我国精密可控震源主动探测研究进展

崔仁胜，周银兴，陈 阳，林 湛，王洪体，薛 兵

（中国地震局地震预测研究所，北京 100036）

我国精密可控震源主动探测研究进展

崔仁胜，周银兴，陈 阳，林 湛，王洪体，薛 兵

（中国地震局地震预测研究所，北京 100036）

精密可控震源对地发射扫频信号，通过高精度的观测系统获得记录资料，采用专门的数据处理方法来提取信号，获得地下介质的信息。介绍现有的一些数据处理方法，比如匹配滤波、反褶积、Wigner⁃Hough变换和时变滤波等，可以实现可控震源信号提取。并总结这些方法的优缺点。通过多次野外科学实验发现，精密可控震源技术是一种探测地下介质结构及变化的有效途径。针对精密可控震源探测的影响因素，还需要开展深入研究，以便于改善其探测距离和分辨能力。

精密可控震源；主动探测；波速变化；深部结构；信号检测

0 引言

地震是发生在地球内部由地质应力变化引起的具有破坏性的自然灾害，其孕育和发生过程总是伴随着地下介质特性的变化。直接获取地下介质应力变化存在困难，而通过测量介质波速变化是间接测量介质应力变化的可能途径之一［1］。长期以来，地球物理学家获取地球内部结构、组成和状态的手段通常包括三种：天然地震、背景噪声和人工震源［2-7］。其中，天然地震具有巨大的穿透力量，能量强，信噪比高；但地震事件本身存在时空分布不均匀的特性，且地震的震源位置等参数存在不确定性。背景噪声成像的出现弥补了天然地震分布不均和定位不准的缺陷，但背景噪声信号源弱，需要叠加长时间数据来提高信噪比，牺牲了时间分辨率。人工震源可根据需要重复激发地震波，并且震源位置已知，是深部结构探测的重要手段之一。

地震探测中常用的人工震源分为脉冲型震源和连续型震源。脉冲型震源主要有爆破、气枪、锤击和落重等［7-8］，而连续型震源主要是机械可控震源［9-11］。由于爆炸震源对环境有一定的破坏作用，气枪震源需要水体等特定的发射条件，锤击和落锤的发射功率小且探测距离和深度有限，因此具有大功率输出力和精确控制相位／频率特点的人工机械可控震源在地下介质实时监测领域有着广阔的应用前景。

目前常用的机械可控震源主要有用于石油勘探领域的VE432型可控震源、俄罗斯的液压共振式可控震源、日本的精密可控常时震源（ACROSS）和我国研制的精密可控震源（CASS）［11］。用于勘探的VE432型可控震源输出力小，以浅部结构探测为主，不适用于远距离深部结构探测［9-10］。俄罗斯的液压式可控震源以输出力大（最大100吨）见长，探测距离可达350 km［12］；日本的ACROSS震源具有发射信号频率精密控制的优点［13-15］。我国的精密可控震源研究始于2002年，在科技部对俄合作专项、科技支撑计划、财政部修购专项和中国地震局的支持下，开展了大量卓有成效的工作，研制了四代可控震源系统。第一代是单个偏心质量体构成的水平旋转震源，输出水平向旋转力，验证了可控震源控制系统和起震系统的工作原理；第二代是由两个偏心质量体构成的线性震源，输出水平向线性力；第三代震源是将第二代水平向作用力震源改进为垂直向作用力震源，改善了可控震源与大地的耦合；在第三代震源基础上结合大功率输出力和精密控制信号频率，开发了第四代精密可控震源，即由北京港震机电有限公司生产的大功率精密可控震源。以下文中所述即为第四代精密可控震源研究及应用的主要进展。

1 工作原理及发射信号

由于精密可控震源具有精确控制的发射频率和准确已知的震源位置，通过长时间向地面主动激发重复地震波，在高精度的观测系统支持下连续观测和记录信号，利用数据处理计算波形变化和相位延迟，研究地下介质波速的空间分布和时间变化［11］。主动地震监测的重要任务是利用获取的地下介质波速变化来间接测量应力的变化，从而发现危险的构造应力，并估计应力内部储存能量，尝试在介质的内部区域发生迅速的地质时间尺度改变或者构造应力的重新分布时探索构造应力的可测量变化与释放事件之间的关系［16］。

精密可控震源系统由机械系统、控制系统和监控系统三部分组成［11］。机械系统主要由电机和振动体组成；控制系统主要包括控制终端和旋转编码器；监控系统主要由近场地震计和加速度计组成，记录震源工作时的近场波形。精密可控震源控制系统按照设计好的扫描信号驱动电机，在电机的带动下，两个偏心质量体相向旋转，其离心力相互作用合成垂直方向的作用力，这个力作用在发射平台上，使得发射平台与地面耦合共同产生振动，将发射信号传入地下，并通过布设的地震仪接收。

精密可控震源发射信号是一种频率随时间变化的连续振动信号。为了使扫描频率选择灵活和准确，扫描信号事先生成。目前使用较多的发射信号为线性扫频信号，信号频率为4～10Hz，每小时1个周期，每个周期内有5次升频-降频过程，具体变频模式如图2所示。

通过记录近场可控震源信号并计算其相关性，发现精密可控震源发射信号相关系数高达99.7%以上［17］，发射信号的高度重复保证了测量相同路径上的地震波走时变化的可靠性。

通过设计频率和时间的关系式来得到理想的扫描信号，提高探测信号的分辨能力。杨微等在龙门山前山断裂探测实验中使用了2～10Hz频带的组合线性扫描信号［19］，尽可能延长低频信号扫描时间，增大低频激发总能量。崔仁胜等根据能量均衡原则和信噪比均衡原则通过仿真计算设计了两种非线性扫描信号［20］，理论上这两种信号较线性扫频信号更利于提高相关子波的分辨率。

2 数据处理方法

由于精密可控震源发射信号是一种连续信号（调制正弦波），观测台站记录数据的信噪比低于1dB，这不同于脉冲震源发出的信号，不能直接分析和提取地下介质信息；而目前解释介质特性的技术，都是基于震源信号为脉冲信号的波形，因此需要对观测数据进行波形变换和信号叠加。正因为精密可控震源发射连续的线性调频信号，因此我们可以使用数字信号处理技术来提取有效信号。

2.1 匹配滤波

王洪体等利用匹配滤波在接收台站弱信号中检测并提取精密可控震源信号［11］。设s（t）为可控震源发射信号，x（t）为台站记录信号，n（t）为台站噪声，r（t）为信号传播路径的传递函数，则：

根据匹配滤波理论存在这样一个滤波器，使得台站记录信号x（t）通过滤波后输出信号y（t）达到最大的信噪比：

这等价于计算x（t）和s（t）的互相关。根据匹配滤波理论，通过（2）式计算出的滤波输出的最大信噪比可以达到：

式中：N0为噪声的平均功率谱，E为震源发射信号的能量。精密可控震源发射信号能量与信号激发时间正相关，因此能通过增加发射信号的持续时间来增加匹配滤波输出的信噪比。

崔仁胜等改进了匹配滤波方法［21］，通过评估记录波形的噪声时间分配对应的权重，对噪声水平高的时段分配较小的权重，噪声水平低的时段分配较大的权重，并将权重分配到匹配滤波中，达到降低短时突发强噪声的影响、有效提高输出信号信噪比的目的。

匹配滤波方法能够实现精密可控震源的弱信号检测，由于其得到的为零相位子波，读取波形初至等存在一定困难，提取的震相分辨率需要进一步提高。

2.2 反褶积

杨微等利用频率域反褶积方法处理分析精密可控震源观测数据［19］，对式（1）进行傅立叶变换，可得：

则信号传播路径的传递函数在频域可表示为

再对R（ω）进行逆傅立叶变换，得到式（1）中的时域传递函数r（t）。频域反褶积方法可对信噪比高的台站进行信号提取，由于其忽略了噪声的影响，不利于远距离台站高噪声环境下的弱信号检测。

2.3 Wigner⁃Hough变换

Li等、刘希康等和刘明辉等利用 Wigner⁃Hough变换检测和提取精密可控震源发射的线性调频信号［22-24］。Wigner⁃Hough变换是进行非平稳信号处理的强有力工具之一。Wigner⁃Vile分布对线性调频信号具有很好的时频聚集性，Hough变换则是图像信号处理中用来识别几何特征的一种技术，它通过从图像空间到参数空间的映射，对图像空间中的直线或曲线进行检测。接收台站的观测记录中包含一系列经过不同路径传播达到台站的精密可控震源发射的线性调频信号，这样的记录在Wigner⁃Hough变换中显示为一系列的峰值。假定在震源信号频带内各频率成分传播速度一致，那么这一系列峰值具有一样的斜率，按这个斜率切除的二维Hough图像中的曲线就是精密可控震源信号变

当接收台站观测记录的信噪比足够大，忽略噪声的影响，得到换的波形，再通过时间轴变换就可以完成可控震源信号的检测与变换。Wigner⁃Hough是一种有潜力的提取信号的时频分析手段，但在处理中牺牲了时间分辨率。

2.4 时变窄带滤波

张正帅等［25］设计了时变窄带滤波器，对精密可控震源源信号和接收台站记录信号进行滤波，其中时变滤波器的中心频率通过跟踪源信号的频率-时间关系得到。通过对滤波后的记录信号滑动扫描检测不同路径传递到台站的精密可控震源信号，利用滑动扫描得到的信号检测曲线峰值读取不同震相到时。根据震相到时再对台站记录进行时变窄带滤波，得到各自对应的波形，实现信号检测和震相分离。时变窄带滤波考虑了每一时刻中心频率以外的噪声，局部改善信噪比，有利于弱信号检测；但处理过程较为繁杂，计算量大，需要进一步优化。

3 主要探测实验

3.1 沽源实验

2008年5月，中国地震局地震预测研究所在河北省沽源县开展了精密可控震源观测实验。实验中使用的是40吨精密可控震源，信号发射台安置在沽源县九连城镇，自震源位置沿西南方向布设了150 km长共30个测点的流动测线，平均台间距约5 km。精密可控震源自2008年5月9日到5月18日共运行了10天。通过分析流动观测数据发现在150 km长测线上均有效检测到信号，并且得到的精密可控震源记录剖面与前人在该地区得到的H-21二号炮点的记录剖面初至震相基本一致，也能看到明显的莫霍面反射波［11］；同时对固定路径的地震波走时变化进行计算尝试（图3），测量到的走时相对变化为1.9×10-4。

3.2 龙门山前山断裂实验

汶川地震后，国土资源部和中国地震局实施了汶川地震断裂带科学钻探工程。为研究龙门山断裂前山断裂带的应力变化和震后愈合过程，中国地震局地球物理研究所使用北京港震机电有限公司生产的10吨精密可控震源在四川省绵竹市九龙镇跨越前山断裂开展了连续监测实验，并布设了8个流动地震台进行信号接收，最远的台站距离精密可控震源9.7 km。该实验自2009年6月20日开始运行。在实验期间的2009年6月30日凌晨2时3分，当地发生了MS5.6地震。通过分析地震前后的观测数据，发现穿过断裂带的直达S波走时发生了时延为5～9 ms的微弱变化，射线路径上的平均波速相对下降了约0.3%，如图4所示，其中台站st02-st04的走时在地震前 后没有明显变化，st05-st07的走时延迟较大［19］。

3.3 龙门山断裂南段探测实验

同样，在汶川大地震后，中国地震局地震预测研究所在汶川震区南端的芦山、宝兴一带开展实验探测龙门山断裂南段地下结构和应力变化。由于青藏高原在印度板块俯冲急速抬升，受华北板块和杨子板块阻挡无法向东向北运动，最终强大的挤压应力施加于龙门山构造带［17］。野外实验共分两期进行，其中一期为2008年9月至2009年1月，精密可控震源信号发射台位于四川省雅安市雨城区望鱼镇，布设的测线由雅安市雨城区望鱼镇开始向西北方向展布长度约120km，共28个接收台站。二期实验自2009年5月至2009年10月，精密可控震源信号发射台位于四川省芦山县太平镇，共布设流动测线2条，其中A测线走向与一期测线相同，架设了23套流动数字地震仪器；B测线由5个台组成，分布在可控震源发射台两侧。实验使用的是建立在水泥基座上的40吨大功率精密可控震源，发射线性扫频信号（图2），通过流动地震仪记录观测数据。刘明辉等利用二期实验数据计算得到了芦山震中区附近的二维波速结构（图5），发现在芦山震中区有明显的波速差异［18］。

3.4 广东新丰江水库探测实验

2009年12月至2010年1月，中国地震局地震预测研究所在广东省新丰江水库周围的紫金县、英德市和龙川县开展了4次40吨精密可控震源激发试验，并利用布设的英德-河源-陆河、龙川-河源-增城两条流动测线和新丰江水库地震台网共同记录了该次实验数据，最远流动台站距发射点220 km。通过分析，发现所有的台站均有效检测到信号。除精密可控震源激发信号外，还在英德和陆丰进行了两次爆破。通过对比分析，精密可控震源剖面与英德爆破剖面的主要震相基本一致（图6）。杨卓欣等联合爆破资料和精密可控震源观测资料反演了二维波速结构（图7）［26］，结果显示，沿剖面地壳平均速度为6.21～6.25 km／s，莫霍面由南东向北西呈缓慢加深的趋势，埋深31.0～32.5 km。库区的地震多发生在二维速度剖面反映的上地壳速度纵横向变化明显的区域，推测可能存在切至上地壳上部的深部断裂。

3.5 首都圈赤城实验

2011年3月，中国地震局地震预测研究所在河北省赤城县建立精密可控震源信号发射台，使用40吨精密可控震源分别在水泥基座和流动钢板基座激发信号，利用首都圈数字地震台网记录观测数据开展对比实验研究。两次实验均激发的是4～12 Hz的线性调频信号，通过对观测数据进行信号检测发现，水泥基座下激发的信号最远传递到116 km外的张北台，钢质基座激发的信号最远可传递到201 km外的兴隆东地震台；对张北台两次记录的实验数据分析表明，钢质基座信号信噪比高于水泥基座激发的信号。

4 探测影响因素

4.1 探测距离

精密可控震源的探测距离影响因素主要有发射能量、震源耦合和观测点台基噪声等。

由于精密可控震源是一种连续震源，其发射能量主要与震源输出力和持续时间有关。当发射时间一定时，震源输出力越大，发生能量越大。而震源输出力大小又和发射频率、旋转体质量有关。可控震源最大发射频率和旋转体质量由可控震源机械特性决定。旋转体质量越大，最大发射频率越低；旋转体质量越小，最大发射频率越高。另一方面，可控震源发射能量是震源输出力在时间域的积分，因此当输出力一定时，可控震源通过持续时间来增大单个周期激发能量。由于可控震源的重复性高，可通过多个周期信号叠加来实现能量的增加。

精密可控震源探测距离的另一个影响因素是震源耦合特性。接收台站记录的信号强度与发射能量大小和实际输出功率有关。可控震源实际输出功率更能够反映震源的工作效能。精密可控震源将设计的扫频信号经过电机后驱动旋转质量体，生成对地作用力，而后通过和地基耦合的基板将该作用力传入地下后被远距离台站接收。可控震源基板激发信号中，除了发射信号的主频能量成分以外，还叠加有大量的高频谐波能量，造成发射信号能量在耦合过程中的损失［27］。因此震源耦合特性决定了震源发射能量传入地下的效率，效率因子越高，传递能量越多，探测距离越远。在赤城实验中，同一个发射地点，分别在水泥地基和流动钢板底座来安装精密可控震源激发地震波。利用区域台网观测数据检测信号发现，流动钢板基座的实验信号传递的更远，可达201 km处的兴隆东台，而水泥地基底座的实验信号最远只能传递到116 km外的张北台；在张北台接收的两次实验信号振幅也不一样，前者检测的信号振幅更大。因此改善震源耦合特性有助于提高探测距离。

观测点台基噪声也影响了远距离探测信号检测。在赤城实验中，我们发现，距源201 km的兴隆东台可有效检测到信号，而距源75 km的沙城台却检测不到震源信号。通过分析两台的台基噪声发现，沙城台在1～10 Hz频带内的台基噪声水平高于-140 dB，而兴隆东台的台基噪声远低于-140 dB。可见低噪声环境台站有助于精密可控震源的信号检测。

4.2 分辨能力

精密可控震源探测分辨能力主要与发射能量、信号频带宽度和信号频谱等有关［10］。在有噪声情况下，相同台站接收可控震源发射信号，发射能量越大，接收信号信噪比越强，对改善探测分辨能力越明显。信号频带宽度对分辨能力的影响主要表现在中心频率和相对频带宽度：中心频率越高，相关子波主瓣宽度越窄；相对频带宽度越宽，相关子波主旁瓣振幅比越大，主瓣部分越突出。

震源发射信号的频谱形态特征代表了各频率能量的分布，经过地下介质传播接收的观测信号能量均衡决定了相关子波形态，而相关子波形态又决定了震相分辨率。不考虑场地响应，在无噪声的情况下，信号各频率能量相等的相关子波分辨率最高，因此信号频谱是影响探测分辨能力的重要因素之一。

5 结论与讨论

由于精密可控震源对地作用力小，绿色环保，对激发场地条件没有过多的限制，可在不同地质条件情况下开展主动探测，获得地球深部介质信息；同时精密可控震源激发信号高度重复，并能够连续稳定运行，可以对跨断层及地震重点危险区开展连续观测，用于监视地下介质波速变化。多次野外实验结果也验证了精密可控震源是用于主动地震探测的有力工具之一。

虽然精密可控震源已用于多次科学实验，但仍需要开展深入研究来进一步提高精密可控震源的探测距离和分辨能力。在探测距离方面，一方面改进震源结构本身，拓宽发射频带增加输出力；另一方面，继续发展弱信号检测方法，使用数字信号处理技术或台阵技术检测远距离接收信号。在探测分辨能力方面，结合探测区实际情况设计质量更高的发射信号，提高震相识别及到时读取精度，使探测数据更易于处理和分析。同时由于连续监测会产生大量的观测数据，数据实时处理分析也是亟需的。实时便捷化数据处理可快速产出地下介质结构及波速变化云图，为探索地下介质变化与研究地震孕育发生提供有力支撑。

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Research Progress in Active Monitoring of the Controlled Accurately Seismic Source in China

Cui Rensheng，Zhou Yinxing，Chen Yang，Lin Zhan，Wang Hongti，Xue Bing

（Institute of Earthquake Science China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

A sweep signal，radiated by the Controlled Accurately Seismic Source（CASS），is recorded by a high⁃precision observation system.From what’s recorded signal is extracted through special data processing to get information about the subsurface medium.This paper first presents some data⁃processing methods like matched filter，deconvolution，Wigner⁃Hough transform and time⁃varying narrow⁃band filter etc.，which can be used to extract controlled seismic source signals，and then summarizes both the advantages and the disadvantages of these methods. Field experiments prove that CASS technology is efficient in detecting the structure and variation of the subsurface medium.To make improvements in the detection of distance and resolution capability，further study is to be done in specifying the factors that have an influence on CASS detection.

CASS；active monitoring；velocity variation；deep structure；signal detection

P631.4

1673-8047（2016）04-0021-09

2016-07-29

中国地震局地震预测研究所基本科研业务费专项（2014IES0202，2015IES0307，2015IES010303）

崔仁胜（1985—），男，博士研究生，助理研究员，主要从事地震观测技术研究。

周银兴（1980—），男，硕士，工程师，主要从事地震观测技术研究。