左明成，武 云

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430074)

地震監(jiān)測(cè)中異常次聲波的識(shí)別方法

左明成，武 云

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430074)

地震異常次聲波的監(jiān)測(cè)是地震監(jiān)測(cè)中的重要手段和途徑。但是，該次聲波在接收過(guò)程中受到了眾多噪聲的干擾。為了找到一種地震異常次聲波識(shí)別監(jiān)測(cè)的有效方法，根據(jù)已經(jīng)收集到的次聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與研究，按照去噪、特征抽取、信號(hào)篩選、分類決策的過(guò)程鑒別異常的次聲波。在實(shí)驗(yàn)中此方法和思路不僅僅得到了較好的識(shí)別效果，而且在監(jiān)測(cè)過(guò)程中也可識(shí)別出礦山爆炸信號(hào)和巴東地震次聲波信號(hào)。從而說(shuō)明該方法是地震次聲波自動(dòng)識(shí)別與監(jiān)測(cè)的一條有效途徑。由此，不僅可以較大地減輕地震監(jiān)測(cè)的工作量，實(shí)現(xiàn)異常次聲波的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，還可以應(yīng)用到其他的地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和地震的震前監(jiān)測(cè)程序之中。

聲學(xué)；信號(hào)分析；地震監(jiān)測(cè)；地震次聲波

地震發(fā)生時(shí)震源會(huì)向大氣中輻射有明顯特征的異常次聲波[1-3]，這為異常次聲波的識(shí)別分離提供了先決條件。通過(guò)對(duì)地震異常次聲波的特征進(jìn)行相關(guān)研究，就可以掌握異常次聲波的大體形態(tài)特征。而地震在發(fā)生之前通常也會(huì)產(chǎn)生異常次聲波，對(duì)于地震前的監(jiān)測(cè)和其它地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)而言，異常次聲波的特征研究就顯得十分必要了。

1 數(shù)據(jù)源

為了得到次聲波數(shù)據(jù)，在湖北省境內(nèi)安裝次聲波接收儀器的方式接收次聲波，次聲波接收儀使用的是中科院聲學(xué)所研制的In SYS 2008型號(hào)的次聲波傳感器，儀器可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地接受信號(hào)。將16臺(tái)次聲波接收儀接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)儀器轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)在二進(jìn)制文件中，可以更直觀的對(duì)次聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。圖1中是次聲波傳感器。

圖1 聲波傳感器

2 研究方法

數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為1S，一個(gè)小時(shí)時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)為一個(gè)文件大小，保存格式為二進(jìn)制。16臺(tái)儀器選取3臺(tái)構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此每天處理的文件量為72個(gè)文件。巨大的數(shù)據(jù)量給有用信息的抽取帶來(lái)了很大的困難。

本文提出所采用的地震異常次聲波的識(shí)別與監(jiān)測(cè)方法：對(duì)所接收的次聲波按照波形特征選擇濾波方法進(jìn)行濾波，判斷去噪之后的信號(hào)是否為可疑次聲波，若不是直接跳過(guò)；若是再使用分類器進(jìn)行分類，判斷是地震信號(hào)的則輸出進(jìn)行人工確認(rèn)，并將3小時(shí)之內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，輸出波形；否則就入庫(kù)來(lái)充實(shí)信號(hào)庫(kù)。圖2是本文所介紹的地震異常次聲波的監(jiān)測(cè)方法中的次聲波處理過(guò)程流程圖。

圖2 次聲波處理流程

2.1 基于天氣狀況的信號(hào)濾波

在進(jìn)行信號(hào)識(shí)別之前，一個(gè)要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題就是：儀器在接受次聲波的過(guò)程中，往往會(huì)使接收到的次聲波數(shù)據(jù)包含各種噪聲的干擾，尤其是天氣背景對(duì)次聲波數(shù)據(jù)純凈度的影響。因此，就需要針對(duì)接收到的次聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，而在濾波方法的選擇中也面臨困難。幸運(yùn)的是，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的次聲波數(shù)據(jù)研究，發(fā)現(xiàn)可以將次聲波按照天氣狀況進(jìn)行分類，每一次次聲波都有其特出的波形特點(diǎn)，按照其特點(diǎn)即可按照相應(yīng)的方法進(jìn)行濾波處理[4]。所以在研究中使用基于天氣狀況的數(shù)據(jù)分類，以此來(lái)決定濾波的方法選擇。

2.1.1 選取基于天氣狀況分類的特征參數(shù)

特征參數(shù)[5]的選擇應(yīng)該能夠表征每一個(gè)類別之間的最本質(zhì)的區(qū)別，每一種原始信號(hào)經(jīng)過(guò)向量抽取工作獲得一個(gè)規(guī)格化的能標(biāo)志其本身特征的屬性特征向量。在研究中發(fā)現(xiàn)，若要探究不同天氣狀況下的波形特征，對(duì)信號(hào)的形態(tài)把握基本上包含以下三個(gè)方面：

（1）頻域特征：包含信號(hào)主頻率變化范圍、頻譜結(jié)構(gòu)類型；

（2）時(shí)域特征：包含波形的最大值、平均值、方差；

（3）信號(hào)小波變換：包含一維小波變化系數(shù)[4]。

其中時(shí)域特征進(jìn)行的是波形分析，如波形的方差、平均值、最大值；頻譜分析可以得到信號(hào)相位、功率、離散程度、能量等信息。

2.1.2 基于天氣情況的數(shù)據(jù)分類

前面講到天氣狀況可以決定數(shù)據(jù)的去噪方法的選擇?，F(xiàn)將天氣狀況分為五類：大雨、小雨、晴天、刮風(fēng)和復(fù)雜混合天氣（包含刮風(fēng)、下雨等復(fù)雜的天氣狀況）。而陰天、陰霾、有霧等天氣狀況由于分類困難、與其他天氣狀況下的次聲波無(wú)法分離，所以就不再單獨(dú)分類。表1是試驗(yàn)研究中分成的五類數(shù)據(jù)中有代表意義的一組主模板，從表中可以獲得如下信息：

（1）晴天天氣的波形比較平穩(wěn)，這與事實(shí)是符合的，因?yàn)榍缣斓臓顩r下，外界環(huán)境狀況比較平和，沒(méi)有聲壓突變的情況；

（2）下雨的天氣狀況下次聲波分為兩類狀況：大雨和小雨，大雨和小雨天氣狀況是相似的，但是從統(tǒng)計(jì)列表中可以看出小雨的天氣狀況明顯比大雨的天氣狀況要平穩(wěn)一些；

（3）晴天和刮風(fēng)天氣狀況下極值的差值不是很大，這說(shuō)明這兩種天氣狀況下波形中每個(gè)時(shí)刻的聲壓值不會(huì)超過(guò)太大的范圍。而下雨天氣狀況下所接收的波形更加不穩(wěn)定，這與現(xiàn)實(shí)也是相符的；

表1 每種天氣狀態(tài)下接收到的次聲波波形的整體形態(tài)統(tǒng)計(jì)表

（4）每種天氣狀況下都會(huì)產(chǎn)生低頻次聲波。因此選擇合適的濾波方法變得更加重要。且低頻信號(hào)在每一種天氣狀況中所占的比例都比較高，因此這不是分類的參與因素之一；

（5）復(fù)雜天氣的次聲波信號(hào)特點(diǎn)很明顯：信號(hào)不穩(wěn)定、極值橫跨范圍大。所以在濾波的時(shí)候就要選擇更加合適的濾波方法。

通過(guò)上述的信號(hào)特征研究之后，基本上可以了解不同天氣狀況下信號(hào)的各個(gè)特征值。綜合目前在各領(lǐng)域的濾波方法以及它們的濾波特點(diǎn)，就可以將各種天氣狀況和濾波方法進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然各種濾波方法濾波之后的差別不是特別明顯，但是很小的一點(diǎn)差別就會(huì)使得最終的分類會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，這將直接影響到次聲波信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確程度。所以這里進(jìn)行天氣狀況的數(shù)據(jù)分類是有意義和必要的。

由于目前數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)量比較少，會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生誤判，所以還要通過(guò)不斷地添加新的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則的完善工作。

2.1.3 根據(jù)天氣狀況選擇濾波方法

不同的天氣狀況所接收到的次聲波的數(shù)據(jù)有不同的噪音干擾，而且其干擾也有不同的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)已有數(shù)據(jù)的分類研究中發(fā)現(xiàn)，基本的濾波可以分為以下幾類，這里本文只做簡(jiǎn)單的介紹，不再進(jìn)行詳細(xì)闡述，具體可見(jiàn)文獻(xiàn)[6]：

（1）晴天所接收的次聲波最適宜使用帶通帶阻濾波、自適應(yīng)濾波、FFT濾波以及低通濾波；

（2）大雨、小雨天氣，通過(guò)小波分析可以去除不同頻率的信號(hào)特征，這里我們選擇閾值消噪，分為硬取閾值和軟取閾值；

（3）刮風(fēng)天氣下選取小波濾波進(jìn)行濾波處理；

（4）復(fù)雜混合天氣所接收的次聲波噪音信息復(fù)雜，為了更好地處理次聲波數(shù)據(jù)。

圖3 自適應(yīng)濾波效果圖

本文選用自適應(yīng)濾波來(lái)進(jìn)行濾波，圖4給出的是自適應(yīng)濾波的一個(gè)實(shí)例。

之所以復(fù)雜天氣選用自適應(yīng)濾波來(lái)進(jìn)行處理是因?yàn)樽赃m應(yīng)濾波能夠根據(jù)噪聲干擾的變化情況進(jìn)行濾波參數(shù)的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)信號(hào)的適應(yīng)性處理的效果，而且在調(diào)整的效果上有較小的滯后性，起到緊隨信號(hào)變化進(jìn)行信號(hào)處理的作用。

2.2 異常次聲波信號(hào)識(shí)別

2.2.1 設(shè)定信號(hào)識(shí)別特征參數(shù)

濾波之后需要對(duì)地震異常次聲波和其它類似干擾次聲波進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分。這里特征參數(shù)的設(shè)定同樣規(guī)定為：信號(hào)的突出形態(tài)、是否有峰值和峰值的數(shù)量、峰值出現(xiàn)的頻率范圍、最大的聲壓值、峰值信號(hào)持續(xù)時(shí)間、信號(hào)的周期。

2.2.2 異常信號(hào)識(shí)別和區(qū)分結(jié)果

確定了濾波方式并且對(duì)次聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波操作之后，即可以將訓(xùn)練樣本的特征值進(jìn)行抽取保存在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)之中。通過(guò)對(duì)以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析學(xué)習(xí)[7]，得出各種聲源產(chǎn)生的次聲波的特征參數(shù)數(shù)值范圍。在已收集到的所有次聲波數(shù)據(jù)中，排除特征無(wú)異常的次聲波數(shù)據(jù)信號(hào)（如晴天環(huán)境下平穩(wěn)的信號(hào)）之外，最可能影響判斷的包含三類：

（1）爆炸型信號(hào)。這種信號(hào)包括：礦山爆炸、煙花爆炸、海洋運(yùn)動(dòng)等所產(chǎn)生的異常信號(hào)；

（2）振動(dòng)類數(shù)據(jù)：包括儀器周圍的突然開(kāi)關(guān)門、開(kāi)燈、撞擊、汽車啟動(dòng)等信號(hào)；

（3）山體運(yùn)動(dòng)類信號(hào)：包括山體滑坡、泥石流等異常信號(hào)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)，可以得出如下表2的信息：

（1）地震異常信號(hào)大體分為三類，但是每一類之間都有共同的特征：信號(hào)有突變、有峰值、聲壓值大，信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、周期長(zhǎng)、信號(hào)屬于低頻等特點(diǎn)；

（2）振動(dòng)型數(shù)據(jù)和爆炸型數(shù)據(jù)雖然也存在大聲壓值、有峰值，但是持續(xù)時(shí)間短、周期短、信號(hào)呈現(xiàn)一條直上直下的直線狀態(tài)。表2中關(guān)門信號(hào)的聲壓值很大，是由于儀器靠近門所造成的。

表2 每種地震異常次聲波統(tǒng)計(jì)和類似干擾次聲波情況統(tǒng)計(jì)表

因此，分辨地震異常信號(hào)與其他相似干擾信號(hào)的主要依據(jù)可以壓縮概括為：信號(hào)有突變、突變持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、超低頻。而這也是在信號(hào)分類中的一個(gè)重要和基本的條件，這個(gè)條件基本上可以設(shè)定為兩個(gè)閾值：信號(hào)的頻率低于設(shè)定的頻率閾值；突變信號(hào)的周期持續(xù)時(shí)間高于設(shè)定的時(shí)間閾值。設(shè)定閾值的應(yīng)用可以極大減少信號(hào)判斷時(shí)間。

2.3 分類器設(shè)計(jì)

近鄰法是從每一類的樣本中選擇出一個(gè)樣本主模板，通過(guò)計(jì)算待識(shí)別樣本與每一類的主模板距離來(lái)確定該信號(hào)屬于哪一個(gè)信號(hào)種群，而主模板可以通過(guò)計(jì)算該類中所有樣本的每一個(gè)分量模板均值來(lái)確定。但是這種方法會(huì)使噪音信號(hào)嚴(yán)重的影響到信號(hào)的分類。所以提出閾值—K近鄰算法進(jìn)行分類器的設(shè)計(jì)。K近鄰算法就是計(jì)算模式空間中距離待測(cè)樣本距離最近的K的樣本，將該樣本歸入到K個(gè)樣本中數(shù)量最多的一類當(dāng)中。而地震異常次聲波的特點(diǎn)是：超低頻、長(zhǎng)周期。所以可以設(shè)定兩個(gè)閾值A(chǔ)和B，如果信號(hào)的主頻率高于頻率閾值A(chǔ)或者周期短于周期閾值B則舍棄信號(hào)，否則對(duì)信號(hào)進(jìn)行KNN分類操作。

具體的異常次聲波分類流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 信號(hào)識(shí)別流程

而實(shí)際上閾值A(chǔ)、B的選擇會(huì)根據(jù)樣本的不斷完善而趨近于一個(gè)比較合理的值。在下文中將通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證KNN算法直接應(yīng)用到次聲波分類中的可行性，并將添加了閾值判斷的分類器與無(wú)閾值判斷的分類器進(jìn)行性能對(duì)比。

2.3.1 K值確定

為了確定最合理的K值[8]，現(xiàn)在使用已經(jīng)構(gòu)建好的訓(xùn)練樣本庫(kù)進(jìn)行計(jì)算操作，取用30個(gè)已知類別的樣本進(jìn)行試驗(yàn)，將K的取值范圍確定為1～14，根據(jù)樣本歸類的準(zhǔn)確度確定最合理的K值范圍[9]，甚至是準(zhǔn)確值。圖5是對(duì)K不同取值情況下分類準(zhǔn)確度的對(duì)比顯示。雖然隨著K值得變化，分類的精度一直比較高，但是實(shí)際上，最高的部分分布在3—8的位置上。所以此時(shí)可確定K的取值為5。隨著數(shù)據(jù)樣本數(shù)量的增加，K值得設(shè)定需要不斷改變，以使分類得到更高的準(zhǔn)確度。目前適合的K值比較小是因?yàn)闃颖緮?shù)量還太少。

圖5 分類準(zhǔn)確度和K的關(guān)系

3 研究結(jié)果

3.1 分類準(zhǔn)確性評(píng)估

確定了K值之后，對(duì)算法進(jìn)行信號(hào)分類效果分析與評(píng)估，測(cè)試樣本采用分層抽取的方法，獲得地震信號(hào)和其它干擾信號(hào)構(gòu)成測(cè)試樣本庫(kù)。這次設(shè)定訓(xùn)練樣本每一類的數(shù)量作為自變量，來(lái)比較算法有無(wú)閾值的分類準(zhǔn)確度。圖6是分類算法改進(jìn)前后的性能比較，從圖中可以看出，K近鄰分類法應(yīng)用到次聲波的分類中，隨著樣本的完善，分類準(zhǔn)確度的提高是比較明顯的。而將K近鄰算法進(jìn)行了添加閾值的改進(jìn)應(yīng)用之后，分類效果明（接上左欄）顯增強(qiáng)。就運(yùn)行效率來(lái)看，KNN算法最大的缺點(diǎn)就是運(yùn)行耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，添加了閾值之后發(fā)現(xiàn)，絕大部分的信號(hào)都被排除在的KNN的計(jì)算之外，也就是說(shuō)，真正參與到KNN計(jì)算的只占一小部分，這樣就彌補(bǔ)了算法上的時(shí)間耗費(fèi)大的問(wèn)題。不僅僅提高了分類準(zhǔn)確度，而且還節(jié)省了運(yùn)算開(kāi)支。

圖6 算法改進(jìn)前后分類效果

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果

在剛剛建立的系統(tǒng)中，使用到了本文所提到的監(jiān)測(cè)方法，在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中共監(jiān)測(cè)到幾次湖北省境內(nèi)幾次地震異常次聲波和一次山體采礦的爆炸次聲波。其中圖7為多次地震中的一次，該次地震對(duì)應(yīng)的是2013年12月16日湖北省境內(nèi)巴東地區(qū)所發(fā)生的4.5級(jí)地震，從圖形顯示中可以看出該波形與之前所總結(jié)的地震波形極為相似。圖8是系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出的湖北省境內(nèi)礦山開(kāi)采時(shí)所放炸藥產(chǎn)生的次聲波信息，從該圖中可以看出，該波形也擁有之前所總結(jié)的爆炸信號(hào)所擁有的特征，信號(hào)直上直下，周期極短。從以上兩點(diǎn)可以看出：之前所總結(jié)的地震異常次聲波的波形特點(diǎn)是有其科學(xué)性的。

圖7 監(jiān)測(cè)到的地震次聲波

圖8 監(jiān)測(cè)到的礦山爆炸次聲波

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)已經(jīng)收集到的大量次聲波數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行正確性驗(yàn)證，從分類的正確度來(lái)看，分類的準(zhǔn)確度保持在80%～92.5%之間。地震信號(hào)可以確保高準(zhǔn)確度地分辨出來(lái)。說(shuō)明該方法在某些細(xì)節(jié)仍然需要進(jìn)行技術(shù)性的改進(jìn)。但是較高的分類準(zhǔn)確度仍說(shuō)明該思路是可行的。

次聲波的研究是地震監(jiān)測(cè)中一個(gè)重要的手段與途徑，該方法的使用可以極大地減輕技術(shù)研究人員的工作量，而該技術(shù)的成熟將在其它地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)甚至是地震的震前監(jiān)測(cè)中有新的使用。方法的完善，樣本數(shù)據(jù)庫(kù)的充實(shí)，都將是該方法繼續(xù)研究的重要組成部分。

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Recognition Method ofAbnormal Infrasound in Earthquake Monitoring

ZUO Ming-cheng,WU Yun
(China University of Geosciences(Wuhan)Computer College,Wuhan 430074,China)

Monitoring the earthquake abnormal infrasound is the important means for seismic monitoring,but the infrasound is often disturbed by many noises in the receiving process.In order to find an effective method for abnormal sound recognition in seismic monitoring,the collected infrasound wave data was analyzed.With the process of de-noising,feature extraction,signal filtering,classification and determinasion,the abnormal infrasound was detected.Application of this idea and method can get a better recognition effect in the experiment.As an example,this method was applied to identify the mine explosion signal and Badong earthquake infrasound signal.It shows that this method is effective for automatic recognition and monitoring of earthquake infrasound.This method can realize automatic monitoring of abnormal infrasound effectively and economically,and can be applied to the monitoring programming for earthquake monitoring and some other geological disasters monitoring.

acoustics;signal analysis;seismic monitoring;seismic infrasound waves

TB132；TN911.6；TP18

：A

：：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.049

1006-1355(2015)01-0240-04

2014－08－01

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201310491060）

左明成(1992－)，男，山東萊陽(yáng)人，本科生，空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)，主要研究方向?yàn)榈卣鸨O(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)挖掘；數(shù)字圖像處理、三維可視化。E-mail:1317085693@qq.com

武云，講師，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系研究生。E-mail:23753648@qq.com