книги / Статистический анализ геофизических полей
..pdf191
& ±
чэ
ТО
со ш
ч--л>
А§
ОО
ЯР
о
:s
СО
8 ТО
а
о
орог
йм
MV
ю о *
Ч" 2,07
COIN
оосг>
сосГ
1
С4*
а>с\г
<^ю
ого>
• т
ос?
соSo
SS
а
CVJC-
сясо
*=•4*
gs
Й8
S ог*1
СО to
oico
*
цнс\г
•» It
сою
»«1
Ом
йй
МСО
за
О м
k*<0
м«\?
|
где |
»t |
представляя собой |
||||||
853 |
трехмерный АР-процесс со |
||||||||
coco |
статистически независимыш |
||||||||
tOtr-t компонентами, |
обладавшими |
||||||||
о г о |
одним и тем же энергетиче |
||||||||
СОмооГ |
ским спектром; |
|
^ |
- трех |
|||||
ю |
мерный АР-процесс |
о одина |
|||||||
ковыми компонентами, т .е . |
|||||||||
N |
|||||||||
со* * |
линейно поляризованный по |
||||||||
|
диагонали первого квадран |
||||||||
o S |
та |
процесс, |
спектр которо |
||||||
го |
отличался от |
спектра |
|||||||
состГ |
|||||||||
*с* |
компонент |
af |
, |
|
существенно |
||||
|
|
||||||||
о ю |
перекрываясь |
с |
|
ним по по |
|||||
0>Г- |
л осе . Отношение |
сигнал - |
|||||||
моГ |
помеха для каждой компонен |
||||||||
02 СО ты полагалось равным еди |
|||||||||
0205 нице. |
|
|
|
|
|
|
|||
сою |
|
Заметим, |
что |
модель |
|||||
|
|
||||||||
|
(1 .6 .3 8 ) |
совпадает |
с моде |
||||||
* * ль» |
(jg .6 .3 3 ) |
вступления |
|||||||
Of |
линейно поляризованной Р - |
||||||||
|
волны и не |
соответствует |
88модели разладки гау ссо в ского АР-процесса, исполь
зовавшейся при выводе МП-
cr>Q
оценки (Щ .6 .8). Применение
<* *
ом последней оценки х наблю дениям процеоса (S .6 .3 8 )
СОМ |
позволяет, таким образом, |
||
мм |
судить об устойчивости МП- |
||
MV |
|||
оценки к отклонению от |
|||
|
|||
|
предполагаемой модели на |
||
|
блюдений. |
|
|
|
Реализация |
одной ком |
|
|
поненты процесса |
(0 .6 .3 8 ) |
|
|
изображена на рио. 4 7 ,а . |
Момент вступления на глаз точно определить невозмож но. Реализации остальных двух компонент по виду со -
192
Р и с . |
|
22 . Результаты |
иссле |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
дования методом Монте-Карло |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
точности оценки момента вступ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ления |
/’-волны трехкомпонент- |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ным алгоритмом поиска разладки: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
1 |
-/>//■; |
2 |
- е/т |
; 3 - |
|
|
|
|
|
|
|
|||
i / r , |
где |
|
|
b2) 3 ; |
<7~ |
|
|
|
|
|
|
|
|||
* < ( r p - b |
' f y * ; |
\i\-\<rP - r p >Y, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
100 |
|
|
знак усреднения |
(по |
|
|
|
|
|
|
|
||||
реализациям'); |
масштаб по |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
оси ординат приведен в едини |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
цах преобладающего периода т |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
/-волны, |
равного |
0 ,2 |
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
вершенно аналогичны. Функции |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
правдоподобия момента разладки |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
в интервале 100 4 |
г < 900 для |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
одной компоненты изображена на |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
рис. * 7 ,6 , |
для |
трех |
компонент - |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
на |
рис. |
1 7 ,в . Из |
риоуннов вид |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
но, |
что |
одномерная функция |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
правдоподобия имеет перед теч |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
кой 500 шесть близких по вели |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
чине максимумов, |
причем наи |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
больший из них соответствует точке |
Тр |
= 463, |
а третий по вели |
||||||||||||
чине - |
истинной точке разладки |
тр |
= 500. функция правдоподобия |
||||||||||||
для трех компонент, во-первых, в 3 |
раза круче нарастает и спада |
||||||||||||||
ет |
на интервале 100 |
£. г |
6 900 и, во-вторых, |
имеет в окрестности |
|||||||||||
точки |
г |
- |
500 лишь два максимума, |
больший из которое в точности |
|||||||||||
совпадает |
о моментом разладки |
£ » |
500. Таким образом, можно |
||||||||||||
сделать вывод о |
том, |
что МП-оценка |
(Ш .6.8) момента разладки г а |
||||||||||||
уссовского АР-процесеа вполне эффективна не только в пределах |
|||||||||||||||
той модели наблюдений, для которой она была выведена, |
но и для |
||||||||||||||
более |
реалистических |
моделей (Щ .б.3 3 ), |
(1Й .6.38). |
|
|
||||||||||
|
Рио. |
18-21 представляют собой результаты |
применения Ш -оцен- |
||||||||||||
ки |
(|Г.6.8) |
к записям местных землетрясений - |
афтершоков Фриуль |
||||||||||||
ского землетрясения в Италии от |
0 6 .0 5 .1 9 7 6 , |
™ = 6 ,5 , |
V =„46,З У ; |
||||||||||||
Л =* 1 8 ,3 . |
На рис. 1 8 ,а |
изображена |
трехкомпояентная функция прав |
||||||||||||
доподобия, |
вычисленная в широком интервале |
г , включающем в |
себя |
||||||||||||
учаоток помехи, |
Р- |
и |
S -волну. Функция имеет |
отчетливый |
гло |
||||||||||
бальный максимум в точке вступления |
Р -волны. |
Кривая а |
на рис Л 9 |
предотавляет собой ту же функцию правдоподобия, но вычисленную в окрестности момента вотугмения /-волны, определенного по кри-
193
194
вой « рис. 18 . Максимум этой кривой соответствует визуально оп |
|
ределяемой точке |
вступления /-волн ы , |
Рис. 20 и 21 |
соответствуют афтершоку с малой магнитудой, |
/-волна от которого почти полностью скрыта шумами и с трудом ви
зуально определяется только по вертикальной |
компоненте (кри |
||
вая |
А ) . функция правдоподобия, вычисленная |
в широком интервале |
|
г |
(кривая а ), |
демонстрирует отчетливый максимум в точке вступ |
|
ления /-волны |
и не "реагирует" на вступление- /-волны . Однако |
та se функция, вычисленная на коротком интервале, который пред
шествует /-в ол н е |
и захватывает /-волну и участок помехи, |
уке |
|||
имеет отчетливый максимум в |
точке, совпадающей |
с визуально |
опре |
||
деляемым моментом вступления |
/-волны (рис. |
21 |
,а ). |
|
|
Количественные характеристики точности |
оценивания моментов |
||||
вступления /~ и |
/-в о л н на сейсмограммах местных землетрясений |
могут быть получены методом Монте-Карло. Ниже описаны результа ты такого эксперимента. Сейсмограмма одного из афтершоков Фриуль ского землетрясения со сравнительно нечетким вступлением /-вол ны смешивалась в различных отношениях сигнал - шум со 100 различ ными (независимыми) реализациями сейсмического шума, взятыми из записей всей серии Фриульских афтершоков. При этом за мощность сигнала брилась усредненная по трем компонентам мощность всего
исследуемого участка |
сейсмограммы, включающего Р - и /-волны , |
а за мощность шума - |
усредненная по трем компонентам мощность со |
ответствующей реализации сейсмической помехи. Результаты статис тического анализа отклонений оценки моментов вступления от истин
ных значений приведены в. |
табл. |
2 и на рис. 22. Анализ показыва |
|
ет, что переход от одно- |
к трехкомпонентному алгоритму улучшает |
||
точность оценивания И для |
А , |
и для /-волны |
в среднем в 2 раза. |
При больших отношениях сигнал - |
шум точность |
определения вступ |
ления /-волны выше точности для /-волны в 2-3 раза, но при ма лых отношениях эти точности сравнимы. Последнее объясняется тем, что контраст статистических характеристик /-волны и шума более высокий, чем /-волны и коды /-волны, но это обстоятельство влияет только при больших отношениях сигнал - шум.
На рис. 22 приведены графики, характеризующие точность трех компонентного алгоритма при определении момента вступления / -
* ? и о. 23. Сейсмограмма землетрясения "Белчатов” (Польша,
H ;0 0 i4 0 ; 26.02.1980).
К о м п о н е н т ы : а - север - юг, б - вертикальная, в - восток - запад
волны в зависимости от отношения сигнал - шум. По оси ординат от
ложены средние значения ошибок в единицах преобладающего периода
волны ( 0 , 2 с ) . Из рисунка видно, что при больших отношениях сиг нал - шум среднеквадратичная точность определения момента вступ ления Р -волны составляет около 0 , 0 4 с , что не уступает точности визуального определения опытным сейсмологом.
Рис. 2 3 -2 6 иллюстрируют эффективность алгоритма ( 1 . 6 . 8 ) при оценивании моментов вступления А и «У-волн на сейсмограммах
региональных и |
телесейсмнческих событий. Эти сейсмограммы полу |
|
чены с помощью |
широкополосного сейсмометра Геофизического |
инсти |
тута АП ЧСФР |
и характеризуются тем, что осложнены |
силь- |
196 |
|
|
Р и с . |
2 4 . Однокомпонентные функции правдоподобия мо |
мента |
разладки в различных интервалах ее поиска |
ними низкочастотными помехами, представляющими собой колебания поверхностных волн, вызванных штормовым прибоем на побережье Бал
тийского моря. На рис. 24 , 25 представлены результаты |
обработки |
||||
трехкошонентной сейсмограммы регионального события - |
землетрясе |
||||
ния в Польше, |
изображенной на рис. 2 3 . На рис. 24 приведены гра |
||||
фики одномерной функции правдоподобш момента разладки |
£ |
, вы |
|||
численные для |
самой затуш енной |
компоненты - сейсмограммы |
на |
||
рис* 2 3 , а , в |
разных диапазонах |
значений |
г . Из ри с. 24 |
видно, |
|
что форма функции правдоподобия |
зависит |
от диапазона |
г , |
в ко |
тором она вычисляется (что является следствием нестационарности
сейсмического |
си гн ала), однако эта |
зависимость не столь уж силь |
||||
на* По кривой |
а , включающей и |
А |
, и практически всю |
S -волну, |
||
можно уже достаточно точно определить моменты вступления |
А и |
|||||
S -волн* |
Эти величины затем уточняются по кривым S ' и / , |
вычис |
||||
ленным в |
окрестностях вступления |
этих волн. Оценка для |
А-врлны |
|||
выглядит более надежной, чем для |
S -волны. Отметим, что |
близкие |
||||
к синусоидальным колебания помехи на сейсмограмме (ри с. |
2 3 ,а -в ) |
проявляются в форме функции правдоподобия как периодические ее флюктуации.
Влияние сильной низкочастотной помехи на оценку моментов вступления А и S -волн можно существенно уменьшить с помощью частотной фильтрации, учитывая различие в спектральном составе
1 9 7
1 9 8 -
200