单台地震预警实时方位角估算应用分析

朱夏乐+柴森+刘超+彭宇

摘要：地震动的预测需要地震的震中位置信息，实时监测地震波并快速给出地震的准确定位信息，可以在地震发生时尽快地给出地震可能影响的范围。单台站方位角估算可以在地震P波到达的几秒内就给出估算的方位角结果，能够满足地震预警时效性的要求。本文将偏振分析计算方位角算法应用到实际工程中，并分析了误差出现的原因以及改进的思路。

Abstract： Earthquake prediction requires location information of earthquake epicenter， and real-time monitoring of the earthquake wave and accurate location information of the earthquake can give the scope of earthquake affected. as soon as possible when the earthquake occurs. Single-station azimuth estimation can give the estimated azimuth angle results in a few seconds after the earthquake P wave arrival， and can meet the requirements of earthquake early warning timeliness. In this paper， the polarization analysis algorithm is applied to the practical engineering， and the reason of the error and the improvement of the method are analyzed.

关键词：地震预警；方位角；协方差矩阵

Key words： earthquake early warning；azimuth；covariance matrix

中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）29-0220-02

0 引言

地震震中位置估算的准确性直接影响到后续地震影响范围的估计，因此其研究具有重要意义。主流的地震定位方式为保证定位准确性，一般依赖于3台及以上的台站数据进行多台站定位。但多台估算方法对于实时、快速地震定位来说受到耗时高、算法原理本身（速度模型，拾取误差）等因素制约。而单台站具有耗时少，计算快的特点[1][2]，因此研究单台站方位角估算是具有意义的。

1 数据来源

本文所用的数据如表1所示，选自2014年四川省崇义地震台站（N30.9095，E103.7251）所记录的25组三分量地震加速度数据，震级为3.0～6.3级，震中距为50～400km，方位角为10°～350°所有数据均通过STA/LTA方法[3]、AIC方法[4]进行拾取。

2 方法原理

3 算法测试

对于方位角计算，对三分向地震数据经过4阶Butterworth（0.5～5Hz）带通滤波处理，直接采用加速度进行方位角计算，计算所得到的结果与真实值的对比如表2所示。

本次测试利用偏振方法估算方位角效果较好，测试结果的最大偏差为160°，最小误差为0.6°，平均误差32.42°。

将计算结果成图进行对比，如图1所示，图1（a）中虚线之间表示估算误差允许的范围（-30°～30°），图1（b）为误差折线图。图1中可以直观看出，除少量数据的计算结果有较大的误差外，其余偏差基本在30°以内。

4 结论

在上文试验计算结果中，分析估算结果误差较大的原因如下：SNR较低的数据定位结果误差较大，该方法本质是基于统计的方法，计算数据长度根据经验选择（3s），数据内噪声强度会影响定位结果。从加速度计正南或者正北方向传达的地震波引起数据的协方差矩阵偏振不明显，会出现导致定位误差较大的情况。

为进一步改进预测结果，可采用以下两种措施进行算法改进：对于不同的地震，采用不同的时间窗口进行研究，例如考虑采用地震P波到达以后的半个周期的数据长度进行方位角估算。可以将加速度数据积分到速度或者位移进行方位角的计算。

综上，单台协方差矩阵求方位角有一定的准确性，估算结果离散性较大。但是，该方法可以快速地估算地震方位角，并且能够通过后续的数据信息对结果进行修正。因此可以作为多台站（特别是台网呈线性分布）实时地震定位的辅助手段。

参考文献：

[1]野田俊太，山本俊六，佐藤新二.早期地震検知における地震諸元推定方法の精度および即時性向上[J].鉄道総研報告，2011，25（7）.

[2]刘西强，李霞，蔡寅，赵瑞，李红，周彦文，等.基于单台P波初始记录的地震震中和震级快速测定方法研究[J].地震研究，2011，

35（4）.

[3]Allen R M， Kanamori H. 2003. The potential for earthquake early warning in southern California [J]. Science， 300（5620）：786- 789.

[4]宋维琪，吕世超.基于小波分解与Akaike信息准则的微地震初至拾取方法[J].石油物探，2011，50（1）：15-21.

[5]Alessandtini， B.， M. Cattaneo， M. Demartin， M. Gasperini， and V. Lanza. A simple P-wave polarization application to earthquake location， Ann. Geofisc.[J]. 1994，37：883-897.