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精密可控震源信号提取新方法研究

精密可控震源信号提取新方法研究

作者：刘希康中国地震局地震预测研究所

学位级别：硕士

精密可控震源（CASS: Controlled Accurately Seismic Source）是一种重复性高、可长时间连续运行、对环境影响小的绿色震源，可用于地下介质结构探测及其物性变化的主动精确动态监测。其发射信号为连续线性调频信号（Linear Frequency ... 详细信息

精密可控震源（CASS: Controlled Accurately Seismic Source）是一种重复性高、可长时间连续运行、对环境影响小的绿色震源，可用于地下介质结构探测及其物性变化的主动精确动态监测。其发射信号为连续线性调频信号（Linear Frequency Modulation, LFM），对地作用强度小，能量通过长时间的连续对地工作发射出去，原始的记录不可直接使用，且远距离台站记录中信号水平远低于观测点的背景噪声水平，需将其转化为具有足够高信噪比、与脉冲型震源记录相似的波形。目前，通常使用匹配滤波方法来实现精密可控震源信号的检测与波形变换。本文对精密可控震源的运行特性，发射信号的规律和特点做了论述和分析，考虑到其发射信号为线性调频信号，我们尝试采用时频联合分析中的Wigner-Ville分布和Hough变换结合的方法来实现信号检测及波形变换。本文从傅立叶变换出发对时频分析发展历史做了归纳总结，分别对几种线性时频表示的基本理论进行了简要介绍，并分析说明了它们存在的优缺点。系统介绍了双线性时频分布中Wigner-Ville分布的定义、性质、离散方法、优点及存在的缺陷。并分别查看了谱图、伪Wigner-Ville分布、平滑伪Wigner-Ville分布、Choi-Williams分布、广义指数分布等其他Cohen类时频分布的核函数对信号时频聚集的调节原理和特性。介绍了Hough变换的原理，Wigner-Hough变换的定义，并基于Matlab和C语言编写了相应的程序，将其应用于实际地震记录资料处理中，达到了预期的目的。通过对模拟信号和实际记录资料的处理，我们得出Wigner-Ville分布具有同时在时域和频域分析非平稳和时变信号能力，对LFM信号具有最好的时频聚集性。LFM信号经Wigner-Ville变换后在时频平面内为一条直线，而Hough变换则可以实现时频平面内的直线检测及波形变换工作，所以利用Wigner-Hough变换可以有效实现精密可控震源的信号检测，并将连续波形转化为脉冲型震源子波形态。在记录资料处理时，由于Wigner-Ville分布和Hough变换庞大计算量的问题，无法对原始记录资料直接处理，我们根据实际情况采用滤波、降采样、数据分段、限定角等一系列措施来达到实际应用的目的，并对提取到的子波采用叠加的方法进一步提高信噪比。

关键词：精密可控震源信号检测线性调频信号 Wigner-Ville变换 Hough变换

EMD在GNSS时间序列周期项处理中的应用

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武汉大学学报（信息科学版） 2023年第1期48卷 135-145页

作者：刘希康丁志峰李媛刘志广中国地震局地球物理研究所北京100081 中国地震局第一监测中心天津300180

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)位置时间序列蕴含有丰富的构造和非构造变形信息,具有成分复杂、建模困难、非构造信息难以有效分离等特点,利用自适应的经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)方... 详细信息

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)位置时间序列蕴含有丰富的构造和非构造变形信息,具有成分复杂、建模困难、非构造信息难以有效分离等特点,利用自适应的经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)方法对川滇地区24个GNSS连续站时间序列作周期项修正。结果表明,周期项的修正十分必要,EMD方法能够根据每个台站信号的自身特性,自适应地提取不同频率、振幅的周期成分,这也更符合实际情况;相较于谐波模型,EMD方法对原始时间序列在N、E、U方向的改正均更加精确有效。使用修正后的连续站时间序列模拟流动观测,发现经过5~6 a/期观测即可得到相对可靠的台站运动速度,并通过距离较近的实际连续观测站对流动观测站周期项改正,验证了EMD方法的稳定性和可靠性,这也为流动GNSS观测实施、周期修正和资料使用提供了参考意见和理论依据。

关键词：全球导航卫星系统周期运动流动观测谐波模型经验模态分解

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汶川地震前龙门山区域地壳密度动态变化分析

地震 2015年第1期35卷 77-90页

作者：李媛牛安福赵静刘希康中国地震局地震预测研究所北京100036 中国地震台网中心北京100045 中国地震局第一监测中心天津300180

利用龙门山区域重力网经平差处理和去基准点干扰、去高程变化影响的1997—2007年11期重复重力观测数据,借助密度的三维反演方法,分析研究了龙门山地区地壳各深度的介质密度的动态变化特征。结果显示:2008年汶川8.0级地震孕育发生过程中... 详细信息

利用龙门山区域重力网经平差处理和去基准点干扰、去高程变化影响的1997—2007年11期重复重力观测数据,借助密度的三维反演方法,分析研究了龙门山地区地壳各深度的介质密度的动态变化特征。结果显示:2008年汶川8.0级地震孕育发生过程中区域密度场的整体时空分布均表现出显著特征。从时间进程来看,震前10年的密度变化趋势呈现阶段性变化:密度变化平稳阶段—变化剧烈阶段(加速增加—缓慢减少)—变化缓慢减少阶段—密度变化缓慢增加阶段,密度变化程度由强到弱,表明大地震孕育达到了最后阶段;从空间分布来看,密度变化分布有分散—相对集中的趋势,震前地下密度场具有熵值减小的现象;密度变化剧烈的地方多发生在龙门山断裂带及其以西的川西高原上。此外,随深度的增加,密度变化趋势越来越明显。通过比较分析,在汶川地震前密度变化对重力的影响远远超过高程变化对重力的影响。

关键词：密度动态变化三维反演汶川8.0级地震龙门山断裂带

用Wigner-Hough变换检测精密可控震源信号

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地震 2013年第3期33卷 33-42页

作者：刘希康崔仁胜王洪体林湛中国地震局地震预测重点实验室北京100036 中国地震局地震预测研究所北京100036

本文提出基于Wigner-Hough变换实现精密可控震源信号的检测与变换的方法。精密控制震源发射并由地震台站观测设备记录下来的信号是连续线性调频振动信号(LFM),线性调频信号的Wigner-Ville变换是在时频平面内包含一条直线的图像,而Hough... 详细信息

本文提出基于Wigner-Hough变换实现精密可控震源信号的检测与变换的方法。精密控制震源发射并由地震台站观测设备记录下来的信号是连续线性调频振动信号(LFM),线性调频信号的Wigner-Ville变换是在时频平面内包含一条直线的图像,而Hough变换则是通过计算沿直线的积分可以有效检测图像中的直线,图像中的直线在Hough变换输出的图像中表现为一个峰值,用于精密控制震源信号的检测可以反映接收数据中存在的震源信号。本文针对精密控制震源信号检测中Wigner-Ville变换和Hough变换存在的问题开展研究,并提出了解决方案。通过对2009年在广东新丰江水库库区精密可控震源试验观测数据的实际处理,显示该方法是可行的,为精密控制震源信号的检测与变换找到了又一新的方法和技术途径。

关键词：精密可控震源检测与变换线性调频信号 Wigner-Hough变换

汶川M_S8.0地震震前近震源区地壳形变机制探究

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地震学报 2015年第6期37卷 959-972,2页

作者：李媛牛安福刘希康赵静曹景鹏中国地震局第一监测中心中国天津300180 中国地震台网中心中国北京100045 中国地震局地震预测研究所中国北京100036

多种形变资料表明,汶川地震震前越靠近震源区,其形变特征越不明显,且在近震源区震前呈现短期平静状态.为研究这种小变形现象的深部动力学因素及形变机制,本文基于成都地区1996—2007年13期重复重力观测数据,经平差处理后进行密度的三维... 详细信息

多种形变资料表明,汶川地震震前越靠近震源区,其形变特征越不明显,且在近震源区震前呈现短期平静状态.为研究这种小变形现象的深部动力学因素及形变机制,本文基于成都地区1996—2007年13期重复重力观测数据,经平差处理后进行密度的三维反演,得到了汶川地震近震源区震前10年的地壳深部密度变化水平向和垂直向的时空分布特征.结果表明:密度变化在空间上呈有序分布,主要集中在龙门山断裂带及其附近区域,且深部变化幅度显著大于浅部,表明近震源区断裂带深部活动较为显著;从时间上来看,密度变化速率并不均衡,在震前3—8年介质密度变化剧烈,而在震前短期变化却不明显.根据震前形变特征和不同深度密度变化的动态演化过程,本文认为龙门山断裂带的地壳分层运动,导致了浅层地壳的小形变和深部显著的密度变化.此外,根据该断裂带及其附近地区的密度变化特征,本文选取和改进了适合汶川地震的孕震模型,即改进的组合-硬化模型,将动力学过程与孕育机制结合起来,以期对汶川地震震前近震源区的形变机制作出合理解释.

关键词：地壳形变机制汶川MS8.0地震近震源区密度动态变化三维反演

甘肃及附近地区断层形变异常特征的综合提取与震例总结

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大地测量与地球动力学 2019年第12期39卷 1254-1260,1292页

作者：李媛刘希康郑智江刘峡中国地震局第一监测中心天津市300180 中国地震局地质研究所北京市100029

基于20世纪80年代以来的跨断层短水准资料,利用"点-线-面"相结合的研究方法,全面分析甘肃地区1990~2016年8次5.5级以上地震的震前应变背景、断层活动和短期形变异常的时空演化特征。结果显示,多个地震震前不同层面上出现如下典型的异常... 详细信息

基于20世纪80年代以来的跨断层短水准资料,利用"点-线-面"相结合的研究方法,全面分析甘肃地区1990~2016年8次5.5级以上地震的震前应变背景、断层活动和短期形变异常的时空演化特征。结果显示,多个地震震前不同层面上出现如下典型的异常特征:1)地震往往发生在垂直形变累积率的高值区或差异显著的高梯度带上,震前出现有序的形变场分布;2)震前不同断裂带之间或断裂带的不同段之间常存在显著的运动差异,发震断裂震前中短期运动速率显著增强,造成区域运动的不均衡;3)随着强震的逼近,显著异常场地在空间分布上明显向近震区迁移和集中,或近震源区的一些跨断层场地异常强度逐渐增大。地震震前典型异常的时、空、强演化特征说明,断层运动失稳前,近震区附近断层活动、应力应变场均有一定程度的显现,地震发生前断层活动存在不同往常的失稳波动现象,应力出现向近震源区传递的特征。

关键词：跨断层观测异常特征 “点-线-面”研究方法震例分析

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重力数据三维共轭梯度聚焦反演及应用

地震 2017年第1期37卷 10-19页

作者：刘希康丁志峰李媛张双喜王同庆中国地震局第一监测中心天津300180 中国地震局地球物理研究所北京100081

基于共轭梯度算法对欠定线性目标函数进行求解。为改善目标函数的多解性、消除多余构造信息影响,引入粗糙度系数矩阵;为克服"趋肤效应",更好地反映地质体的真实形态,在模型目标函数中引入深度加权函数;为更好的反映地质体的某些尖锐构... 详细信息

基于共轭梯度算法对欠定线性目标函数进行求解。为改善目标函数的多解性、消除多余构造信息影响,引入粗糙度系数矩阵;为克服"趋肤效应",更好地反映地质体的真实形态,在模型目标函数中引入深度加权函数;为更好的反映地质体的某些尖锐构造和边界,本文对目标函数添加了基于最小支撑泛函的聚焦反演约束。通过对多种模型的计算,验证了该方法具有较好的有效性和稳定性,并将该方法应用于实际重力资料地下密度反演中去,得到了较好的反演结果。

关键词：重力场共轭梯度深度加权函数聚焦反演

CEEMDAN在GNSS时间序列分析中的应用

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地震 2022年第3期42卷 99-110页

作者：刘希康丁志峰李媛李进武中国地震局地球物理研究所北京100081 中国地震局第一监测中心天津300180

通过对模拟信号的处理,验证了自适应完备经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)方法在资料分析处理过程中的有效性和可靠性.利用该方法对10个GNSS(Global Navigation Satellite System)连续站N、E、U三方向时间序列进行分解,发现其不仅存在年周期和半年周期信号,部分台站还存在更短或更长周期信号,且垂向周期性比水平向更明显,对应幅值更大.经周期项改正后,相比于原始N、E、U方向时间序列的平均WRMS(Weighted Root Mean Square error)分别降低了19.8%、19.0%和29.9%,表明该方法对周期项修正的有效性.

关键词： GNSS 周期项谐波模型自适应完备经验模态分解

CEEMDAN在GNSS时间序周期项提取中的应用

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CEEMDAN在GNSS时间序周期项提取中的应用