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小波变换在地震数据压缩和震相到时拾取中的应用研究

王喜珍  
【摘要】:以提升方法和劳伦多项式分解为基础,研究了基于整数小波变换的地震数据无损压缩方法。对传统的编码方法如HUFFMAN编码、ARITH编码、RUN-LENGTH编码和LZW编码来讲,除RUN-LENGTH编码外,小波变换都可以较大幅度地提高压缩比,其中LZW编码方法的压缩比最高,小波变换的效果也最好。与地震系统数据标准交换格式采用的Steim-1、steim-2编码方法相比,基于小波变换编码的压缩比较Steim-1编码的压缩比有显著的提高,较steim-2编码的压缩比也有提高。对噪声数据和实际观测地震数据的压缩结果表明基于小波变换的压缩方法在压缩比方面要优于其它的编码方法。小波函数对压缩比有一定的影响,对噪声数据的压缩结果表明CDF(2,)双正交小波组的压缩比最好,而对地震观测数据的压缩结果表明CRF(13,7)和SWE(13,7)两个双正交小波的压缩比最好。 利用双正交小波函数的优点,研究了地震数据有损压缩方法和重构误差对确定地震基本参数的影响。小波变换滤波器组系数长度和分解水平大小对信噪比的影响程度表明,当压缩比大于10,小波函数为bior(3,7)(B-样条双正交小波,其中3为重构滤波器系数长度,7为分解滤波器系数长度)、分解水平为5时信噪比较高,均方差较小。示例地震数据的压缩结果表明,压缩比为0~40时,信号重构误差对确定地震事件基本参数震级和震中矩的影响很小,几乎可以忽略。对重构信号的频谱和相位的分析表明,随着压缩比的增加,频谱和相位的变化增大,特别是压缩比约大于26时,二者变化相当明显。多个地震事件数据的压缩结果表明,当压缩比分别为10.5、21.0和30.5时,重构信号的幅值变化、拾取的P波和S波到时变化都较小,对确定震级和震中矩的误差在合理的范围之内。示例地震数据的压缩结果还表明,信噪比和均方差的变化存在一个相对平缓的区域,压缩比在该区域内取值,可以得到较好的压缩结果。 研究了震相到时拾取方法,提出了基于小波变换的特征函数构造方法。根据P波和S波震相的频率特征,小尺度上的小波分解系数对应信号的噪声部分,计算特征函数时可以不考虑这些系数。地方震、近震和远震的P波到时拾取结果表明,本文构造的特征函数较其它传统的特征函数拾取的到时精度有所提高。结果还表明在P波到时附近新的特征函数的变化梯度增大,对应的横轴范围变窄,更有利于P波到时的拾取。用实际记录的地震事件波形数据拾取到时的结果表明,STA/LTA和线性偏振两种到时拾取方法在经小波分解和没有小波分解时确定的P波到时有较大的差别,基于小波分解的到时拾取方法确定的P波到时精度更高,对确定震中矩的影响也最小。


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