间函数，计算此时慢度的下限值s_minm与上限值s_maxm，其中1≤m＜声相个数；s5、对s4中获得的多组慢度区间[s_minm，s_maxm]进行合并，若两组或者多组慢度区间有重叠的，则取慢度区间的合集，最终获得一个或多个互不重叠的独立慢度区间[ss_mink,ss_maxk]，其中1≤k≤m；s6、利用慢度区间和震中距计算信号到时区间：有益效果：本发明采用不同声相信号走时区间分段多阶函数描述的方法，确立了参与水声事件关联的11种声相的信号慢度区间。而后根据事件的震中距和各声相的有效传输距离，确定水声台站可能记录到的信号声相和对应的慢度区间，对筛选计算出的慢度区间取合集；而后根据将确立的多个慢度区间阈值乘以震中距，结合事件发生时间即可确定信号传输走时和到达水声台站的到时区间，该方法对于实现水声信号关联具有重要价值。本发明进行了水声台站记录信号慢度区间计算，提出了确切的计算函数，能满足水声台站记录的常规声相信号走时及信号到时区间计算。该方法以实际观测数据以依据，确保了95％以上事件符合本方法所述慢度区间。本发明实现了国际监测系统水声台站监测信号到时区间的有效估算，对于分析海上地震事件或火山喷发事件产生的水声信号，确定信号到时与识别，进行水声台站记录不同声相与地震事件的准确关联具有重要的实际应用价值。附图说明图1t声相慢度分布及慢度区间函数曲线图2p声相慢度分布及慢度区间函数曲线图3pn声相慢度分布及慢度区间函数曲线图4pkp声相慢度分布及慢度区间函数曲线图5sn声相慢度分布及慢度区间函数曲线。具体实施方式为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。本发明提出的一种水声台站监测信号到时区间估算方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、筛选并确定水声台站参与事件定位的声相类型，包括水声台网关联形成的事件、水声台站与地震台站联合关联的地震事件。经分析各类地震震相均有可能被水声台站记录到，选取参与事件关联次数比较多的h、t、p、pn、pg、pkp、pkpab、pkpbc、sn、s、lg等11个声相作为分析重点，其余零星记录的声相不作考虑；s2、对水声台站参与关联的历史事件及关联声相进行分析，按照上述11个声相，依次提取出每个声相对应的事件发生时刻tei,j，关联声相到时tai,j，台站至事件震中距di,j，其中i表示第i个事件，j表示第j个声相，1≤j≤11；根据上述参数计算信号单位距离传输时间，即慢度tti,j：tti,j＝(tai,j-tei,j)/di,j(1)s3、对每个声相，在确保95％信号有效的情况下，根据s2得到的慢度确定各自慢度区间：s3.1h相慢度区间主要分布在74.879秒/度附近(海面声速1485m/s)，但略微偏大，在震中距200°以内，设置h声相的慢度区间为[74.577.5]，单位为秒/度；s3.2t相慢度区间采用两段法进行设置，其中震中距x大于50°时慢度上下限函数为两条倾斜直线，小于50°时慢度上下限函数为由五阶拟合函数取指数获得，具体如下：①当震中距x大于50°时，慢度区间上限、下限分别为：②当震中距x小于50°时，慢度区间上限、下限分别为：y1＝-0.00000000156x5+0.00000033345x4-0.000026788x3+0.001007918x2-0.018503147x+2.0495375(3)y2＝-0.000000000613x5+0.00000015475x4-0.000014065x3+0.0005271197x2-0.0053286686x+1.785608(4)图1为t相信号不同震中距事件情况下慢度值tt，及由方程2、方程5所描述的函数曲线。s3.3水声台站记录远震事件的主要p声相，该声相的慢度区间采用三段法描述，当震中距x大于30°且小于103°时采用倾斜直线描述，当震中距x大于2.5°且小于30°时慢度上下限函数为由五阶拟合函数取指数获得，震中距x小于2.5°时采用固定慢度区间。①当震中距x大于30°且小于103°时，慢度区间上限、下限分别为：②当震中距x大于2.5°且小于30°时，慢度区间上限、下限分别为：y21＝-0.000000027x5+0.000003699x4-0.00018591x3+0.004165x2-0.042825x+1.32(7)y22＝-0.000000013x5+0.000001898x4-0.00010082x3+0.00241034x2-0.0287225x+1.21(8)③当震中距x小于2.5°时，慢度区间为[14.335]。图2为p声相信号不同震中距事件情况下慢度值tt，及由方程6、方程9所描述的函数曲线。s3.4pn相慢度区间采用两段法描述，当震中距x大于6°且小于17°时采用倾斜直线描述，当震中距x小于6°时慢度上下限函数为由五阶拟合函数取指数获得。①当震中距x大于6°且小于17°时，慢度区间上限、下限分别为：②当震中距x小于6°时，慢度区间上限、下限分别为：y31＝-0.00009431x5+0.00298724x4-0.0358849x3+0.20553619x2-0.577107x+1.89684(11)y32＝-0.0001325x5+0.0038088x4-0.041544x3+0.2151434x2-0.5215421x+1.5365(12)图3为pn声相信号不同震中距事件情况下慢度值tt，及由方程10、方程13所描述的函数曲线。s3.5pg声相慢度区间，在震中距2°以内，设置pg震相的慢度区间为[1721]。s3.6pkp声相在震中距115°-180°范围内，慢度区间采用倾斜直线描述：图4为pkp声相信号不同震中距事件情况下慢度值tt，及由方程14所描述的函数曲线。s3.7pkpab声相在震中距150°-180°区间，设置pkpab震相的慢度区间为[7.38]。s3.8pkpbc声相在震中距145°-155°范围内，慢度区间采用倾斜直线描述：s3.9sn声相慢度下限采用固定值，即sny2＝23.5。上限采用三段描述法，当震中距x小于1.5°时采用固定值，震中距x大于1.5°且小于8°时为由五阶拟合函数取指数获得，当震中距x大于8°且小于17°时采用固定值。①当震中距x小于1.5°时，慢度上限sny1＝50；②当震中距x大于1.5°且小于8°时，慢度上限sny1为：y41＝-0.000031988x5+0.000757187x4-0.007186131x3+0.037428381x2-0.12710012x+1.67332237(16)sny1＝10y41+0.1(17)③当震中距x大于8°且小于17°时，慢度上限sny1＝26.8。图5为pn声相信号不同震中距事件情况下慢度值tt，及慢度区间函数曲线。s3.10s声相慢度下限采用固定值，即sy2＝23.5。上限采用三段描述法，当震中距x小于1°时采用固定值，震中距x大于1°且小于6°时为由五阶拟合函数取指数获得，当震中距x大于6°且小于17°时采用固定值。①当震中距x小于1°时，慢度上限sy1＝50；②当震中距x大于1°且小于6°时，慢度上限sy1为：y51＝-0.00003076x5+0.00130563x4-0.01866942x3+0.12200246x2-0.3867x+1.92925(18)sy1＝10y51-0.2(19)③当震中距x大于6°且小于17°时，慢度上限sy1＝26.2s3.11lg声相在震中距4°以内，设置lg震相的慢度区间为[2936]；单独确定每个声相慢度的上下限，针对性强，能把尽量多的信号包含在内，同时排除误干扰；s4、对于某个待关联水声台站的事件，其发生时间为tevent，发生位置为[latevent,lonevent]，待关联水声台站的位置为[latsta,lonsta]，事件至台站的震中距为dist。将dist代入步骤s3.1-s3.11的x中，按照每种声相的有效震中距区间，确定震中距为有效声相，并且从根据有效声相对应的慢度区间函数，计算此时慢度的下限值s_minm与上限值s_maxm，其中1≤m＜11；s5、对步骤4中获得的慢度m组慢度区间[s_minm，s_maxm]进行合并，若两组或者多组慢度区间有重叠的，则取慢度区间的合集，最终获得一个或多个互不重叠的独立慢度区间[ss_mink,ss_maxk]，其中1≤k≤m；s6、利用慢度区间和震中距计算信号到时区间：采用步骤6即可获得一组或多组水声台站记录声相的信号到时区间，在信号分析过程中可结合获得的到时区间进行信号识别或信号检测结果匹配，从而实现水声台站关联过程中信号走时特征参数的精确匹配，并对声相进行粗分类。根据s5得到的慢度区间[ss_mink,ss_maxk]初步确定该慢度区间对应信号的类型，主要分为两类t/h类声相和p类声相；当满足公式21时，判定为t/h类别声相：当满足式22时，判定为p类别声相：ss_maxk＜59.3(22)可以判定信号的类型，p类接近地震波信号，t/h类声相主要反映的是水声信号。所述水声台站为全面禁止核试验条约组织所建国际监测系统水声声台站，泛指各类安装水听器用于记录水声信号的监测站点；所述水声台网是指由一定数量不同分布的水声台站构成的监测网络；所述水声台阵是指由两个以上近距离分布水声监测子台构成的水声信号监测阵列；所述水声监测子台是水声台站中某个独立监测站点；所述地震台站包括但不限于国际监测系统地震台站，泛指各类安装位移计、速度计及加速度计并用于测量地运动情况的监测站点；所述地震台网是指由多个地震台站构成的地震监测网络；所述地震事件是指有地震台网监测的各类事件；所述震中距是指地震台站或水声台站至地震震中的距离；所述慢度是指信号沿地球表面传输1弧度所需时间；所述水声声相是指水声台站记录的具有不同特征的水声信号；所述地震震相是指地震台站记录的具有不同特征的地震信号；所述信号关联是指对某事件具有监测能力的水声台站记录信号的自动搜素匹配过程；所述关联信号是指与某事件相关的所有信号的合集。所述信号走时是指信号从源项传输至台站所花费的时长；所述信号到时是指监测台站记录的信号到达时刻；所述慢度区间是指指定声相在指定震中距时慢度值上限和下限之间的慢度值；所述信号到时区间是指台站可能监测到水声信号到达时刻的时间区间；所述水声声相是指水声台站记录的具有不同特征的水声信号；所述地震震相是指地震台站记录的具有不同特征的地震信号；实施实例：表1为h03n水声台站记录的2016年1月29日20:07:17发生于北纬-30.387101，东经-71.452753的一次地震事件，该事件距离h03n台站约7.05°，从表1可以看出，该台站记录到区域声相pn、sn，和水声声相t。采用本发明所示方法，将震中距代入步骤3中，筛选并计算出该震中距范围内有效声相的慢度区间如表2所示，从表中可以看出，在该震中距范围内共有6个有效声相，其慢度区间存在一定重叠，通过步骤4进行慢度区间合并处理后，可获得三组慢度区间，一组t/h类别声相慢度区间[59.36,91.51]，两组p类别声相慢度区间[12.25，16.45]、[23.50，27.21]。利用三组慢度区间分别计算出信号走时区间为：[418.5，645.1]、[86.4，116.0]、[165.7，191.8]，数据单位均为秒。从而进一步推算出h03n水声台站记录信号的到时区间为[20:08:43，20:09:13]、[20:10:2.7，20:10:28.8]、[20:14:15.5，20:18:2.1]，对照表2中pn、sn、t声相的到时，均在本方法所构建的信号到时区间估算范围内，可确保相关检测信号正确自动识别。表12016年1月29日20:07:17事件(-30.387101，-71.452753)h03n台记录信号表2震中距为7.05°时有效声相及其慢度区间序号声相慢度下限慢度上限1h74.5077.502t59.3691.513pn12.2516.454p12.614.865sn23.5027.216s23.5026.20以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。当前第1页12