一种解决绕射干扰的震源定位方法与流程

1.本发明涉及震源定位技术领域，更具体地说，本发明涉及一种解决绕射干扰的震源定位方法。


背景技术：

2.地震定位是地震学中最基本的问题之一，对于研究诸如地震活动构造、地球内部结构、震源的几何构造等此类地震学中的基本问题有重要意义，地震定位问题简单概括为：根据台站对地震到时的观测资料，来确定震源的空间坐标和发震时刻，有时还给出对解的评价，基于科学计算和计算机技术的智能化数值自动定位方法成为当前地震定位的主流方法，目前广泛使用的计算机定位方法为geiger的经典方法以及在此基础上建立的各种线性方法：联合定位法，相对定位法，和双重残差法等，地震定位技术不仅应用于天然地震领域，在90年代末被引入到了石油和煤炭等资源开采行业中，开采中岩石破裂等事件与天然地震相比，因其能量较小，称之为微地震，微地震的监测技术能够很好的了解地下的变化，目前已被广泛应用在油气藏动态监测、地热动态监测、煤田动态监测、工程动态监测等方面，用微地震方法实时监测油田生产动态对油田开发具有重要意义。
3.而震源定位是用宏观资料或仪器记录确定震源位置的方法称震源定位，采用多种方法，100km的区域事件，定位精度为
±
1km，100km≤
△
≤1000km的近震，可达
±
(2-5)km，远震精度较差，一般浅源地震，深度误差为深度值的10％左右，震源愈深，相对误差愈小。
4.绕射波是指地下任何小于或能与地震波波长相比拟的不均匀体，如断块、断棱均可看作是绕射点，当地震波通过绕射点时产生的波，在物理学中，把波绕过障碍物而传播的现象称为绕射，绕射时，波的路径发生了改变或弯曲，它符合惠更斯原理，在地震勘探工作中，把地震波在传播中遇到地层剧烈变化的地方，例如断层的断点、断棱，地层尖灭点，不均匀体、侵入体和地下礁的边缘等所引起的波称为绕射波，这些地层剧烈变化的地方可视为一个新的震源产生振动，并向周围以球面波形式传播，绕射波是异常波中的一种，常以反射波的延续形态出现，频率和有效速度均低于正常反射波，波峰或波谷数目少，能量衰减较快，通常情况下，地震波中不是单纯的反射波，也同时含有波形情况比较复杂的绕射波。
5.传统的震源扫描算法是在整个时空内安照一定的尺度将解空间网格化，在反演过程中计算所有网格点处的微地震记录在时间域的能量“亮度”,将“亮度”最大的点作为定位解，震源扫描算法的反演精度和可靠性严重地依赖于划分网格的尺度大小，尺度越小，精度越高，反之亦然，但是该算法由于要遍历解空间的所有网格点，所以计算量随着搜索范围的增大及网格的细化，计算量越来越大，特别是对于多参数优化问题，计算量随着网格尺寸的减小而呈几何级数量增加，使得定位速度较低，因此，传统震源扫描算法不适合大批量事件的多参数反演，在数据量庞大的情况下，迭代过程会浪费大量宝贵的动力灾害预测预警时间，而在微震源定位算法中，全局优化算法对于传统算法有着一定的优势，其对复杂地质的适应性更好，能够建立其更为真实的速度模型，但同样运算量过于巨大，而且容易受到绕射干扰的影响，使得定位精度较低，因此在提高优化运算速度的前提下，如果快速且准确地实
现定位是定位算法的最重要目标，因此，研究一种解决绕射干扰的震源定位方法来解决上述问题具有重要意义。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种解决绕射干扰的震源定位方法，本发明所要解决的技术问题是：传统的震源扫描算法是在整个时空内安照一定的尺度将解空间网格化，在反演过程中计算所有网格点处的微地震记录在时间域的能量“亮度”,将“亮度”最大的点作为定位解，震源扫描算法的反演精度和可靠性严重地依赖于划分网格的尺度大小，尺度越小，精度越高，反之亦然，但是该算法由于要遍历解空间的所有网格点，所以计算量随着搜索范围的增大及网格的细化，计算量越来越大，特别是对于多参数优化问题，计算量随着网格尺寸的减小而呈几何级数量增加，使得定位速度较低，因此，传统震源扫描算法不适合大批量事件的多参数反演，在数据量庞大的情况下，迭代过程会浪费大量宝贵的动力灾害预测预警时间，而在微震源定位算法中，全局优化算法对于传统算法有着一定的优势，其对复杂地质的适应性更好，能够建立其更为真实的速度模型，但同样运算量过于巨大，而且容易受到绕射干扰的影响，使得定位精度较低的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种解决绕射干扰的震源定位方法，包括以下步骤：
8.s1、在被监测区布设分布式震动传感器阵列：在监测区域随机预设坐标原点，将n个震动传感器以一定角度为旋转间隔，以一定长度为增长半径，将震动传感器布设于地表，形成螺旋式阵列，并分别获取各震动传感器的坐标信息。
9.s2、然后利用信息采集系统通过设置在地表的震动传感器阵列采集震源产生的震动信号，对震动信号中的噪声进行预处理并剔除震动传感器阵列中的无效数据，将直达槽波和反射槽波波场分离，得到直达槽波记录和反射槽波记录。
10.s3、同时拾取直达槽波和反射槽波埃里相峰值走时，对直达槽波和反射槽波记录各道分别进行多次滤波技术分析，拾取各道埃里相时间，并对差别较大的拾取点进行剔除，然后对处理后的震动信息进行归一化处理。
11.s4、按照下列公式计算某个空间点η在某个时刻t的“亮度”函数为：
[0012][0013]
其中，n是接收传感器个数，un是第n个震动传感器接收震动信号的归一化记录，t是震动事件的发震时刻，t
ηn
是从点η到n的走时。
[0014]
假设所有的最大振幅都是由点η和时间t产生，则b
η
(g,s)＝1，同样，b
η
(g,s)＝0.1意味着此处只有10％的可能性为震源，然后确定解空间。
[0015]
s5、利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个震动传感器的到时时间，计算任意两传感器的到时差，建立震源(x0,y0,z0)的到时差数据库，根据震动信息数据，确定震源x、y、z和发震时刻t0的大致区间范围。
[0016]
s6、然后将搜索空间正规化为单位超立方体，令ci成为超立方体的中心，并对函数f(ci)进行估值，令f
min
＝f(c1)，其中m＝1，t＝0，(t为迭代次数)，然后识别潜在最优超矩形体，并放入集合s。
[0017]
选择任意超矩形体j∈s进行细分，决定从超矩形体j何处位置采样以及如何将超矩形体分割成为更小的子超矩形体，更新f
min
并令m＝m+δm，其中δm为新采样点的个数。
[0018]
令s＝s-{j}，如果s≠φ则重新选择任意超矩形体j∈s，令t＝t+1，若t＝t，即迭代次数达到限制次数，停止迭代，否则重新识别潜在最优超矩形体，并放入集合s。
[0019]
并根据迭代结果求解目标函数全局最优解，得到最终的震源位置。
[0020]
s7、同时通过震源坐标与传感器各自的震中距，计算各个震动传感器的平均震级，并通过显示器可视化处理通过图形化显示震级及震源定位的计算结果。
[0021]
作为本发明的进一步方案：所述直达槽波和反射槽波波场分离的原理为：基于z分量槽波地震记录，采用f-k等方法分别分离出直达槽波波场和反射槽波波场记录。
[0022]
作为本发明的进一步方案：所述拾取各道埃里相时间的原理为：采用多次滤波技术进行频散分析，根据频散曲线，确定各道槽波埃里相时间点。
[0023]
作为本发明的进一步方案：所述在拾取各道埃里相时间的过程中，如果出现某地震道和其相邻地震道的埃里相时间差较大的时间点时，应剔除这个差别较大的时间点。
[0024]
作为本发明的进一步方案：所述时差数据库的建立原理如下：已知传感器坐标和特征震源点坐标，求得每个特征震源点到两任意传感器的到时差，组成到时差矩阵，在有n个震动传感器的情况下，每个特征震源点共可得到n的平方个到时差，并组成一个包含个数据的到时差矩阵，则将每个特征震源点信息及其对应的到时差矩阵录入数据库，建立到时差数据库。
[0025]
作为本发明的进一步方案：所述传感器的布置数量为8个以及以上。
[0026]
作为本发明的进一步方案：所述传感器震级计算的原理为：首先求得震源左边与传感器坐标的各自震中r距，分别计算起针函数rδ与震级m
l
，震级计算公式为：m
l
＝1g(a
最大幅值
)+rδ，rδ采用线性插值的方式，求得各震动传感器的震级m
l(1)
后，取平均值为震级
[0027]
作为本发明的进一步方案：所述可视化处理的原理为：可视化显示包括震级显示和震源定位显示，其中，显示程序周期性读取震级及震源定位信息的处理结果，以10条结果为一个处理单位，震级采用数据表与折线图的双重显示方式，折线图中x轴表示时间，y轴表示震级，形成震级随时间的一个变化关系，震源定位信息依托地图进行显示，可实现动态加载示意图与卫星图切换显示。
[0028]
作为本发明的进一步方案：所述细分超矩形体的原理为：首先沿着最大边长的维度方向将超矩形体进行三等分，若最大边长的维度方向的个数大于1，则确定具有最大边长的维度集合i，令δ为这个最大边长的三分之一，然后对点c
±
δei(i∈1)取样并对其进行函数估值，其中c为矩形中心，ei为第i个方向的单位矢量，并沿着i中每个维度方向，将超矩形体分割成三等份，分割方向根据该维度方向的wi值，从小到大依次进行，其中：wi＝min{f(c+δei,f(c-δei)}。
[0029]
本发明的有益效果在于：
[0030]
1、本发明通过设置螺旋式振动传感器阵列，并分别对传感器阵列中采集到的振动数据进行预处理，然后将直达槽波和反射槽波波场分离，得到直达槽波记录和反射槽波记录，同时拾取直达槽波和反射槽波埃里相峰值走时，对直达槽波和反射槽波记录各道分别
进行多次滤波技术分析，拾取各道埃里相时间，并对差别较大的拾取点进行剔除，然后对处理后的震动信息进行归一化处理，同时建立倒时差数据库，并根据震动信息数据，确定震源和发震时刻的大致区间范围，然后基于传统震源扫描算法，并在搜索过程中利用direct矩形分割搜索算法，实现了震源的快速扫描定位，且该方法在使用过程中无需划分网格，定位精度与网格尺寸无关，其搜索点随着最优解的靠近而加密，实现了全局最优解，并且通过选用z分量记录来进行槽波超前探测数据处理，可有效的减少绕射波的影响；
[0031]
2、本发明通过可视化处理对震级和震源定位进行显示，且显示程序周期性读取震级及震源定位信息的处理结果，以10条结果为一个处理单位，震级采用数据表与折线图的双重显示方式，折线图中x轴表示时间，y轴表示震级，形成震级随时间的一个变化关系，震源定位信息依托地图进行显示，可实现动态加载示意图与卫星图切换显示，从而方便了相关人员对数据的快速了解，从而进一步的方便了使用。
附图说明
[0032]
图1为本发明流程的结构示意图。
具体实施方式
[0033]
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
一种解决绕射干扰的震源定位方法，包括以下步骤：
[0035]
s1、在被监测区布设分布式震动传感器阵列：在监测区域随机预设坐标原点，将n个震动传感器以一定角度为旋转间隔，以一定长度为增长半径，将震动传感器布设于地表，形成螺旋式阵列，并分别获取各震动传感器的坐标信息。
[0036]
s2、然后利用信息采集系统通过设置在地表的震动传感器阵列采集震源产生的震动信号，对震动信号中的噪声进行预处理并剔除震动传感器阵列中的无效数据，将直达槽波和反射槽波波场分离，得到直达槽波记录和反射槽波记录。
[0037]
s3、同时拾取直达槽波和反射槽波埃里相峰值走时，对直达槽波和反射槽波记录各道分别进行多次滤波技术分析，拾取各道埃里相时间，并对差别较大的拾取点进行剔除，然后对处理后的震动信息进行归一化处理。
[0038]
s4、按照下列公式计算某个空间点η在某个时刻t的“亮度”函数为：
[0039][0040]
其中，n是接收传感器个数，un是第n个震动传感器接收震动信号的归一化记录，t是震动事件的发震时刻，t
ηn
是从点η到n的走时。
[0041]
假设所有的最大振幅都是由点η和时间t产生，则b
η
(g,s)＝1，同样，b
η
(g,s)＝0.1意味着此处只有10％的可能性为震源，然后确定解空间。
[0042]
s5、利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个震动传感器的到时时间，计算任意两传感器的到时差，建立震源(x0,y0,z0)的到时差数据库，
根据震动信息数据，确定震源x、y、z和发震时刻t0的大致区间范围。
[0043]
s6、然后将搜索空间正规化为单位超立方体，令ci成为超立方体的中心，并对函数f(ci)进行估值，令f
min
＝f(c1)，其中m＝1，t＝0，(t为迭代次数)，然后识别潜在最优超矩形体，并放入集合s。
[0044]
选择任意超矩形体j∈s进行细分，决定从超矩形体j何处位置采样以及如何将超矩形体分割成为更小的子超矩形体，更新f
min
并令m＝m+δm，其中δm为新采样点的个数。
[0045]
令s＝s-{j}，如果s≠φ则重新选择任意超矩形体j∈s，令t＝t+1，若t＝t，即迭代次数达到限制次数，停止迭代，否则重新识别潜在最优超矩形体，并放入集合s。
[0046]
并根据迭代结果求解目标函数全局最优解，得到最终的震源位置。
[0047]
s7、同时通过震源坐标与传感器各自的震中距，计算各个震动传感器的平均震级，并通过显示器可视化处理通过图形化显示震级及震源定位的计算结果。
[0048]
直达槽波和反射槽波波场分离的原理为：基于z分量槽波地震记录，采用f-k等方法分别分离出直达槽波波场和反射槽波波场记录。
[0049]
拾取各道埃里相时间的原理为：采用多次滤波技术进行频散分析，根据频散曲线，确定各道槽波埃里相时间点。
[0050]
在拾取各道埃里相时间的过程中，如果出现某地震道和其相邻地震道的埃里相时间差较大的时间点时，应剔除这个差别较大的时间点。
[0051]
时差数据库的建立原理如下：已知传感器坐标和特征震源点坐标，求得每个特征震源点到两任意传感器的到时差，组成到时差矩阵，在有n个震动传感器的情况下，每个特征震源点共可得到n的平方个到时差，并组成一个包含个数据的到时差矩阵，则将每个特征震源点信息及其对应的到时差矩阵录入数据库，建立到时差数据库。
[0052]
传感器的布置数量为8个以及以上。
[0053]
传感器震级计算的原理为：首先求得震源左边与传感器坐标的各自震中r距，分别计算起针函数rδ与震级m
l
，震级计算公式为：m
l
＝1g(a
最大幅值
)+rδ，rδ采用线性插值的方式，求得各震动传感器的震级m
l(1)
后，取平均值为震级
[0054]
可视化处理的原理为：可视化显示包括震级显示和震源定位显示，其中，显示程序周期性读取震级及震源定位信息的处理结果，以10条结果为一个处理单位，震级采用数据表与折线图的双重显示方式，折线图中x轴表示时间，y轴表示震级，形成震级随时间的一个变化关系，震源定位信息依托地图进行显示，可实现动态加载示意图与卫星图切换显示。
[0055]
细分超矩形体的原理为：首先沿着最大边长的维度方向将超矩形体进行三等分，若最大边长的维度方向的个数大于1，则确定具有最大边长的维度集合i，令δ为这个最大边长的三分之一，然后对点c
±
δei(i∈1)取样并对其进行函数估值，其中c为矩形中心，ei为第i个方向的单位矢量，并沿着i中每个维度方向，将超矩形体分割成三等份，分割方向根据该维度方向的wi值，从小到大依次进行，其中：wi＝min{f(c+δei,f(c-δei)}。
[0056]
本发明通过设置螺旋式振动传感器阵列，并分别对传感器阵列中采集到的振动数据进行预处理，然后将直达槽波和反射槽波波场分离，得到直达槽波记录和反射槽波记录，同时拾取直达槽波和反射槽波埃里相峰值走时，对直达槽波和反射槽波记录各道分别进行多次滤波技术分析，拾取各道埃里相时间，并对差别较大的拾取点进行剔除，然后对处理后
的震动信息进行归一化处理，同时建立倒时差数据库，并根据震动信息数据，确定震源和发震时刻的大致区间范围，然后基于传统震源扫描算法，并在搜索过程中利用direct矩形分割搜索算法，实现了震源的快速扫描定位，且该方法在使用过程中无需划分网格，定位精度与网格尺寸无关，其搜索点随着最优解的靠近而加密，实现了全局最优解，并且通过选用z分量记录来进行槽波超前探测数据处理，可有效的减少绕射波的影响，同时本发明通过可视化处理对震级和震源定位进行显示，且显示程序周期性读取震级及震源定位信息的处理结果，以10条结果为一个处理单位，震级采用数据表与折线图的双重显示方式，折线图中x轴表示时间，y轴表示震级，形成震级随时间的一个变化关系，震源定位信息依托地图进行显示，可实现动态加载示意图与卫星图切换显示，从而方便了相关人员对数据的快速了解，从而进一步的方便了使用。
[0057]
最后应说明的几点是：虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明的基础上，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。