用于地震观测的瞬态滤波研究

邵玉平 王翠芳

（四川省地震局，成都 610041）

目前，地震数据采集器使用的最后两级数字滤波器相位有最小相位和线性相位两种，相位特性直接影响着记录的地震数据波形质量。最小相位滤波的优点是：地震波形没有“前缀”波形出现，不会干扰分析人员对震相的判读；其缺点是：通带边沿频率附近不同频率分量群时延差异较大，导致最小相位滤波会带来波形失真，对初动半周期的波形影响显著。线性相位滤波的优点是：对地震波中各种频谱分量具有相同的群时延，稳态波形失真最小；其缺点是：该滤波器的主响应波（即初动）前有“前缀”波出现，不能用于以震相分析为主要目的的地震观测中。线性相位滤波仅用于强震观测。

地震联合青年基金课题“用于地震观测的瞬态滤波研究”设计出了一种专用于地震波形采集的瞬态滤波器（由四抽一和二抽一两级滤波器组成），该瞬态滤波器既有最小相位特性，又有较好的线性相位特性。它的瞬态响应中，没有干扰震相分析的“前缀”波，且对复杂波形中各频率分量有相同的群时延，不会带来波形失真。

利用MATLAB中ifir函数，给定参数值（抽取系数、滤波器类型、通带边缘频率、阻带边缘频率、通带波纹和阻带衰减），设计四抽一瞬态滤波器。直接使用该方法设计的滤波器，因为在单位圆外有一个零点，所以滤波器不是最小相位系统。去掉圆外的零点，即可将其变成最小相位系统。同时将实轴上的另一零点往单位圆方向平移，拓展通带宽度。采用最优FIR滤波器设计方法，设计二抽一瞬态滤波器。用remezord和remez算法设计的满足幅频特性的线性相位滤波器，在实轴上有4个零点，因为单位圆外有零点，故滤波器不是最小相位系统，其脉冲响应有前缀波，去掉圆外的两个零点，脉冲响应的前缀波消失，但是通带宽度减小，阻带衰减响应增大。为了获得足够宽的通带和较大的尾波比值，故将实轴上的4个零点全部去掉，另外在正实轴上添加了一个合适的零点。

为了验证已设计的瞬态滤波器效果，并与已使用的最小相位和线性相位滤波器的性能进行比较。通过计算机仿真，比较出3种滤波器的理论性能差异。仿真完成后，到地震台站进行了现场观测试验。用1台反馈式短周期地震计经过连接线扩展头分别与3台数据采集器相连，数据采集器的输出经串口服务器将采集到的波形数据传送到计算机进行记录存储。分析半个月内记录到的地震事件，得到3种滤波存有明显差异的地震事件有12个。

通过详细分析对比地震事件的初动前波形、初动半周期及后续波形，得到以下结论：

（1）线性相位滤波在采样率设置较低时，地震波初动前的“前缀波”比较明显，可能会误导分析人员对初动到时的判读。提高采样率可以减轻“前缀”波的幅度。

（2）最小相位滤波的初动半周期被明显展宽和幅度压低，且“重心”明显后移。对使用初动半周期来进行研究时，应引起充分注意。

（3）瞬态滤波没有“前缀”波出现，初动半周期也没有被展宽，其记录的波形失真较小，是一种特性优良的地震波形过滤器。但瞬态滤波设置的采样率必须为最小相位和线性相位采样率的4倍，才能有相近的-3 dB带宽。因此，瞬态滤波在地震观测中低失真的优点是用提高采样率来换取的。

（4）对于远震和近震，使用瞬态滤波的优点不多，因其高频能量非常小，在现有的100 SPS采样率下，地震波的主要频谱分量，已落在最小相位滤波的相位特性线性度较好的频段，不会有明显的初动半周期展宽和后续波形失真。另一方面，线性相位滤波的“前缀波”幅度已减小到台址振动噪声水平以下，也不会干扰震相判读。因此，在远震和近震观测场合，使用瞬态滤波的优点不多。

（5）对于地方震和水库诱发地震，应优先选择瞬态滤波，因其高频能量丰富，波形持续时间短，初动半周期小。若要利用数字地震波形做更深入的研究工作，则瞬态滤波优点更多，带来的误差会更小。