用于地震觀測的瞬態(tài)濾波研究

邵玉平 王翠芳

（四川省地震局，成都 610041）

目前，地震數(shù)據(jù)采集器使用的最后兩級數(shù)字濾波器相位有最小相位和線性相位兩種，相位特性直接影響著記錄的地震數(shù)據(jù)波形質量。最小相位濾波的優(yōu)點是：地震波形沒有“前綴”波形出現(xiàn)，不會干擾分析人員對震相的判讀；其缺點是：通帶邊沿頻率附近不同頻率分量群時延差異較大，導致最小相位濾波會帶來波形失真，對初動半周期的波形影響顯著。線性相位濾波的優(yōu)點是：對地震波中各種頻譜分量具有相同的群時延，穩(wěn)態(tài)波形失真最??；其缺點是：該濾波器的主響應波（即初動）前有“前綴”波出現(xiàn)，不能用于以震相分析為主要目的的地震觀測中。線性相位濾波僅用于強震觀測。

地震聯(lián)合青年基金課題“用于地震觀測的瞬態(tài)濾波研究”設計出了一種專用于地震波形采集的瞬態(tài)濾波器（由四抽一和二抽一兩級濾波器組成），該瞬態(tài)濾波器既有最小相位特性，又有較好的線性相位特性。它的瞬態(tài)響應中，沒有干擾震相分析的“前綴”波，且對復雜波形中各頻率分量有相同的群時延，不會帶來波形失真。

利用MATLAB中ifir函數(shù)，給定參數(shù)值（抽取系數(shù)、濾波器類型、通帶邊緣頻率、阻帶邊緣頻率、通帶波紋和阻帶衰減），設計四抽一瞬態(tài)濾波器。直接使用該方法設計的濾波器，因為在單位圓外有一個零點，所以濾波器不是最小相位系統(tǒng)。去掉圓外的零點，即可將其變成最小相位系統(tǒng)。同時將實軸上的另一零點往單位圓方向平移，拓展通帶寬度。采用最優(yōu)FIR濾波器設計方法，設計二抽一瞬態(tài)濾波器。用remezord和remez算法設計的滿足幅頻特性的線性相位濾波器，在實軸上有4個零點，因為單位圓外有零點，故濾波器不是最小相位系統(tǒng)，其脈沖響應有前綴波，去掉圓外的兩個零點，脈沖響應的前綴波消失，但是通帶寬度減小，阻帶衰減響應增大。為了獲得足夠寬的通帶和較大的尾波比值，故將實軸上的4個零點全部去掉，另外在正實軸上添加了一個合適的零點。

為了驗證已設計的瞬態(tài)濾波器效果，并與已使用的最小相位和線性相位濾波器的性能進行比較。通過計算機仿真，比較出3種濾波器的理論性能差異。仿真完成后，到地震臺站進行了現(xiàn)場觀測試驗。用1臺反饋式短周期地震計經過連接線擴展頭分別與3臺數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器的輸出經串口服務器將采集到的波形數(shù)據(jù)傳送到計算機進行記錄存儲。分析半個月內記錄到的地震事件，得到3種濾波存有明顯差異的地震事件有12個。

通過詳細分析對比地震事件的初動前波形、初動半周期及后續(xù)波形，得到以下結論：

（1）線性相位濾波在采樣率設置較低時，地震波初動前的“前綴波”比較明顯，可能會誤導分析人員對初動到時的判讀。提高采樣率可以減輕“前綴”波的幅度。

（2）最小相位濾波的初動半周期被明顯展寬和幅度壓低，且“重心”明顯后移。對使用初動半周期來進行研究時，應引起充分注意。

（3）瞬態(tài)濾波沒有“前綴”波出現(xiàn)，初動半周期也沒有被展寬，其記錄的波形失真較小，是一種特性優(yōu)良的地震波形過濾器。但瞬態(tài)濾波設置的采樣率必須為最小相位和線性相位采樣率的4倍，才能有相近的-3 dB帶寬。因此，瞬態(tài)濾波在地震觀測中低失真的優(yōu)點是用提高采樣率來換取的。

（4）對于遠震和近震，使用瞬態(tài)濾波的優(yōu)點不多，因其高頻能量非常小，在現(xiàn)有的100 SPS采樣率下，地震波的主要頻譜分量，已落在最小相位濾波的相位特性線性度較好的頻段，不會有明顯的初動半周期展寬和后續(xù)波形失真。另一方面，線性相位濾波的“前綴波”幅度已減小到臺址振動噪聲水平以下，也不會干擾震相判讀。因此，在遠震和近震觀測場合，使用瞬態(tài)濾波的優(yōu)點不多。

（5）對于地方震和水庫誘發(fā)地震，應優(yōu)先選擇瞬態(tài)濾波，因其高頻能量豐富，波形持續(xù)時間短，初動半周期小。若要利用數(shù)字地震波形做更深入的研究工作，則瞬態(tài)濾波優(yōu)點更多，帶來的誤差會更小。