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。     

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。     

地震勘探信号时频分析方法对比与应用分析

针对地震勘探信号,对非平稳信号时频分析几种适效方法:短时Fourier变换、小波变换、S变换、Wigner分布、平滑伪Wigner分布、锥形核时频分布、AOK(adaptive optimum kernel,自适应最优核函数)分布等进行对比与应用研究.在阐明各种方法基本原理的基础上,进行数值分析与应用研究.首先对非平稳地震勘探模拟信号进行试算及时频属性提取,结合各类方法的信号表示理论,在时频局部化的精度和交叉项抑制等方面对计算结果进行对比分析;进一步应用于实际二维地震数据,提取瞬时频率和瞬时带宽等时频属性,进行比较研究.研究表明:对于地震勘探信号,就本文涉及的几种时频分析方法而言,AOK分布是时频局部化精度最高、交叉项抑制最好、时频匹配最优的方法,值得在地震勘探信号分析和地震属性提取、频谱分解等应用中深入研究和应用.     

Wigner-Ville分布及其在地震衰减估计中的应用

地震信号的衰减一般是在频域内利用信号功率谱的统计性质进行表征。但是,传统的基于傅立叶变换的功率谱估计方法的分辨率较低,使得衰减估计的精度较低。Wigner-Ville分布是一种重要的Cohen类时频分布,它具有一系列的优良性质,如时频边缘分布性质、好的时频聚集性等。这些性质对信号的时频分析具有重要意义。因此,Wigner-Ville分布为地震信号的衰减估计提供了新的手段。本文首先介绍了Wigner-Ville分布以及能够减少或消除交叉项影响的平滑Wigner-Ville分布,然后,提出了一种基于Wigner-Ville分布的衰减估计方法。在这一方法中,利用Wigner-Ville分布得到的瞬时能量谱中高频段的能量下降速率度量衰减。将这一方法应用到塔中地区奥陶系礁滩相碳酸盐岩储层预测,结果表明,基于Wigner-Ville分布的衰减能够有效地检测出礁滩相带和泻湖区域之间衰减特性的差异。     

Hilbert-Huang变换与地震信号的时频分析

本文介绍了HHT时频分析方法及瞬时频率的概念，给出了已知信号的经验模态分解及其时频分布，并对实际地震波形信号进行了HHT时频处理与剖析。结果表明，HHT方法能准确描述地震波形信号的非线性时变特征，是地震信号时频分析的有效工具。     

基于稀疏约束反演谱分解的频变AVO储层识别方法

时频分析技术是描述和分析非平稳信号的有效工具,如何提高谱分解的时-频分辨率受到了国内外学者的广泛关注.基于稀疏约束反演的谱分解方法(ISD)是近些年提出的一种具有高时-频分辨率的谱分解方法.然而传统ISD方法采用复雷克子波作为母小波函数,很大程度限制了信号分析的分辨率和精度.本文创新性地将传统ISD方法拓展到其他线性变换当中,提高了ISD方法的适用性.利用合成数据测试并对比了传统方法与ISD方法的时频分析结果,研究表明ISD方法不但能提供高分辨率的振幅谱,还能提供可靠的时-频相位谱信息.在此基础上,本文提出将高时-频分辨率的ISD方法与频变AVO(FAVO)反演相结合,得到能指示流体的地震波频散属性.将该方法应用于实际资料,结果表明基于ISD时频方法的FAVO反演结果具有更高的分辨率和准确度,对于储层油气具有更好的指示作用.     

基于MPI的时频分布的改进及应用

Cohen类时频分布在一定程度上克服了Wigner\|Ville分布的不足,特别是交叉项.但在平滑交叉项的同时却降低了时频聚集性,从而本文讨论了Wigner\|Ville分布的修正方法,进而可提取出不同的地震时频属性.为了提高计算效率,采用了基于MPI的并行计算及时频属性优化方法,取得了良好的效果.     

地震分倒频处理技术

为刻画地震信号的局部层次特征,提高复杂地质体的地震分辨率,本文利用倒谱变换能够提高分辨率的特点,结合短时傅里叶变换,构造了倒时-频变换算法,并提出地震分倒频处理技术.文中对地震分倒频处理技术的公式推导、算法设计、分倒频处理技术提高地震纵向分辨率的机理进行了详细研究.设计出了适合三维地震资料处理的软件,并从理论上阐述了地震分倒频处理技术能够提高地震分辨率.利用倒时-频变换对多分量线性调谐信号模型做倒时-频分析,可以得到良好的时频分辨率.实际三维地震资料计算表明,该方法能够提高地震纵向分辨率,且计算效率高,适合大规模三维地震资料的处理.     

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。     

基于非线性时频分析的地震和爆破识别

利用非线性赵-阿特拉斯-马克斯(Zhao-Atlas-Marks)时频分析方法对地震和爆破进行分析,结果显示:爆破的时频谱的时频聚集性比地震的时频聚集性较好;地震P波的平均频率大于爆破P波的平均频率;地震S波的平均时频中心相对于爆破分布在时间—频率面左上角。     

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。     

基于Choi-Williams时频分布的阵列声波测井信号时频分析

对多极子阵列声波测井信号,提出了一种基于信号时、频局域相关能量的新的时-频信号分析方法,Choi-Williams能量分布,它有着较明确的物理意义.该分析方法对于不同岩性的构造的响应具有很好的区分和识别能力,其声波全波列的Choi-Williams能量分布对由不同岩性组成的构造破碎带具有明显不同的表现特征.利用相应的模式识别方法,可以对这些岩性构造进行有效的区分和识别.     

数字地震波时频分析

选取具有较高分辨率和较低交叉项的赵—阿特拉斯—马克斯(ZAM)方法,进行数字化地震波时频处理。结果显示:(1)S波高能量密度区域处于低频段,其频带比P波高能量密度区域窄,且S波能量密度比P波大1个数量级;(2)天然地震的高能量密度分布较为离散,爆破的高能量密度分布较为集中。     

基于聚类经验模态分解（EEMD）的汶川MS8.0强震动记录时频特性分析

在2008年5月12日汶川MS8.0地震中,四川数字强震台网共获取了133组三分向加速度记录. 本文选取了一些不同断层距的台站所获取的强震动记录进行了处理和分析．在数据处理中,采用基于聚类经验模态分解（EEMD）提取信号时频特性的方法,有效获得了信号能量的时频分布,提取了中心频率、 Hilbert能量、最大振幅对应的时频等特性,并与傅里叶变换、小波变换进行了对比研究．研究结果表明, 对非线性的强震记录采用聚类经验模态分解（EEMD）能抑制经验模态分解（EMD）中存在的模态混叠问题;与傅里叶变换和小波变换相比发现, HHT边际谱在低频处幅值高于傅里叶谱;与小波变换受到所选取的母波强烈影响不同, HHT直接从强震记录中分离出固有模态函数（IMF）,更能反映出原始数据的固有特性, Hilbert谱反映出大部分能量都集中在一定的时间和频率范围内,而小波谱的能量却在频率范围内分布较为广泛．因此,基于EEMD的HHT在客观性和分辨率方面都具有明显的优越性,能提取到更多强震加速度记录的时频特性．      

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.     

泥石流冲击荷载的时频分析方法及应用

泥石流的能量转化主要集中于运动过程中,泥石流冲击压力随时间变化的过程是其能量不断变化的综合表现。本文分析了泥石流能量转化过程及冲击荷载的紊流形态,并根据其脉动特性,将泥石流冲击荷载作为信号进行研究。以大型泥石流模型试验为基础,利用小波时频分析方法将试验测取的泥石流冲击荷载映射为时间与频率的联合信号,得到同一时间9个频段内的能量强度。从冲击荷载的能量分布可以看出,稀性泥石流95%以上的波动能集中在低频段内（0～6.25Hz）,从而为深入研究泥石流冲击机制及防治结构动态荷载设计提供了一些理论依据。     

河南平顶山平煤矿区天然地震、爆破、塌陷时频特征分析

选取2019年3月—8月河南平顶山市宝丰县平煤矿区发生的ML 2.0—2.9天然地震、爆破、塌陷等9次震动事件,在区域地质构造背景和波形特征分析基础上,采用短时傅里叶变换(STFT)方法开展时频波谱分析,提取不同类型事件的时频特征。结果显示:(1)天然地震频率成分丰富,且高、低频分布均匀,P波在约3 Hz和8 Hz处存在2个峰值,S波存在多个峰值;(2)爆破事件的时频谱相对集中,以低频为主,P波频率峰值约5Hz,信号主频随时间变化,大致呈线性降低至1—2 Hz;(3)塌陷事件频率成分以4 Hz以下的低频为主,P波无明显峰值且频率成分单一,主频出现在2 Hz左右的面波。本文结果可为今后该矿区震动事件类型判断提供参考依据。     

2013年芦山MS7.0地震前后姑咱台四分量钻孔应变时频特征分析

2013年4月20日芦山M_S7.0地震前, 四川省姑咱台四分量钻孔应变仪再度记录到类似于2008年汶川M_S8.0地震前的高频应变畸变信号. 为了对该畸变信号各频率成分的时频演化特征进行细致分析, 讨论应变异常的可信度及其与芦山地震的相关性, 本文利用S变换方法对应变数据进行了处理. 结果表明, 研究时段内时频域中共出现两簇高能量异常, 一簇开始于2012年10月并持续了约4个月, 另一簇则开始于芦山M_S7.0地震前数天. 同时段远震的影响及施工干扰并不能构成该异常的主体, 因此该异常可信度较高. 异常中包含了周期由数分钟至数小时的信号成分, 其中较短周期的信号成分震前出现较晚, 震后衰减较快. 震后异常信号的整体能量开始逐步衰减, 异常信号成分减少, 至2013年8月末应变观测记录已基本恢复至正常状态, 整个应变异常显示的时频演化过程与芦山M_S7.0地震具有较高相关性.