文摘
纵波到达的时刻可以为我们提供很多关于地震的本质信息。没有足够的知识关于开始的时刻,许多事件的属性与位置有关,p波的极化等等是不可能的。为了节省时间需要手动表明纵波到达的时刻,一个可以受益于自动选择算法。本文两个算法基于一种方法找到一个政权开关点应用于地震事件数据以发现p波到达时间。算法是基于信号转换通过一个基本的变换而不是原始的录音。它们涉及信号转变成两个独立的分区系列和拟合对数函数第一个子集(对应于纯噪声,因此它被认为是固定的),或幂函数指数第二子集(对应的非平稳地震),并找到这些函数最适合的点数据的平方误差的总和。算法的有效性测试地震资料从O / ZG获得“Rudna”地下铜矿山与纵波到达最初的时刻被广泛知道STA / LTA算法然后纠正了地震专家。提出算法的结果相比使用STA / LTA获得。
1。介绍
获得准确信息采矿活动引起的地震现象可能是一个艰巨的任务。录音强烈依赖于源和测量装置之间的距离,活动能量,岩体的岩性,设备参数、噪声引起的输电线路,等等。为了获得精确的特征事件(例如,三维位置)录音从至少四个不同one-axial传感器是必需的。
当地震发生时,它的能量是通过不同类型的地震波,可主要分为体波(纵波、横波)和表面波(乐甫波,瑞利波和斯通利波)。纵波拥有最高速度等;因此他们表示事件的发生。因此,为了获得特定现象的详细信息,第一步是指示其纵波的时刻的到来。
从数学的角度来看问题是等距和找到一个时刻在时间序列失去了平稳性(背景噪音被认为是静止的)或发现结构性断点的问题。
纵波的时刻到来估计中常用的事件位置(1),能源2),震源机制(3]。手动确定这样的时刻很耗时间,需要相当的经验。然而,在科学和技术的发展,提出了许多自动纵波选择算法。实现和使用这种方法更快的解决方案,但不是100%可靠,结果常常不同于地震站专家给出的迹象。因此,算法经常被用作初始选择专家手动校正紧随其后。
到目前为止,有很多不同的算法主要可以分为2组:在时间和程序进行频域(4]。广泛知道时域方法包括AR-AIC(5,6],它适合自回归模型的数据和决定的时刻纵波到达一个临界点Akaike信息标准(7)是最小化和STA / LTA算法(8,9),固定特征函数(例如,信号的平方)计算其平均在短期和长时间窗口和显示发病时间的比率平均超过预定义的值。纵波到达的时刻可能还与使用神经网络确定(10,11),基于小波变换的方法(12,13),光谱图(14,15),和互相关16]。
当处理p波到达时刻的问题,一个可能调查的一个元素信号分割过程(17,18),发作的迹象是细分的基础。常见的方法是经常使用在这两个问题。
最近发现一个临界点的方法,将时间序列划分为两个固定部分与不同的差异提出了(19]。这种方法的基础是第二个中央统计矩的统计特性;也就是说,累积的期望值平方和为平稳时间序列与时间线性增加。这样的财产独立于底层的概率分布,只要方差是有限的。该方法已经用于结构性突变检测方法(20.]。这是决定涉及这个主意纵波到达点估计。然而,整个地震并不具有平稳性属性,也可以分成两个平稳时间序列。因此该方法需要修改。本文提出了两个类似的方法和比较广泛使用的STA / LTA算法。自动纵波挑选所有的调查方法相比,移民专家表示的O / ZG Rudna“地下铜矿山地震站专家由于其丰富的经验分析采动的地震事件。
剩下的纸是组织如下:在方法论提出了结构性破坏检测的新方法。此外,我们还记得STA / LTA算法(经典的方法用于检测p波到达时间)。接下来,节3应用程序的真实数据,新方法应用于实际地震信号。结果与STA / LTA技术。最后一个部分包含的结论。
2。方法
2.1。STA / LTA算法
常用的经典算法之一的问题纵波到达时刻检测是基于short-term-average和long-term-average (STA / LTA)触发方法。底层的想法以连续的方式来评估此方法的价值特征函数(CF)的地震信号在两个时间滑动窗口(一短一长)为了检测地震事件。特征函数用于计算目的可以被定义为能量,绝对振幅,或包络函数的微震的痕迹。无论特征函数的定义(CF),短时间窗口(STA)应该是测量地震信号的瞬时振幅,而长时间窗口(LTA)提供了有关地震噪声的振幅信息。当他们的比率超过了预定义的值(激活阈值),下面的记录样本标记是事件驱动的,直到比率低于另一个预定义的值失活的阈值。在该算法中,对原始信号,下面的数据正在计算: 在哪里和表示短期和长时间窗口长度(样本),分别。此外,在上述方程是一个特定的特征函数定义的信号能量。在文献中可以找到不同的特征函数,如信号的绝对值或信封的微震的痕迹。在本文中,我们考虑
在STA / LTA算法的检验执行统计,在这样的基础上可以检测纵波的时刻的到来。这一刻是最低的的比率STA / LTA超过预定义的值;也就是说, 在本文中,我们比较经典的方法基于STA / LTA算法和新算法基于累积经验给定原始信号的二阶矩。
2.2。基于实证二阶矩算法
提到,该方法是基于经验给定原始信号的二阶矩首先,我们介绍了统计的累计二次矩给定样本: 的统计数据是用于19)为基础的方法应用于真实数据的分割问题,以防当我们观察到一些关于时间变化特征。这个数据也是一个主要的测试过程是否在给定的样本存在结构性断点。
在本文中,我们扩展的方法(19)分析并提出以下统计: 这个选择是出于地震记录特征和讨论进行进一步的部分。作为一个可以期待会倾向于如果至少第一个阅读= 0。为了避免这个问题,我们修改的原始信号,在进一步分析代替我们替换第一个阅读第一个非零的阅读。这个技术问题与一个样本在一开始录音;因此它不影响结果。我们表示纠正系列。
在纵波的时刻到来之前,地震记录由被认为是静止的环境噪音(21];很明显,他们可以被描述为独立同分布的高斯随机变量。此外,我们假设的理论二次矩分布是有限的。它可以显示数据在纵波的时刻到来之前,我们有以下: 因此我们的方法是基于这样的观察。在对比过程中,(19),我们符合对数函数首先点的统计。后纵波的时刻到来的特点统计数据的变化。它并不完全知道什么样的函数后,我们可以观察到p波到达的时刻;然而这是指出,在一般的统计是凹的。我们决定测试两种不同的凹函数:指数和权力。这些函数都配有时间转变;,。为了减少计算时间减去或然后适应指数和幂函数,分别。Levenberg-Marquardt算法的拟合函数系数是通过使用(LMA)22,23)这是一个迭代算法用于解决非线性最小二乘问题。它结合了高斯牛顿法和梯度下降法的特点(24]。LMA算法至少需要3点适合考虑功能。下一步是计算之间的平方误差和安装功能。纵波到达的点估计的误差最小化。
整个检测算法可以描述如下:(1)集3所示。(2)如果(7)。(3)适合来,来,来。(4)计算。计算。(5)集。(6)(2)。(7) , “指数”估计,“权力”。
3所示。应用程序真正的地震数据
本文提出的算法应用到一个188单事件记录从O / ZG Rudna“地下铜矿山。收集的信号是地震系统ELOGOR-C用于岩体观察。系统由两套32地震仪威尔莫MK-III类型;每个频带中的数据收集速度0.5 -150赫兹频段包含事件程度来说是足够的。这样的乐队足够本地化,地震能量估计,和震源机制表明第一运动方向,通过分析监测系统的基本目的。更高频率的微地震事件在这个矿注册的一个不同的系统。数据传输地震站使用模拟传输(调频)和采样,采样频率500赫兹。由于沉积的特征,地震系统网络相对平坦,一些额外的传感器位于轴。分析信号自8月1日,2015年,2015年8月19日。事件的长度范围从4.6到33年代。 Moments of P-wave arrival was indicated preliminarily using the STA/LTA algorithm and then manually corrected by seismic station experts.
在图1提出了一个模范地震与纵波的时刻到来,红十字会。在图1 (b)缩放显示了到达时间。很容易发现平稳性的背景噪音到来之前纵波(红十字会)。
(一)
(b)
的应用统计图中可以看到2。
(一)
(b)
因为它是在(19),当应用统计与方差平稳过程,它的期望值地震纵波的时刻到来之前录音(表示)满足平稳性的假设。然而,严格的利用率的算法(19纵波到达后)不能正常工作,因为这个系列不是静止的。统计计算了线性符合由地震站专家从到达点表示的记录(见例图2)。这些的平均值统计数据对整个组地震记录是0.349,是不可接受的。因此,纵波的到来表示通过使用不当安装功能可能是假的。对数函数的应用统计可能突出纵波到达,由于结构变化是突然的统计与。
在图3的值数据被包含。使用对数,断点(图3标有红十字会)可能比它可以表示注意到容易得多(图2)。
(一)
(b)
值得注意到的是统计可以分为2凹系列,分裂点位于纵波到达的时刻(标有红十字会)。
图3提出了合适的质量。平均幂函数拟合统计(安装在发病的时间间隔由地震站专家表示直到最后时刻记录)是相等的和指数函数。这表明这些函数适当近似统计数据。
3.1。算法和指数函数拟合结果
在图4结果的算法(指数函数拟合统计)的第二部分包含。执行数据分析提供了54.3%的算法选择相差不超过10个样本(对应于0.02 s)从时刻由地震站专家表示。79.9%的差异不超过50个样品(0.1秒)。最大的区别是177个样本(0.354秒)。
(一)
(b)
3.2。算法结果与幂函数拟合
中给出的结果数据4和5提供指数和电力配件导致类似的结果。在幂函数拟合58.5%的差异不超过10个样本(0.02秒)和83%不超过50个样品(0.1秒)。最大的区别是255个样本(0.51秒)。
(一)
(b)
3.3。结果基于STA /英国网球协会
为了检验我们提出的算法的性能进行比较获得的纵波挑选STA / LTA方法与最优的参数。方法需要预定义阈值。纵波到达当STA / LTA比率超过触发。同时,短期和长时间窗口的长度需要预定义的。这是该方法的一个缺点,因为这些量的最佳值可以改变不同工作条件的传感器。
用不同的算法进行了测试值从1到10(步骤0.05)。同时,不同长度的短和长时间窗口进行测试(短窗口从10到200年,第10步样品,和长窗口从10到400年样本多短,步骤10个样本)。最准确的估计的时刻到来了和样品和样本。
在图6可以观察到结果明显比,这些小说所提供的算法基于第二个统计的时刻。47.8%和71.7%的分析提供了选择不超过10到50个样本,分别。此外,STA / LTA算法错过3 p波到达;通过整个算法进行信号和没有任何时刻触发。算法的结果和地震站专家的最大区别是490样品(0.98秒)。此外,更多的事件表示之前实际的纵波的时刻的到来。这表明STA / LTA容易离群值。
(一)
(b)
在表1包括基本统计信息来比较三种调查方法。因为它可以注意到该算法优于STA / LTA算法在各方面,期望模式的绝对差异等于3的所有方法。合适的幂函数提供了最好的结果的正确选择和意味着绝对的差异,但标准差比指数拟合。
4所示。结论
摘要政权切换检测方法采用为了找到纵波的到来。算法测试地震信号记录从O / ZG Rudna“地下铜矿山。结果包含在本文表明,该算法能够表明纵波到达时刻的估计点与点手动关闭我的站专家表示。提供的结果相比也广泛使用STA / LTA算法。结果拟合的算法给出更好的结果比获得的结果使用STA / LTA描述性统计的方法。此外,该算法不需要任何参数或校准。比较两个提议函数(电力和指数)不提供明确的答案哪一个更好。幂函数会导致更多的正确选择和低意味着绝对的差异但更高标准差的估计之间的差异和实际的选择。
尽管比STA / LTA算法更为准确,他们仍然具有一些缺点。最明显的问题是计算复杂性的基本实现,因为每个信号很多配件(即信号长度的两倍)。此外,STA / LTA可以在线计算和立即提供事件发生的信息。小说的情况下算法的响应时间可能被考虑最小化信号只有一小部分注册后p波的到来。最小数量的样本获得的纵波到达后提供准确的选择是十分重要。此外,指数和幂函数拟合的算法更新安装系数可能显著提高了算法的计算速度。在未来的工作中提出的方法可能是升级为了测试是否发生了地震。这也是有趣的评估更好的纵波挑选对定位精度的影响。该方法也可以检测nonanthropogenic远震事件。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版这篇文章。