一种地震震源定位方法及装置

1.本发明涉及地震震源定位技术领域，具体涉及一种地震震源定位方法及装置。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.传统上，地震震源的定位依靠监测地震发生时的p波和s波实现。然而，测量到的p波和s波受噪声影响严重，时域波形通常不够清晰，并且地震信号存在较长时间振荡，从而造成地震震源位置的测定结果误差较大。
4.为克服这一难题，可以采用多个小孔径地震测量装置组成阵列，测量地震波(p波和s波)在阵列中细微的到达时间差，从而计算得到地震震源位置。组成阵列的地震测量装置必须紧凑部署，使相互之间的距离足够近，通常在100米以内，才能保证测量到的地震波具有足够高的相关性。根据阵列中至少两个地震测量装置测到的地震波传播方向和速度，可以反演计算得到地震震源位置。但是，由于地震波的传播特性受阵列下面的地质结构影响严重，这种地震震源位置测定方法的精度并不高。
5.而且该方法中，到达时间差的测量结果除受到地质结构影响外，还存在以下误差：
6.(1)多个小孔径地震测量装置组成阵列，各个小孔径地震测量装置作为测量点，是相对独立的工作系统，测量点相互之间存在时间误差。
7.(2)多个小孔径地震测量装置组成的阵列，通常呈一维线性分布，当地震波传播方向与阵列布设的法线方向夹角较小时，到达时间差测量误差较大。
8.另外一种克服该难题的方法，是利用地震波幅度的空间分布反演计算得到地震震源位置。该方法需要在地震发生区域部署永久地震观测网络，通过分析地震波的幅度衰减和传播距离之间的关系，实现地震震源位置测定。然而，地震发生区域通常是传统的地震高发区，会包含各种地壳碎屑、旧有岩浆流路径、陡峭峡谷等复杂地质结构，用于分析地震波传播特性的观测站点幅度因子、衰减因子等初始参数设定值不可避免的会存在较大误差，从而影响地震震源定位精度。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种地震震源定位方法，克服了现有地震震源定位技术所存在的缺陷。
10.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
11.第一方面，本发明的实施例提供了一种地震震源定位方法，包括以下步骤：
12.获取测点采集的应力时域数据，其中测点分布在沿多边形排布的传感光纤上，传感光纤布置在地震区域，多边形同一条边的多个测点为一组；
13.根据测点的应力时域数据获取测点对应的相关性常数；
14.选取相关性常数平均值最小的一组测点为有效测点；
15.对布置传感光纤的区域进行网格划分，将多个网格依次作为震源，理论计算得到
每个网格对应的相邻有效测点地震波到达理论时间差，同时基于应力时域数据测量得到相邻有效测点的地震波到达测量时间差，选取理论时间差和测量时间差最小时对应的网格做为震源所在位置。
16.可选的，所述相关性常数的获取方法包括以下步骤：
17.对同一组的相邻测点的应力时域数据进行互相关运算，得到测点对应的互相关运算结果；
18.对得到的多个互相关运算结果进行傅里叶变换，得到测点的互功率密度谱；
19.使用互功率密度谱在全频域范围内的极大值作为测点的相关性常数。
20.可选的，所述全频域的频率范围为大于0且小于二分之一的采样频率。
21.可选的，向传感光纤中发射短脉冲光波信号，短脉冲光波信号在传感光纤中传播并产生向后的瑞利散射信号，通过瑞利散射信号获取测点的应力时域数据。
22.可选的，测点的采样周期与短脉冲光波的发射周期相同。
23.可选的，所述短脉冲光波的重复频率大于500hz。
24.可选的，相邻测点的空间距离为30m-70m。
25.可选的，网格划分时，在经度方向和纬度方向上，相邻网格线间隔0.01
°‑
0.03
°
，在深度方向上，相邻网格线间隔0.2km-0.3km。
26.第二方面，本发明的实施例提供了基于第一方面所述的地震震源定位方法的定位装置，包括激光发生器，激光发生器与耦合器的第一接口连接，耦合器的第二接口连接声光调制器以形成短脉冲光波，声光调制器与掺饵放大器连接以进行功率放大，掺铒光纤放大器与与环形器的第一接口连接，环形器的第二接口与呈多变形布置的传感光纤连接，以接收后向瑞利散射信号，耦合器第三接口和环形器的第三接口均连接光平衡探测器，光平衡探测器与数据采集器连接以向数据采集器输出干涉信号，数据采集器与处理器连接以向处理器输送后向瑞利散射信号的复极化信号，处理器用于对复极化信号进行处理以得到传感光纤测点处的应力时域数据。
27.可选的，所述光平衡探测器与数据采集器之间设有高通滤波器。
28.本发明的有益效果如下：
29.1.本发明的地震震源定位方法，利用传感光纤采集的应力时域数据进行定位，传感光纤沿线分布有大量的等距测点，无需在地震频发区域布放大量独立的地震测量装置组成地震测量阵列，降低了现场布放难度和观测系统成本，而且测量点分布在沿多边形排布的传感光纤上，属于同一套分布式光纤传感硬件系统，相互之间不存在时间误差，呈多边形分布，可以选择相关性常数平均值最小所在边的一组作为有效测点，能够避免地震波传播方向与阵列法线方向一致引起的误差过大问题。
30.2.本发明的地震震源定位方法，对部署有传感光纤的区域进行三维网格划分，选择地震波到达时间差测量值与理论值差距最小情况下地震震源所在网格位置，作为地震震源定位位置，可以有效避免在噪声较为严重的情况时，直接利用p波和s波进行震源定位误差较大的情况，而且无需设定观测站点幅度因子、衰减因子等初始参数设定值，避免了初始参数设定值误差过大对地震震源定位精度的不利影响。
31.3.本发明的地震震源定位方法，使用传感光纤测量得到的高度相关波形的到达时间差估计值，完成对地震震源位置的精确定位，接收波形信号的主机可以安装在远距离监
控室内，传感光纤埋在地下，即便在地震发生时也不会遭受损毁，实现地震震源位置的高可靠性快速定位。
附图说明
32.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1是本发明实施例2整体结构示意图；
34.1.激光器，2.耦合器，3.声光调制器，4.掺铒光纤放大器，5.光平衡探测器，6.环形器，7.高通滤波器，8.数据采集器，9.处理器，10.传感光纤。
具体实施方式
35.实施例1
36.本实施例提供了一种地震震源定位方法，包括以下步骤：
37.步骤1：在地震频发区域布置传感光纤，本实施例中，所述传感光纤沿多边形分布，传感光纤外套硬质聚乙烯波纹管，并埋藏在地下设定深度，防止自然或人为因素造成的损坏。
38.根据地质结构，所述传感光纤可以呈三角形或矩形或五边形或六边形等多种形状分布，本实施例中，所述传感光纤沿六边形分布。所述传感光纤用于通入激光器发出的并经过处理的短脉冲光波。
39.所述传感光纤上设置有多个测点。
40.假设部署的传感光纤长度为l，光纤沿线应力采样空间相邻测点的间隔为δl。
41.部署在地震频发区域的整个传感光纤的光纤链路都可以作为地震波的传感测点。一方面，受激光器发出的光脉冲时间长度限制，光纤链路中每两个测点之间的空间距离不可以无限小，并且测点之间的空间距离ls通常大于1m。另一方面，测点之间的空间距离越大，相邻测点测量得到的地震波相干性越差，会降低地震波到达时间差的计算准确度。根据传统的地震波到达时间差计算原理要求，相邻测点的空间距离选择为30-70m较为合适，同时该距离不会受到激光器发出光脉冲时间长度的影响，很容易被硬件系统所实现。因此，相邻测点之间的距离δl取值范围为30-70m，装置单次采样周期沿传感光纤的应力采样点数量为
42.本实施例中，将多边形同一条边上的多个测点归结为一组，因此有六组测点，每组具有多个测点。
43.步骤2：实时获取传感光纤沿线各个测点采集得到的应力时域数据si(t)，其中i＝1、2、3
…
n，表示应力采样点在传感光纤的光纤链路沿线的空间次序，t表示时间，si(t)在时间t上的采样周期与短脉冲光波的发射周期一致。根据地震波特征，通常情况下si(t)在时间域的采样长度为12s。
44.本实施例中，向传感光纤中发射短脉冲光波信号，短脉冲光波信号在传感光纤中传播并产生向后的瑞利散射信号，通过瑞利散射信号获取测点的应力时域数据。
45.测点的采样周期与短脉冲光波的发射周期相同。
46.一个短脉冲光波对应一次采样周期，由于地震波的频率范围通常为360s-10hz，短脉冲光波的重复频率只需要大于500hz即可。
47.步骤3：根据测点的应力时域数据获取测点对应的相关性常数，具体包括以下步骤：
48.步骤3.1：针对每一组的多个测点的采样数据，对同一组相邻两个测点的应力时域数据进行互相关运算，得到每个测点对应的互相关运算结果ci(t)。
49.ci(t)＝(si(t)*s
i+1
(t)t)＝∫s
i*
(x)s
i+1
(x+t)dx
50.其中，s
i*
(x)表示si(t)的复共轭，x取值范围是从1到si(t)在时间域采样长度(12s)内的采样数。
51.步骤3.2：对互相关运算结果ci(t)进行傅里叶变换，得到每个测点对应的互功率密度谱ci(f)
52.ci(f)＝ft(ci(t))
53.使用互功率密度谱ci(f)在全频域的极大值max(ci(f))作为该采样点的相关性常数。
54.本实施例中，全频域指全部有效频率范围，全部有效频率范围为大于0，小于二分之一采样频率的范围。
55.步骤4：计算每一组的多个测点的相关性常数的平均值，比较多组相关性常数的平均值大小，选择相关性常数平均值最小的一组作为有效测点。
56.步骤5：对布置传感光纤的区域进行三维网格划分，网格沿纬度和经度方向按照等度数间隔进行划分，在深度方向按照等高度间隔进行划分。
57.本实施例中，在纬度和经度方向上，相邻网格线之间的间隔度数为0.01
°‑
0.03
°
，优选为0.02
°
。
58.在深度方向上，相邻两个网格线之间的距离为0.2km-0.3km，优选为0.25km。本实施例中，在深度方向按照海拔-1.25km、-1km、-0.75km、-0.5km、-0.25km、0km、1km、2km、3km进行划分。
59.步骤6：针对每个网格，假设震源位于该网格处，根据地震波s波典型特点，理论计算传感光纤相邻有效测点地震波达到的理论时间差。因此能够得到多个网格对应的理论时间差。
60.本实施例中，可以根据s波在测量范围内地质结构中的传播特性和每个网格的空间位置，理论计算到达时间差，采用现有计算方法即可，在此不进行详细叙述。
61.基于应力时域数据测量得到相邻有效测点的地震波到达测量时间差，具体的根据实际测量时得到的有效测点的波形获取相邻有效测点地震波到达的测量时间差。
62.比较每个网格的理论时间差和实际测量时间差，选取理论时间差和测量时间差最小的网格作为地震震源区域。
63.对部署有传感光纤的区域进行三维网格划分，选择地震波到达时间差测量值与理论值最小情况下地震震源所在网格位置，作为地震震源定位位置，可以有效避免在噪声较为严重的情况，直接利用p波和s波进行震源定位误差较大的情况。
64.采用本实施例的地震震源定位方法，利用传感光纤采集的应力数据进行定位，传感光纤沿线分布有大量的等距测点，无需在地震频发区域布放大量独立的地震测量装置组
成地震测量阵列，降低了现场布放难度和观测系统成本，而且测量点分布在沿多边形排布的传感光纤上，属于同一套分布式光纤传感硬件系统，相互之间不存在时间误差，呈多边形分布，可以选择相关性常数平均值最小所在边的一组作为有效测点，能够避免地震波法线方向一致引起的误差过大问题。
65.需要指出的是，本实施例中传感光纤按照多变形分布，是因为部署在地震频发区域的光纤传感链路，受地势影响通常为不规则分布，较为曲折。当地震波对传感光纤的光纤链路沿线各测点的入射角度不同时，各个测点之间的地震波到达时间差会有不同。当地震震源深度较深，或者地震震源位于与光纤链路大约垂直的方向时，各个测点的地震波到达时间差会比较小，反之到达时间差会较为明显。到达时间差越明显，相邻测点的地震波相关性越低，则利用相邻测点记录地震波的到达时间差进行地震震源定位的精度越高。本实施例的定位方法，传感光纤部署在地震频发区域，配合当地地质结构尽量呈多边形分布(三角形、矩形、五边形、六边形等多种形状分布)，可以有效避免当地震震源位于与传感光纤大约垂直的方向时，各个测点的地震波到达时间差会比较小的情况，提高地震震源定位精度。
66.实施例2
67.本实施例提供了一种基于实施例1所述的地震震源定位方法的定位装置，如图1所示，包括激光器1、耦合器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、光平衡探测器5、环形器6、高通滤波器7、数据采集器8、处理器9及传感光纤10。
68.激光器1与耦合器2的第一接口连接，耦合器2的第二接口与声光调制器3连接，声光调制器3与掺铒光纤放大器4连接，掺铒光纤放大器4与环形器6的第一接口连接，环形器6的第二接口与传感光纤10的一端连接，传感光纤10沿六边形分布，传感光纤10上设置有多个测点，相邻测点之间的间距为30m-70m。
69.传感光纤10外套硬质聚乙烯波纹管，并埋藏在地下十几厘米至几十厘米的深度，防止自然或人为因素造成的损坏。
70.所述环形器6的第三接口与光平衡探测器5的第一接口连接，光平衡探测器5的第二接口与耦合器2的第三接口连接，光平衡探测器5的第三接口与高通滤波器7连接，高通滤波器7与数据采集器8连接，数据采集器8与处理器9连接。
71.激光器1产生低噪声光波进入耦合器2的第一接口进入耦合器2，分成两路，一路从第二接口出射作为调制光波进入声光调制器3，另一路从第三接口出射作为本振光波进入光平衡探测器5的第二接口。
72.声光调制器3对调制光波进行整形，产生短脉冲光波进入掺铒光纤放大器4。
73.掺铒光纤放大器4对短脉冲光波进行功率放大，输出给环形器6的第一接口。
74.环形器6第二接口出射短脉冲光波并在传感光纤10中传播。
75.本实施例中，一个短脉冲光波对应一次采样周期，由于地震波的频率范围通常为360s-10hz，短脉冲光波的重复频率只需要大于500hz即可。
76.短脉冲光波在传感光纤10中传播，并产生后向瑞利散射信号。
77.传感光纤10产生的后向瑞利散射信号回到环形器6的第二接口，由环形器6的第三接口出射进入光平衡探测器5的第一接口。
78.光平衡探测器5的第三接口出射干涉信号(此干涉信号为后向瑞利散射信号和短脉冲光波形成的干涉信号)进入数据采集器8。
79.数据采集器8将模拟电干涉信号转换为数字信号送给处理器9，使处理器9得到传感光纤10后向瑞利散射信号的复极化信号。
80.处理器9对复极化信号进行脉冲压缩处理，将后向瑞利散射信号与匹配滤波信号(传播短脉冲光场时间反褶的复共轭)进行卷积处理，得到脉冲压缩后的响应信号。
81.处理器9基于脉冲压缩处理后的后向瑞利散射数字信号，可以解调出与传感光纤10应力相关的光脉冲响应测量结果，从而能够实现传感光纤沿线应力监测功能。
82.处理器9接受到传感光纤测点检测到的应力时域数据后，执行实施例1所述的方法，得到地震震源位置。
83.使用传感光纤测量得到的高度相关波形的到达时间差估计值，完成对地震震源位置的精确定位，接收波形信号的主机可以安装在远距离监控室内，传感光纤埋在地下，即便在地震发生时也不会遭受损毁，实现地震震源位置的高可靠性快速定位。
84.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种地震震源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：获取测点采集的应力时域数据，其中测点分布在沿多边形排布的传感光纤上，传感光纤布置在地震区域，多边形同一条边的多个测点为一组；根据测点的应力时域数据获取测点对应的相关性常数；选取相关性常数平均值最小的一组测点为有效测点；对布置传感光纤的区域进行网格划分，将多个网格依次作为震源，计算得到每个网格对应的相邻有效测点地震波的到达理论时间差，同时基于应力时域数据测量得到相邻有效测点的地震波到达测量时间差，选取理论时间差和测量时间差最小时对应的网格做为震源。2.如权利要求1所述的一种地震震源定位方法，其特征在于，所述相关性常数的获取方法包括以下步骤：对同一组的相邻测点的应力时域数据进行互相关运算，得到测点对应的互相关运算结果；对得到的多个互相关运算结果进行傅里叶变换，得到测点的互功率密度谱；使用互功率密度谱在全频域范围内的极大值作为测点的相关性常数。3.如权利要求2所述的一种地震震源定位方法，其特征在于，所述全频域的频率范围为大于0且小于二分之一的采样频率。4.如权利要求1所述的一种地震震源定位方法，其特征在于，向传感光纤中发射短脉冲光波信号，短脉冲光波信号在传感光纤中传播并产生向后的瑞利散射信号，通过瑞利散射信号获取测点的应力时域数据。5.如权利要求4所述的一种地震震源定位方法，其特征在于，测点的采样周期与短脉冲光波的发射周期相同。6.如权利要求4所述的一种地震震源定位方法，其特征在于，所述短脉冲光波的重复频率大于500hz。7.如权利要求1所述的一种地震震源定位方法，其特征在于，相邻测点的空间距离为30m-70m。8.如权利要求1所述的一种地震震源定位方法，其特征在于，网格划分时，在经度方向和纬度方向上，相邻网格线间隔0.01
°‑
0.03
°
，在深度方向上，相邻网格线间隔0.2km-0.3km。9.一种基于权利要求1-8任一项所述的地震震源定位方法的定位装置，其特征在于，包括激光发生器，激光发生器与耦合器的第一接口连接，耦合器的第二接口连接声光调制器以形成短脉冲光波，声光调制器与掺铒放大器连接以进行功率放大，掺铒放大器与环形器的第一接口连接，环形器的第二接口与呈多变形布置的传感光纤连接，以接收后向瑞利散射信号，耦合器第三接口和环形器的第三接口均连接光平衡探测器，光平衡探测器与数据采集器连接以向数据采集器输出干涉信号，数据采集器与处理器连接以向处理器输送后向瑞利散射信号的复极化信号，处理器用于对复极化信号进行处理以得到传感光纤测点处的应力时域数据。10.如权利要求9所述的地震震源定位方法的定位装置，其特征在于，所述光平衡探测器与数据采集器之间设有高通滤波器。

技术总结
本发明涉及一种地震震源定位方法及装置，包括以下步骤：获取测点采集的应力时域数据，其中测点分布在沿多边形排布的传感光纤上，传感光纤布置在地震区域，多边形同一条边的多个测点为一组；根据测点的应力时域数据获取测点对应的相关性常数；选取相关性常数平均值最小的一组测点为有效测点；对布置传感光纤的区域进行网格划分，将多个网格依次作为震源，得到每个网格对应的相邻有效测点地震波到达理论时间差，测量相邻有效测点的地震波到达测量时间差，选取理论时间差和测量时间差最小时对应的网格做为震源定位位置，采用本发明的定位方法及装置定位准确。法及装置定位准确。法及装置定位准确。


技术研发人员：于淼 何禹潼 崔洪亮 常天英 党随虎 刘黎明 于效宇 刘艳 孔谦 易子川 高庆国
受保护的技术使用者：电子科技大学中山学院
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/21