稀疏时频分解方法的研究与运用（英文）

Gabor变换和S变换是常用的时频分析工具。根据测不准原理,它们的时频分解结果无法在时间域和频率域同时具有很高的分辨率。为了提高非平稳信号时频分解结果的分辨率,本文提出瞬时频率分布函数（IFDF）并利用它表达非平稳信号。当非平稳信号时频成分的分布满足测不准原理对信号可分辨的要求时,瞬时频率分布函数的支集和短时Fourier变换的小波脊支集是同一个集合。利用IFDF的该特征,本文提出一种迭代算法（Sparse-STFT）实现了信号的稀疏时频分解。该算法在每次迭代过程中利用残留信号的短时Fourier变换结果的脊支集更新信号的时频成分,每次迭代得到的时频成分的叠加结果即为最终的稀疏时频分解结果。文中的数值实验证明了Sparse-STFT可以有效地提高非平稳信号时频分解结果的分辨率。最后,本文将该方法应用于地震数据面波的压制中,取得了理想的处理结果。     

小地震与人工爆破记录的时频分析

基于Matlab软件,编制了对近震记录进行时-频分析试验研究的程序,搜集2006—2008年间首都圈地区震级介于ML2.4~2.7的5次天然地震和5次人工爆破的27个台站的宽频带记录,根据震中距离的相似性挑选5组天然地震和人工爆破地震,分析其时频特征。对于所有的数据都给出其三分向的时频图、原始波形图和频谱图,以及水平向和三分向的叠加图。分析结果表明,天然地震和人工爆破的记录具有明显不同的时频特征,天然地震的时频呈现出"多峰"特征,而人工爆破的时频分布则相对"少峰";天然地震的时频峰值分布在较宽的频率范围内,人工爆破的峰值则分布在频率较低的相对狭窄的范围内。通过以上实践,发现时频分析在分析不同时间点的频谱信息以及整个数据的时频分布特点时比傅里叶变换具有优势。     

STFT与WVD在地震波时频分析中的应用

地震波是一种非平稳信号,传统的傅里叶变换已不适用,时频分析方法能在时间—频率域给出非平稳信号不同时刻的频率分布特征。Wigner-Ville分布(WVD)对非平稳信号具有较好的时频聚集性,但因其为双线性变换,会产生严重的交叉干扰项。短时傅里叶变换(STFT)是一种线性变换,不存在交叉项干扰,但时频聚集性较差。考虑到二者优点,在对地震波进行时频分析时,采用短时傅里叶变换和Wigner-Ville分布的联合算法,既有效抑制了Wigner-Ville分布交叉项干扰,又保持了较高的时频聚集性。通过3种方法,对模拟信号和实际数据处理结果进行对比分析,发现联合算法对获取地震波信号的时频特征和纵波到时检测,具有更好效果。     

2013年海西5.0级地震波形时频特性研究

传统的傅里叶变换因缺乏信号局域性的信息,无法对地震波等非平稳信号进行全面描述,时频分析通常是分析非平稳信号较好的工具.本文利用大柴旦地震台记录到的2013年6月5日青海海西5.0级地震波形,采用赵-阿特拉斯-马克时频分布（ZAM）分别研究了该地震P波、S波段的时间-频率特征.研究结果很好地解释了地震波的非平稳性,较全面地展示了地震波的衰减特征.     

基于复数道地震记录的匹配追踪算法及其在储层预测中的应用

匹配追踪算法是一种高精度的非线性的时频分析方法.该方法自从提出以来在地球物理学领域得到了广泛的应用.在以前的应用中,作者们都是在实信号的基础上对算法原理作了适当的简化.本文在复数地震道的基础上,基于复Morlet子波,阐述了匹配追踪算法的原理及其算法实现过程,并给出了具体的算法流程图.通过与传统的时频分析的比较,验证了该算法具有较高的时频分析精度.对于实际资料的应用表明,该算法能够很好的显示储层的位置与边界.     

时频方向谱分析在海洋电磁数据处理中的应用

海底采集到的电磁数据按照其主要包含的信息及研究目的大致可分为海洋可控源电磁场(CSEM)信号、天然场源大地电磁场(MT)信号、海洋环境电磁场信号以及其他随机干扰信号.常常通过计算功率谱密度、时频分析和极化分析的方法研究海洋电磁场特征.本文介绍一种新方法——时频方向谱分析法及其在实测海洋电磁数据处理中的应用,该方法能够在一定的时间-频率尺度上有效分辨场源信号的运动方向.对于海洋CSEM数据,利用该方法可以估算发射源的运动方向,进而在发射源或采集站方位信息缺失情况下,实现海洋CSEM数据的旋转电性轴处理.对于海洋电磁数据,利用该方法可以详细分析海水运动感应电磁场的信号特征.     

频谱成像技术研究进展

频谱成像技术是近年来发展起来的一项基于频率谱分解的储层特色解释技术,是地震属性分析中重要组成部分.频谱成像技术具有在空间横向上分辨率高的特点,是一种利用三维地震资料的多尺度信息对储层进行高分辨率成像、检测储层时间厚度变化的工具.地震数据振幅谱可以识别地层的时间厚度变化,相位谱可以检测地质体横向不连续性,在确定油藏边界、计算地层厚度方面比传统地震属性研究方法具有更大的优势.频谱成像技术的核心模块是信号的时频分析,本文回顾了频谱成像技术的基本概念和目前在频谱成像中广泛应用的时频分析方法,简单介绍了几种新的时频分析方法:广义S变换和改进的匹配追踪算法.     

利用分段时频峰值滤波法抑制磁共振全波信号随机噪声

磁共振信号极其微弱,容易受到周围环境中各种电磁噪声干扰.其中随机噪声,由于频带宽、不规则、无规律、与有效信号混叠,难以抑制.近年来,采用数量级为10⁴~10⁵ Hz采样频率收录的全波磁共振信号,以其携带丰富全面的信息量,为数据处理及解释提供了更多的潜能.然而,只要随机噪声的幅度大于信号幅度,拟合得到的信号特征参数准确度就会降低.目前普遍采用的数据叠加方法仅能抑制部分随机噪声,且需要多次采集信号,探测效率低.本文针对全波磁共振信号采样点数多和信号非线性强的特点,提出采用分段时频峰值滤波（STFPF）法消噪,将全波磁共振信号分成若干段,编码为解析信号的瞬时频率,采用短窗长PWVD计算解析信号的时频分布,利用时频分布沿瞬时频率集中的特性,通过提取时频分布的峰值获得信号的无偏估计,达到抑制全波磁共振信号随机噪声的目的.为了验证消噪效果,与传统叠加法进行对比分析,仿真结果表明,对于单次采集信号,信噪比低至-5 dB时,STFPF方法依然能有效抑制信号中的随机噪声,消除随机噪声后信噪比提高23.19 dB,信号的初始振幅拟合误差为3.03%,平均横向弛豫时间拟合误差为2.7%,消噪效果优于传统叠加法,且由于无需多次采集磁共振信号,可有效提高探测效率.模型数据的反演解释进一步验证了STFPF方法的有效性,本文研究结果为实际数据处理奠定了良好的基础.     

S变换的时频分析特性及其改进

地震信号具有非线性、非平稳的特性,用时频分析的方法处理地震信号,可以最大限度的保留原始信息,也可以较为精确地分析数据的时间、频率特征.现阶段应用于地震数据处理的时频分析方法主要有:短时傅里叶变换,小波变换和匹配追踪算法等等.S变换是近几年发展起来的一种新的时频分析方法.S变换结合了短时傅里叶变换和小波变换的优点,具有相...     

时频分析方法及在地震波谱研究中的应用

地震波是一种非平稳信号,傅立叶分析已不适合。时频分析能对非平稳信号进行分析,并给出地震波信号能量的时间-频率分布。但是在时频分析时,存在交叉干扰项,会带来一些错误的信息。本文讨论了波恩-约旦(Born-Jordan)时频分布、乔伊-威廉斯(Choi-Williams)时频分布、赵-阿特拉斯-马克斯(Zhao-Atlas-Marks)时频分布3者之间抑制和消除交叉干扰项的特点,认为赵-阿特拉斯-马克斯(Zhao-Atlas-Marks)时频分布抑制交叉干扰项的效果和时频聚集性更好,更适合于分析地震波。     

The Earth's natural pulse electromagnetic fields for earthquake time–frequency characteristics: Insights from the EEMD–WVD method

Monitoring the Earth's natural pulse electromagnetic field (ENPEMF) signal is a geomagnetic detection approach for the Earth internal and external studies, and it provides a reference for earthquake prediction. In this paper, the Ensemble Empirical Mode Decomposition–Wigner Ville Distribution (EEMD–WVD) method is used to process the time sequences of the ENPEMF signal detected by GR‐01 receiving devices during the Lushan M_S7.0 earthquake (April 20th, 2013). By obtaining the intrinsic mode function (IMF), the time–frequency–amplitude joint distribution and the energy spectrum of the ENPEMF signal, the suspected anomalies before the earthquake could be shown. The results illustrate the ENPEMF signal before an earthquake and its time–frequency characteristics based on an EEMD–WVD algorithm, proving useful information about the anomalies around the time of the earthquake.     

数字化地震波形资料的时频分析方法及应用

信号的时频分布具有比时间尺度分布更高的描述和刻画非稳态地震波信号的能力,进一步提高信号的时频聚集性和尽可能减小交叉项干扰是时频分析发展的方向。基于高阶矩时频分布理论,本首次提出了将其应用于数字化地震波形资料分析和处理的技术途径和方法。通过对仿真信号的Choi-Willams各阶矩时频分布与Wigner各阶矩时频分布的对比和交叉项干扰的理论分析,认为Choi-willams高阶矩时频分布具有时频聚集性高和交叉干扰项小的特点,在提高处理数字化地震波特性参数精度和地震应急技术系统的智能化程度等方面具有潜在应用前景。     

地震和爆破时频域能量分布特征的对比分析

运用小波分析方法计算和分析了CDSN乌鲁木齐台记录的天然地震和人工爆破在时频域的能量分布特征,分析结果表明,在震中距大致相同的范围内,同一台站记录的不同当量的人工爆破具有相似的时频变化规律,而天然地震能量分布却存在较大差别。天然地震与人工爆破的时频域能量分布谱图存在比较明显的差异。     

用能量累积法检测地震波雷达信号

将具有高度重复性的地震波雷达长时间向地壳内发射线性调频信号,经过地下介质的传播后到达地面,用地震仪器在监测点和检测点记录下来,通过分析数据来了解地壳速度结构及波速变化.线性调频信号是一种非平稳信号,它的频率随时间线性变化,有很好的能量聚集性,非常适合做时间-频率分析.本文用短时傅里叶变换对监测点的信号进行时间-频率分析,以检验地震波雷达发射信号的时间和频率是否和控制系统一致.通过WignerVille分布将地震波雷达发射的信号能量聚集在线性调频直线上,再用Hough变换累积聚集的能量形成波峰,按照线性调频直线的倾角提取波峰所在行,计算到时后构成地震波走时曲线图.用靠近本次实验地点的H-21剖面得到的地壳速度结构正演该测线的Pg、Sg、PmP和SmS的折合走时曲线,并与用能量累积法提取出的地震波走时曲线进行对比,分析结果表明:地震波雷达发射线性调频信号的时间和频率都符合控制要求,重复性高达99.9%以上,可以清晰地分辨出Pg、Sg震相,并且PmP和SmS震相可辨.     

陕北塌陷记录的区域特征研究

选取陕西省境内2011—2018年震级为M_L2.7—3.1的18个天然地震事件的287条记录和2013—2018年上述震级范围的20个陕北塌陷事件的185条记录,从时间域、频率域及时频域进行分析对比,总结出陕北塌陷记录区别于天然地震事件的特征:① 在时间域,就P波初动而言,塌陷的P波初动弱而平缓,只有极少数台的垂直向P波初动方向清晰,而天然地震的P波初动强而尖锐,垂直向P波初动方向清晰,有象限分布的特征;在体波特征方面,塌陷的体波周期要比天然地震的大;面波发育是塌陷区别于天然地震最显著的特征之一,即使震中距很小,塌陷记录依然有明显的短周期面波Rg波发育;在震中距＜50 km时,塌陷的振幅比A_S/A_P值要远远大于天然地震,且随着震中距的增大,A_S/A_P值变小并与相同震中距下天然地震的A_S/A_P值相近;相同震级,塌陷比天然地震尾波持续时间长,能量衰减慢。② 在频率域,塌陷的频率域较窄,主要为低频信号,集中在0—3 Hz内;天然地震的频率域较宽,低频信号较少;定义频带内频谱的方差与均值的比值为频谱变异系数α,塌陷的频谱变异系数α整体高于天然地震的。在震中距200 km范围内,塌陷的拐角频率f_c较天然地震小,集中在1—3 Hz,天然地震的拐角频率f_c在3—15 Hz均有分布。③ 从时频谱的对比可见,塌陷的主要频率成份为低频面波,而天然地震频率成份最丰富的为横波波段。      

山西运城振动事件S变换时频分析

基于S变换,对2005年以来山西南部运城及其附近地区的振动事件波形进行时频分析,并与山西南部地区的天然地震、爆破和塌陷地震波谱特征进行对比分析。结果表明：天然地震一般S波携带能量较大,衰减较慢,震相高低频成分呈现均匀分布;一般近台记录的人工爆破P波比S波发育,能量衰减较快,震相急促短暂;塌陷地震波列能量随时间和频率的展布相对集中,一般分布在频率较低区域;振动事件震相简单,被不同台站记录的波形能量优势分布及频率分布范围差异较大,衰减特征不明显。据此,基本可以排除山西南部及附近区域的振动事件为天然地震、爆破和塌陷事件的可能。     

紫坪铺水库诱发地震与构造地震波谱时频特征差异性研究

利用紫坪铺水库2004～2007年记录的实际地震数据,通过比较多种滤波方法,发展出一种既能有效滤除地震数据中本底噪音、又对有效信号损伤较小的比值滤波方法。对去噪后的水库诱发地震和构造地震数据,利用小波变换方法,分别进行时频分析获得两类地震的时频谱,并提取可以反映地震发生前后能量分布和聚集情况的时频属性,最后根据各个属性的响应效果,组合得到新的属性。将时频谱与时频属性相结合,总结归纳紫坪铺水库诱发地震与构造地震波谱时频特征的差异性,为地震监测分析提供基础依据。