次声波地震震中定位技术研究
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次声波地震震中定位技术探讨
摘要：
潘黎黎 吴蕴华
在湖北省境内安装次声波传感仪，测量次声波声压与时间的关系曲线图。 根据曲线图形状，对比具有相似波形的图形，分析其声压大小特点，比较接收数 据的时间差。研究指出，若两地的三点阵波向相交,可预测震中位置。地震前兆 次声波由于其穿透性强、易于观测，对其的测量研究, 有可能发展成为临震预报 中一种较有效的新方法。但由于现在次声波数据处理技术不成熟，本文从几何观 点探讨通过次声波波形相似性及时间差来定位地震震中。
圆 B:（x-b）2 +（y-c）2 =q2
设震中 D（h，t），则以其为圆心的圆为（x-h）2 +（y-t）2 =h2+t2 ，根据圆 D
与圆 A 和圆 B 外切可得计算式（圆心之间的距离等于两圆半径之和）：
RB+RD = h2 &3; (t - c)2
○1
RA+RD= h2 + t2 +p= (h - c)2 + t2
根据我们的观察研究，用次声波方法预报地震，发震时间误差在 4 天以内， 震级误差小于 MS0.8 级。尽管次声波的方法能较好地预报发震时间及震级，但目 前的问题是震源位置无法确定。解决的关键是采用阵列技术，用三个次声探头构 成三元点阵，利用三个次声探头接收次声信号的时间差，再根据波形的相关性， 可得到波传播到任意两传感器的时间延迟，并通过公式推导计算出波的方向。并 利用两个以上次声观测站算出的方位角交汇即可得震源位置。
2. 声源干扰多。只要破裂源或人工源的激发能量足够大时，就能产生较强的低
频辐射，雷雨、冰雹等天气因素、爆炸甚至放置仪器的实验室突然剧烈的开
关门均会引发次声波，干扰因素较多。因此，要准确的找出地震前兆的次声
波信息还需要对与之无关的次声波信号进行识别以及分离。 3. 技术不成熟。现在的仪器和软件技术还不是很成熟，导致有的数据观察不准
Cp
O
A（a，0）
x
已知 OA=a，AC=p，BE=q，点 A(a，0)、B(b，c)。(a，b，c 已知）
根据线性规划原则可推断震中位置在图中点 D 处。 根据震中与传感器的关系，可推知以震中为中心的某一个圆可与图中两圆相 切（外切）且经过原点，通过几何关系可求的震中坐标。
圆 A:（x-a）2 +y2 =p2
T2
A 地次声波信号 B
B 次声波信号 T3
O
地理位置图
A
本文背景是次声波再不受到巨大山脉衍射或在衍射很小的情况下进行的.。
震中定位算法构想： 在传感器中寻找三个不同时间接收到同一次生异常信号的仪器，其波形相似
如以上三图，以最早接收到次生异常信号的传感器为原点 O，中间的仪器为点 A， 连接点 A 与 O，以 OA 方向为 X 轴。最后接受到信号的传感器为点 B，以过点 O 且垂直于 X 轴的直线为 Y 轴建立直角坐标系。
关键词：
次声波；P-t 曲线图；三点阵；震中定位；
概述：
次声波方法在地震短临预报中式一种非常重要的方法，在地震发生前，震中 地区向大气辐射的次声波为地震次声波。次声波的频率很低，在 20Hz 一下，衰 减小，传播距离远，在大气声道中可以传播上千公里，具有极强的穿透性且不易 被大气吸收，有的甚至可以绕地球数周后仍能被灵敏的次声探头接受到。同时， 破裂源或人工源的激发能量足够大时，能产生较强的低频辐射，所以次声波又是 较为广泛存在的一种波，暴雨、台风、火山爆发等都可以发出次声波。由于其要 求足够的能量，因此在强地震临震前才有可能产生可以被距离较远的传感器接收 的次声波。
2p
联合○4 和○6 式得：
h=Πt （Π 为一参数可以计算 ）
○7
将○7 式代入○1 或○2 式解得 t，可得 2 个值，从而得到 h 的值，后根据相关图形
可得出最佳（h，t），这样就得到了震中坐标，再通过一定方式转化为经纬度从 而定位震中。
2.1 研究存在问题：
1. 地震次声波容易受到山脉的影响而发生衍射。
○2
将○1 式两边平方计算得：
q2 +2q h2 + t2 =b2+c2-2hb-2tc
○3
解得：
h2 + t2 = b2 + c2 - 2hb - 2tc - q2
○4
2q
同理将○2 式平方得：
p2 +2p h2 + t2 =a2-2ha
○5
解得：
h2 + t2 = a2 - 2ha - p2
○6
以下 P-t 图是我们通过软件将接收到的次声数据转化的图形，其上包含了各个 时间点的次声信号强度，及次声源的 gps 坐标等等。
声压(Pa)
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
0
1
2
3
4
5
6
7
8
时间(s)
x 104
1.1 次声异常信号的识别：
1.2 对于次声震中定位的探讨：
T1 O 地次声波信号
确。现在我们所用的软件没有完善的滤波功能，对于我们有效分离非地震前 兆的次声波信息造成较大阻碍。 4. 次声波传感仪布置范围较小。在大面积范围内来看，布置点较为集中，计算 出的误差偏大，尤其是当震源与传感仪相距较远时。 5. 难以找到同一个声源传来的信号。在数据的分析过程中发现，我们很难找到
具有相似波形的图像，其原因是多方面的。既涉及到分离无关次声波信号、 滤波的问题，也涉及到仪器本身在数据的接收以及传输上的问题。
【1】苏昉，田维，2008 年 7—9 月强地震的前兆次声波测量研究，地震研究， 2002 25（1），11-18 【2】邵长金，唐炼，李相方，2003 年日本北海道 8.0 级地震次声波特征研究， 地震，2005 25（1），74-79 【3】夏雅琴，王微，张斌，次声信号的数据采集系统，北京工业大学学报，2006 32（6），573-576 【4】秦飞，郑菲，李均之，夏雅琴，陈维升，临震次声异常产生的机理研究， 北京工业大学学报，2007 33（1），104-107 【5】邵长金，唐炼，李相方，强地震的前兆次声波研究，应用声学，2005 24 （3），152-156 【6】夏雅琴，胡争杰，郑菲，震前次声波信号特征研究，北京工业大学学报， 2005 31（5），461-464 【7】夏雅琴，秦飞，魏树红，刘程艳，次声波异常信号的分析，苏门答膳地震 海磷影晌中国华南天气的初步研究，64-72 【8】李均之，陈维升，夏雅琴，综合多学科观测方法预测强地震，北京工业大 学学报，2007 33（7），778-783 【9】秦飞，郑菲，李均之，夏雅琴，陈维升，孕震过程中次声波的产生机理， 北京工业大学学报，2006 32（6），568-572 【10】荣大龙，关于地震预测物理模型-数学模型-参数测试-科学决策的探讨， 国科社区网，2009 【11】潘琴龙，冯德益，郑斯华等．长周期形变波及其所反映的短期和临震地震 前兆．地震学报，1984 6(1)，41-56 【12】M．Hedlin，M．Garc’es，et a1．Listening to the secret sounds of earth’s atmosphere-EOS，Trans·Am·geophys·Un．，2002，83：564-565 【13】夏雅琴，胡争杰，郑菲．震前次声波信号特征研究．北京工业大学学报， 2005，3l(5)：461-465
设最早接受到次生信号的时间点位 T1 ，中间的为 T2 ，最后的时间点为 T3 。
且 t1 =T2 –T1 ，t2 =T3-T1 。p= t1 *V，q= t2 *V。（其中 V 为次声波平面投影
速度）。
又分别以点 A、B 为圆心，以 p、q 为半径作圆，则可得下图：
：
y D(h，t)
震 中
q
E
B（b，c）
摘要：
潘黎黎 吴蕴华
在湖北省境内安装次声波传感仪，测量次声波声压与时间的关系曲线图。 根据曲线图形状，对比具有相似波形的图形，分析其声压大小特点，比较接收数 据的时间差。研究指出，若两地的三点阵波向相交,可预测震中位置。地震前兆 次声波由于其穿透性强、易于观测，对其的测量研究, 有可能发展成为临震预报 中一种较有效的新方法。但由于现在次声波数据处理技术不成熟，本文从几何观 点探讨通过次声波波形相似性及时间差来定位地震震中。
圆 B:（x-b）2 +（y-c）2 =q2
设震中 D（h，t），则以其为圆心的圆为（x-h）2 +（y-t）2 =h2+t2 ，根据圆 D
与圆 A 和圆 B 外切可得计算式（圆心之间的距离等于两圆半径之和）：
RB+RD = h2 &3; (t - c)2
○1
RA+RD= h2 + t2 +p= (h - c)2 + t2
根据我们的观察研究，用次声波方法预报地震，发震时间误差在 4 天以内， 震级误差小于 MS0.8 级。尽管次声波的方法能较好地预报发震时间及震级，但目 前的问题是震源位置无法确定。解决的关键是采用阵列技术，用三个次声探头构 成三元点阵，利用三个次声探头接收次声信号的时间差，再根据波形的相关性， 可得到波传播到任意两传感器的时间延迟，并通过公式推导计算出波的方向。并 利用两个以上次声观测站算出的方位角交汇即可得震源位置。
2. 声源干扰多。只要破裂源或人工源的激发能量足够大时，就能产生较强的低
频辐射，雷雨、冰雹等天气因素、爆炸甚至放置仪器的实验室突然剧烈的开
关门均会引发次声波，干扰因素较多。因此，要准确的找出地震前兆的次声
波信息还需要对与之无关的次声波信号进行识别以及分离。 3. 技术不成熟。现在的仪器和软件技术还不是很成熟，导致有的数据观察不准
Cp
O
A（a，0）
x
已知 OA=a，AC=p，BE=q，点 A(a，0)、B(b，c)。(a，b，c 已知）
根据线性规划原则可推断震中位置在图中点 D 处。 根据震中与传感器的关系，可推知以震中为中心的某一个圆可与图中两圆相 切（外切）且经过原点，通过几何关系可求的震中坐标。
圆 A:（x-a）2 +y2 =p2
T2
A 地次声波信号 B
B 次声波信号 T3
O
地理位置图
A
本文背景是次声波再不受到巨大山脉衍射或在衍射很小的情况下进行的.。
震中定位算法构想： 在传感器中寻找三个不同时间接收到同一次生异常信号的仪器，其波形相似
如以上三图，以最早接收到次生异常信号的传感器为原点 O，中间的仪器为点 A， 连接点 A 与 O，以 OA 方向为 X 轴。最后接受到信号的传感器为点 B，以过点 O 且垂直于 X 轴的直线为 Y 轴建立直角坐标系。
关键词：
次声波；P-t 曲线图；三点阵；震中定位；
概述：
次声波方法在地震短临预报中式一种非常重要的方法，在地震发生前，震中 地区向大气辐射的次声波为地震次声波。次声波的频率很低，在 20Hz 一下，衰 减小，传播距离远，在大气声道中可以传播上千公里，具有极强的穿透性且不易 被大气吸收，有的甚至可以绕地球数周后仍能被灵敏的次声探头接受到。同时， 破裂源或人工源的激发能量足够大时，能产生较强的低频辐射，所以次声波又是 较为广泛存在的一种波，暴雨、台风、火山爆发等都可以发出次声波。由于其要 求足够的能量，因此在强地震临震前才有可能产生可以被距离较远的传感器接收 的次声波。
2p
联合○4 和○6 式得：
h=Πt （Π 为一参数可以计算 ）
○7
将○7 式代入○1 或○2 式解得 t，可得 2 个值，从而得到 h 的值，后根据相关图形
可得出最佳（h，t），这样就得到了震中坐标，再通过一定方式转化为经纬度从 而定位震中。
2.1 研究存在问题：
1. 地震次声波容易受到山脉的影响而发生衍射。
○2
将○1 式两边平方计算得：
q2 +2q h2 + t2 =b2+c2-2hb-2tc
○3
解得：
h2 + t2 = b2 + c2 - 2hb - 2tc - q2
○4
2q
同理将○2 式平方得：
p2 +2p h2 + t2 =a2-2ha
○5
解得：
h2 + t2 = a2 - 2ha - p2
○6
以下 P-t 图是我们通过软件将接收到的次声数据转化的图形，其上包含了各个 时间点的次声信号强度，及次声源的 gps 坐标等等。
声压(Pa)
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
0
1
2
3
4
5
6
7
8
时间(s)
x 104
1.1 次声异常信号的识别：
1.2 对于次声震中定位的探讨：
T1 O 地次声波信号
确。现在我们所用的软件没有完善的滤波功能，对于我们有效分离非地震前 兆的次声波信息造成较大阻碍。 4. 次声波传感仪布置范围较小。在大面积范围内来看，布置点较为集中，计算 出的误差偏大，尤其是当震源与传感仪相距较远时。 5. 难以找到同一个声源传来的信号。在数据的分析过程中发现，我们很难找到
具有相似波形的图像，其原因是多方面的。既涉及到分离无关次声波信号、 滤波的问题，也涉及到仪器本身在数据的接收以及传输上的问题。
【1】苏昉，田维，2008 年 7—9 月强地震的前兆次声波测量研究，地震研究， 2002 25（1），11-18 【2】邵长金，唐炼，李相方，2003 年日本北海道 8.0 级地震次声波特征研究， 地震，2005 25（1），74-79 【3】夏雅琴，王微，张斌，次声信号的数据采集系统，北京工业大学学报，2006 32（6），573-576 【4】秦飞，郑菲，李均之，夏雅琴，陈维升，临震次声异常产生的机理研究， 北京工业大学学报，2007 33（1），104-107 【5】邵长金，唐炼，李相方，强地震的前兆次声波研究，应用声学，2005 24 （3），152-156 【6】夏雅琴，胡争杰，郑菲，震前次声波信号特征研究，北京工业大学学报， 2005 31（5），461-464 【7】夏雅琴，秦飞，魏树红，刘程艳，次声波异常信号的分析，苏门答膳地震 海磷影晌中国华南天气的初步研究，64-72 【8】李均之，陈维升，夏雅琴，综合多学科观测方法预测强地震，北京工业大 学学报，2007 33（7），778-783 【9】秦飞，郑菲，李均之，夏雅琴，陈维升，孕震过程中次声波的产生机理， 北京工业大学学报，2006 32（6），568-572 【10】荣大龙，关于地震预测物理模型-数学模型-参数测试-科学决策的探讨， 国科社区网，2009 【11】潘琴龙，冯德益，郑斯华等．长周期形变波及其所反映的短期和临震地震 前兆．地震学报，1984 6(1)，41-56 【12】M．Hedlin，M．Garc’es，et a1．Listening to the secret sounds of earth’s atmosphere-EOS，Trans·Am·geophys·Un．，2002，83：564-565 【13】夏雅琴，胡争杰，郑菲．震前次声波信号特征研究．北京工业大学学报， 2005，3l(5)：461-465
设最早接受到次生信号的时间点位 T1 ，中间的为 T2 ，最后的时间点为 T3 。
且 t1 =T2 –T1 ，t2 =T3-T1 。p= t1 *V，q= t2 *V。（其中 V 为次声波平面投影
速度）。
又分别以点 A、B 为圆心，以 p、q 为半径作圆，则可得下图：
：
y D(h，t)
震 中
q
E
B（b，c）