阵列分析-文献翻译
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在实践中，可从声学监测阵列获得的定位质量受许多因素影响。这些包括：
•仪器位置的准确性。
•速度模型的准确性。
•在波形上拾取错误--由于信号的衰减，拾取错误在源位置远离阵列时变大。
•阵列的空间覆盖差（在失配空间中导致局部最小值）
•定位算法的有效性和分辨率。在这项研究中使用了塌陷网格搜索算法。
•由空隙，回填和高度衰减结构扰动的射线路径的影响。
•网格参数--对于所有的模式选项，这些参数是在“Volume”窗格中定义的“Volume”上或在定位器属性选项卡中定义的网格搜索“Volume”上计算的。可以通过单击应用网格搜索体积按钮（ Apply Grid Search Volume）来选择此选项。 （图16-2）。
•定位器属性--包含定位算法的所有输入参数（图16-3）。
•幅度灵敏度
•失配空间
•错误空间
•阴影空间
•蒙特卡罗模拟
•合成波形
运行分析，在网格和定位器属性选项卡中设置所需参数，然后选择一个分析选项卡，选择输入参数，然后按开始按钮。
在方向（Orientation）下拉菜单中选择一个带方向的平面，并沿第三轴上定义在位置（Location）第三维的一个值时输出结果。对网格点数量框（Number of Grid Points）中定义的每个轴的多个点执行计算。
•静态应力下降（Brune应力下降）。
图16-10：幅度灵敏度分析的配置参数
在波传播纯粹是弹性的情况下，速度谱中的主峰等于拐角频率。当波在非弹性介质中传播时，能量通过各种衰减机制被吸收，并且这具有将主要速度峰移到较低频率的效果。 图16-10给出了一个例子。
对于Q的某些源--接收器距离和输入值，应力降，噪声水平和密度，InSite将通过比较本底噪声与主频率处的速度谱值来确定最小可检测的幅度。
图16-15：合成波形生成的配置参数
1.小波属性：主频与震级幅度有关。对于任何用户定义的主频，当使用均质模型时，经验计算的震级幅度将作为参考显示。对于分层模型，不保留真实幅度，P / S比率指定幅度比。对于分析波形，只有第一类高斯微分可用作源时间函数。
2.波形类型：只有直接波（P和S）可用于分析波形。 其他选项适用于分层模型的基于射线的合成波形。
震级幅度，Mw，是用于描述事件大小的标准幅度量表，可以使用以下公式进行计算：
Mw=2/3log10(M0) - 6.1
图16-10中用于计算的其他用户定义参数为：
•Q系数：地震源（网格点）和接收器之间介质的平均衰减系数
•密度：地震源（网格点）和接收器之间介质的平均密度
•速度振幅阈值：速度单位中的仪器噪音水平。
如果阵列设计相对于给定位置具有良好的空间覆盖范围，那么失配将是一个光滑的曲面，其中一个最小值集中在真实位置（图16-5）。 然而，如果阵列设计相对于给定位置具有较差的空间覆盖范围，那么失配将呈现局部最小值，其中源位置算法可能被“限制”并因此产生错误的结果。
计算中使用的定位算法和速度模型在处理属性（Processing Properties）>定位器 菜单（Locater）中定义。结果可以在定位可视器（Location Visualiser）中输出（参见图16-2）。在计算之前选择Show Ray Traces选项，用户还可以在Location Visualiser中显示理论事件位置和监测仪器之间的射线路径（图16-6）。右击平面会出现一个菜单，其中有三个选项：删除，导出和属性。删除从可视器场景中移除平面。导出允许用户创建平面的位图文件。如果尚未显示，属性将启动颜色比例对话框。颜色比例中使用的限制和颜色映射可以通过单击颜色比例窗口中的编辑并在配置窗口中选择数值来进行调整（图16-7）。通过移动拖滚键可以调整密度平面的透明度。重置按钮将最小值和最大值设置为默认值。
图16-14：速度灵敏度分析的配置参数。
16.7合成波形
合成波形生成功能允许用户使用图标在3D可视器或者在CSV文件中指定中定义的任何位置生成分层模型的基于射线的合成波形或均质模型的分析波形（真正的解决方案）。除了位置之外，用户还可以根据以度为单位的倾向、走向、倾角来指定断裂方向（图16-15）。合成波形作为ESF文件存储，其中拾取的是首次到达，这等于来自已知位置的理论到达。用户可以使用合成波形测试多个位置或矩张量反演算法，以进一步优化网络几何结构或选择最合适的处理算法。ESF文件存储在新组件下。
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阴影空间计算通过固体材料的直接视线确定搜索网格上每个点可见的传感器数量; 使用任何绘图对象创建空洞空间（8.18）。 图16-13显示了一个例子。 注意：阴影空间处理只需要通用对话框参数。
图16-13：由三个钻孔围成的垂直孔的阴影空间计算，每个孔有八个传感器
16.6蒙特卡罗模拟：定位不确定性
蒙特卡罗模拟分析速度模型中的不确定性对事件位置的影响。使用“默认拍摄/发射器阵列”（Default Shot/transmitter array）输入理论试验事件位置。对于每个定义的试验位置，InSite都使用“定位器”中定义的速度模型计算理论行程时间。随机变化在“阵列分析”界面中定义的带有方差的所有定义层的P波和S波速度，执行用户定义的模拟数量（图16-14）。 可以从CSV文件导入多个3D位置。单击复选框也可以使用用户定义的3D位置。 这些事件通过椭球拟合来表示错误。右键点击这个椭球并点击属性显示椭球的尺寸，轴是标准偏差的两倍。
1.要检测的事件的最小拾取数量
2.信噪比
3.平均岩石衰减因子（Q质量因子）
4.仪器检测（噪音）级别，单位为速度（m / s）
5.静态应力降（Brune应力降）
6.量级分辨率
7.平均岩石密度
8.选择P波和S波
9.堆叠仪器
10.输入单位--选择是以公制还是英制输入单位
11.关闭（保存参数），开始处理/ es，取消（关闭而不保存参数）
图16-4：失配空间分析的配置参数。
1、残差计算的范数
2、理论事件的位置
3、显示从理论事件位置到所有仪器的射线路径
4、等于时间和角度单位的权重值
5、关闭（保存参数），启动过程/秒，取消（关闭而不保存参数）
图16-5：显示失配空间的示例，在理论事件的位置附近显示最小值。
图16-6：显示失配空间的示例，显示从理论事件位置到监测仪器的射线路径。
阵列分析进程可以批量运行，允许多个进程排队并循序运行，而无需进一步的用户输入。要将一个进程添加到列表中，请按下队列（Queue）按钮，它将出现在对话框右侧的列表视图中。要查看列表中的进程，请单击它，对话框中的数值将显示该进程的参数。要删除一个或多个进程，点击一个或按住'Ctrl'键并点击几个进程来选择多个进程，然后按删除（Remove）按钮。点击开始（Start）按钮来运行列表中的所有进程。每个已完成的进程旁边都会显示绿色的记号。如果进程列表为空，并且按下了“开始”按钮，则将使用对话框中的当前参数并将其添加到列表中，并将对其进行处理。要删除已完成的所有进程，请按清除已完成按钮（Clear Completed）。批处理列表可以通过按保存按钮（Save）保存到项目中，按加载按钮（Load）恢复。默认情况下，打开阵列分析对话框时，存储的进程列表不会恢复。如果进程列表为空且模拟在运行，它将在完成后自动从列表中清除，只有已排队的进程将保留在列表中。
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阵列分析工具（Array Analysis Tool）允许用户通过分析阵列几何形状和仪器灵敏度对定位算法收敛性，预期定位不确定性和一般灵敏度的影响，在微震监测项目之前模拟监测阵列的性能。可以分析三个参数在监测空间上的分布：
•定位失配空间
•定位错误空间
•幅度灵敏度
•阴影空间
•蒙特卡罗模拟
通过单击工具（Tools）>启动阵列分析工具（Array Analysis Tool）（图16-1），或单击位置可视器（location Visualiser）中的阵列分析（Array Analysis）快捷键，可从数据管理可视器（Data Management Visualiser）的菜单栏启动这些功能。阵列分析对话框分为多个选项卡：
单击“开始”时，会打开一个进度条以显示计算进度（图16-9）。 处理时间将取决于定位算法，速度模型的复杂性，网格点的数量和每个点选择的随机事件的数量。
图16-8：错误空间分析的配置参数。
1.仪器采样频率
2.位于仪器旁的事件采样点中的拾取错误
3.事件和仪器之间的距离超出预期的大拾取错误
4.位于临界距离以外的事件的采样点拾取错误
将结果写入输出网格文件（Output Grid files），菜单中定义的名称和位置在菜单中定义，并可通过选中自动导入到场景框（Auto Import to Scene）自动显示在定位可视器（Location Visualiser）中。 网格文件（Grid files）也可以通过点击场景（Scene）>导入网格文件（Import Grid File）导入到定位可视器（Location Visualiser）。 在执行计算之前，必须定义网格文件存储文件夹和基本名称。可以同时显示多个平面。
以下各节介绍每个分析的具体计算和用户定义的参数。
图16-1：用于启动阵列分析工具的菜单栏下拉菜单
图16-2：阵列分析网格参数选项卡
1.体积：计算在此面板中定义的3D体积中执行。通常应用网格搜索的相同量级。
2.网格参数：必须定义2D平面的方向及其沿着第3轴的位置。网格点的数量控制了2D平面的分辨率。接收器阵列位置的失配空间是阵列定位事件到该位置的准确度的指标。监测体积内任何一点的失配都是从这一点传感器的到达时间和P源矢量以及在事件位置选项中（Event Position）定义的真实位置的到达时间之间差异的函数。旅时和源矢量差异使用L1或L2范数计算。在源定位算法中，对测量的到达时间运用统计方法以最小化失配并计算最佳可能的源位置。源矢量权重值是用于将时间和角度单位相等的缩放值，应该适当地进行设置（图16-4）。
5.每个网格点的模拟数量
6.S波拾取错误的因素
7.关闭（保存参数），启动过程/秒，取消（关闭而不保存参数）
图16-9：显示错误空间计算状态的进度窗口。
16.4幅度灵敏度
该过程计算在监视空间的每个点处要检测的事件的最小理论量值。假设所有传感器都有相同的噪声阈值。
该分析使用了文献中进一步描述的地震学理论，广义比例关系和波形处理原理，例如，Gibowicz和Kijko（1994）或Mendecki（1997）。
使用源和临界距离处的旅时误差（以采样点为单位）来估计与这些参数相关的不确定性。这些值应根据预期的拣选精度进行设置。源处的旅时误差对应于位于监测阵列附近的事件（预计在0和2个采样点之间）的期望拾取误差。临界距离处的旅时误差对应于位于距震源的用户定义距离之外的事件（预期更高，大约2-10个采样点）的期望拾取误差。这些不确定性用于扰动与理论事件相关的到达时间，然后使用这些到达时间来计算“事件位置”。然后从随机合成事件与已知“真实位置”的平均偏差中得出监测体积内每个分析点处的误差。这些错误通过阵列被画成轮廓线提供绝对定位不确定性。
图16-11：显示幅度灵敏度空间的示例，显示监视空间中两个平面上的最小可检测幅度。
在这个模块中，用户可以选择为P波或S波找到最小可检测的幅度。 对于表面监测的情况，可以校正本底噪声，为了堆叠在大型阵列上的影响。
这个幅度灵敏度也可以通过位置展示器中的色彩密度平面显示（图16-11）。
图16-12：幅度灵敏度分析的配置参数。
3.输出网格文件：生成的2D平面文件必须存储在本地驱动器上。选中自动导入到场景（Auto Import to Scene）以在生成后将2D平面导入3D可视器中。
4.启用并行处理（Enable Parallel Processing）允许InSite使用多核进行计算。
图16-3：阵列分析定位器属性选项卡。处理参数与7.7节中定义的相同。
图16-7：调整密度图中色标的菜单
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AE，超声波或微震阵列性能的一个重要指标是绝对定位的不确定性，这将导致事件定位到监测体积内任何一点。该过程涉及在给定网格的每个点（随机事件的数量）上生成用户选择的合成事件的样本。每个事件与每个传感器之间的旅时通过使用速度模型的正演模拟来计算。阵列分析对话框中的选项可用（图16-8）。
•仪器位置的准确性。
•速度模型的准确性。
•在波形上拾取错误--由于信号的衰减，拾取错误在源位置远离阵列时变大。
•阵列的空间覆盖差（在失配空间中导致局部最小值）
•定位算法的有效性和分辨率。在这项研究中使用了塌陷网格搜索算法。
•由空隙，回填和高度衰减结构扰动的射线路径的影响。
•网格参数--对于所有的模式选项，这些参数是在“Volume”窗格中定义的“Volume”上或在定位器属性选项卡中定义的网格搜索“Volume”上计算的。可以通过单击应用网格搜索体积按钮（ Apply Grid Search Volume）来选择此选项。 （图16-2）。
•定位器属性--包含定位算法的所有输入参数（图16-3）。
•幅度灵敏度
•失配空间
•错误空间
•阴影空间
•蒙特卡罗模拟
•合成波形
运行分析，在网格和定位器属性选项卡中设置所需参数，然后选择一个分析选项卡，选择输入参数，然后按开始按钮。
在方向（Orientation）下拉菜单中选择一个带方向的平面，并沿第三轴上定义在位置（Location）第三维的一个值时输出结果。对网格点数量框（Number of Grid Points）中定义的每个轴的多个点执行计算。
•静态应力下降（Brune应力下降）。
图16-10：幅度灵敏度分析的配置参数
在波传播纯粹是弹性的情况下，速度谱中的主峰等于拐角频率。当波在非弹性介质中传播时，能量通过各种衰减机制被吸收，并且这具有将主要速度峰移到较低频率的效果。 图16-10给出了一个例子。
对于Q的某些源--接收器距离和输入值，应力降，噪声水平和密度，InSite将通过比较本底噪声与主频率处的速度谱值来确定最小可检测的幅度。
图16-15：合成波形生成的配置参数
1.小波属性：主频与震级幅度有关。对于任何用户定义的主频，当使用均质模型时，经验计算的震级幅度将作为参考显示。对于分层模型，不保留真实幅度，P / S比率指定幅度比。对于分析波形，只有第一类高斯微分可用作源时间函数。
2.波形类型：只有直接波（P和S）可用于分析波形。 其他选项适用于分层模型的基于射线的合成波形。
震级幅度，Mw，是用于描述事件大小的标准幅度量表，可以使用以下公式进行计算：
Mw=2/3log10(M0) - 6.1
图16-10中用于计算的其他用户定义参数为：
•Q系数：地震源（网格点）和接收器之间介质的平均衰减系数
•密度：地震源（网格点）和接收器之间介质的平均密度
•速度振幅阈值：速度单位中的仪器噪音水平。
如果阵列设计相对于给定位置具有良好的空间覆盖范围，那么失配将是一个光滑的曲面，其中一个最小值集中在真实位置（图16-5）。 然而，如果阵列设计相对于给定位置具有较差的空间覆盖范围，那么失配将呈现局部最小值，其中源位置算法可能被“限制”并因此产生错误的结果。
计算中使用的定位算法和速度模型在处理属性（Processing Properties）>定位器 菜单（Locater）中定义。结果可以在定位可视器（Location Visualiser）中输出（参见图16-2）。在计算之前选择Show Ray Traces选项，用户还可以在Location Visualiser中显示理论事件位置和监测仪器之间的射线路径（图16-6）。右击平面会出现一个菜单，其中有三个选项：删除，导出和属性。删除从可视器场景中移除平面。导出允许用户创建平面的位图文件。如果尚未显示，属性将启动颜色比例对话框。颜色比例中使用的限制和颜色映射可以通过单击颜色比例窗口中的编辑并在配置窗口中选择数值来进行调整（图16-7）。通过移动拖滚键可以调整密度平面的透明度。重置按钮将最小值和最大值设置为默认值。
图16-14：速度灵敏度分析的配置参数。
16.7合成波形
合成波形生成功能允许用户使用图标在3D可视器或者在CSV文件中指定中定义的任何位置生成分层模型的基于射线的合成波形或均质模型的分析波形（真正的解决方案）。除了位置之外，用户还可以根据以度为单位的倾向、走向、倾角来指定断裂方向（图16-15）。合成波形作为ESF文件存储，其中拾取的是首次到达，这等于来自已知位置的理论到达。用户可以使用合成波形测试多个位置或矩张量反演算法，以进一步优化网络几何结构或选择最合适的处理算法。ESF文件存储在新组件下。
1
阴影空间计算通过固体材料的直接视线确定搜索网格上每个点可见的传感器数量; 使用任何绘图对象创建空洞空间（8.18）。 图16-13显示了一个例子。 注意：阴影空间处理只需要通用对话框参数。
图16-13：由三个钻孔围成的垂直孔的阴影空间计算，每个孔有八个传感器
16.6蒙特卡罗模拟：定位不确定性
蒙特卡罗模拟分析速度模型中的不确定性对事件位置的影响。使用“默认拍摄/发射器阵列”（Default Shot/transmitter array）输入理论试验事件位置。对于每个定义的试验位置，InSite都使用“定位器”中定义的速度模型计算理论行程时间。随机变化在“阵列分析”界面中定义的带有方差的所有定义层的P波和S波速度，执行用户定义的模拟数量（图16-14）。 可以从CSV文件导入多个3D位置。单击复选框也可以使用用户定义的3D位置。 这些事件通过椭球拟合来表示错误。右键点击这个椭球并点击属性显示椭球的尺寸，轴是标准偏差的两倍。
1.要检测的事件的最小拾取数量
2.信噪比
3.平均岩石衰减因子（Q质量因子）
4.仪器检测（噪音）级别，单位为速度（m / s）
5.静态应力降（Brune应力降）
6.量级分辨率
7.平均岩石密度
8.选择P波和S波
9.堆叠仪器
10.输入单位--选择是以公制还是英制输入单位
11.关闭（保存参数），开始处理/ es，取消（关闭而不保存参数）
图16-4：失配空间分析的配置参数。
1、残差计算的范数
2、理论事件的位置
3、显示从理论事件位置到所有仪器的射线路径
4、等于时间和角度单位的权重值
5、关闭（保存参数），启动过程/秒，取消（关闭而不保存参数）
图16-5：显示失配空间的示例，在理论事件的位置附近显示最小值。
图16-6：显示失配空间的示例，显示从理论事件位置到监测仪器的射线路径。
阵列分析进程可以批量运行，允许多个进程排队并循序运行，而无需进一步的用户输入。要将一个进程添加到列表中，请按下队列（Queue）按钮，它将出现在对话框右侧的列表视图中。要查看列表中的进程，请单击它，对话框中的数值将显示该进程的参数。要删除一个或多个进程，点击一个或按住'Ctrl'键并点击几个进程来选择多个进程，然后按删除（Remove）按钮。点击开始（Start）按钮来运行列表中的所有进程。每个已完成的进程旁边都会显示绿色的记号。如果进程列表为空，并且按下了“开始”按钮，则将使用对话框中的当前参数并将其添加到列表中，并将对其进行处理。要删除已完成的所有进程，请按清除已完成按钮（Clear Completed）。批处理列表可以通过按保存按钮（Save）保存到项目中，按加载按钮（Load）恢复。默认情况下，打开阵列分析对话框时，存储的进程列表不会恢复。如果进程列表为空且模拟在运行，它将在完成后自动从列表中清除，只有已排队的进程将保留在列表中。
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阵列分析工具（Array Analysis Tool）允许用户通过分析阵列几何形状和仪器灵敏度对定位算法收敛性，预期定位不确定性和一般灵敏度的影响，在微震监测项目之前模拟监测阵列的性能。可以分析三个参数在监测空间上的分布：
•定位失配空间
•定位错误空间
•幅度灵敏度
•阴影空间
•蒙特卡罗模拟
通过单击工具（Tools）>启动阵列分析工具（Array Analysis Tool）（图16-1），或单击位置可视器（location Visualiser）中的阵列分析（Array Analysis）快捷键，可从数据管理可视器（Data Management Visualiser）的菜单栏启动这些功能。阵列分析对话框分为多个选项卡：
单击“开始”时，会打开一个进度条以显示计算进度（图16-9）。 处理时间将取决于定位算法，速度模型的复杂性，网格点的数量和每个点选择的随机事件的数量。
图16-8：错误空间分析的配置参数。
1.仪器采样频率
2.位于仪器旁的事件采样点中的拾取错误
3.事件和仪器之间的距离超出预期的大拾取错误
4.位于临界距离以外的事件的采样点拾取错误
将结果写入输出网格文件（Output Grid files），菜单中定义的名称和位置在菜单中定义，并可通过选中自动导入到场景框（Auto Import to Scene）自动显示在定位可视器（Location Visualiser）中。 网格文件（Grid files）也可以通过点击场景（Scene）>导入网格文件（Import Grid File）导入到定位可视器（Location Visualiser）。 在执行计算之前，必须定义网格文件存储文件夹和基本名称。可以同时显示多个平面。
以下各节介绍每个分析的具体计算和用户定义的参数。
图16-1：用于启动阵列分析工具的菜单栏下拉菜单
图16-2：阵列分析网格参数选项卡
1.体积：计算在此面板中定义的3D体积中执行。通常应用网格搜索的相同量级。
2.网格参数：必须定义2D平面的方向及其沿着第3轴的位置。网格点的数量控制了2D平面的分辨率。接收器阵列位置的失配空间是阵列定位事件到该位置的准确度的指标。监测体积内任何一点的失配都是从这一点传感器的到达时间和P源矢量以及在事件位置选项中（Event Position）定义的真实位置的到达时间之间差异的函数。旅时和源矢量差异使用L1或L2范数计算。在源定位算法中，对测量的到达时间运用统计方法以最小化失配并计算最佳可能的源位置。源矢量权重值是用于将时间和角度单位相等的缩放值，应该适当地进行设置（图16-4）。
5.每个网格点的模拟数量
6.S波拾取错误的因素
7.关闭（保存参数），启动过程/秒，取消（关闭而不保存参数）
图16-9：显示错误空间计算状态的进度窗口。
16.4幅度灵敏度
该过程计算在监视空间的每个点处要检测的事件的最小理论量值。假设所有传感器都有相同的噪声阈值。
该分析使用了文献中进一步描述的地震学理论，广义比例关系和波形处理原理，例如，Gibowicz和Kijko（1994）或Mendecki（1997）。
使用源和临界距离处的旅时误差（以采样点为单位）来估计与这些参数相关的不确定性。这些值应根据预期的拣选精度进行设置。源处的旅时误差对应于位于监测阵列附近的事件（预计在0和2个采样点之间）的期望拾取误差。临界距离处的旅时误差对应于位于距震源的用户定义距离之外的事件（预期更高，大约2-10个采样点）的期望拾取误差。这些不确定性用于扰动与理论事件相关的到达时间，然后使用这些到达时间来计算“事件位置”。然后从随机合成事件与已知“真实位置”的平均偏差中得出监测体积内每个分析点处的误差。这些错误通过阵列被画成轮廓线提供绝对定位不确定性。
图16-11：显示幅度灵敏度空间的示例，显示监视空间中两个平面上的最小可检测幅度。
在这个模块中，用户可以选择为P波或S波找到最小可检测的幅度。 对于表面监测的情况，可以校正本底噪声，为了堆叠在大型阵列上的影响。
这个幅度灵敏度也可以通过位置展示器中的色彩密度平面显示（图16-11）。
图16-12：幅度灵敏度分析的配置参数。
3.输出网格文件：生成的2D平面文件必须存储在本地驱动器上。选中自动导入到场景（Auto Import to Scene）以在生成后将2D平面导入3D可视器中。
4.启用并行处理（Enable Parallel Processing）允许InSite使用多核进行计算。
图16-3：阵列分析定位器属性选项卡。处理参数与7.7节中定义的相同。
图16-7：调整密度图中色标的菜单
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AE，超声波或微震阵列性能的一个重要指标是绝对定位的不确定性，这将导致事件定位到监测体积内任何一点。该过程涉及在给定网格的每个点（随机事件的数量）上生成用户选择的合成事件的样本。每个事件与每个传感器之间的旅时通过使用速度模型的正演模拟来计算。阵列分析对话框中的选项可用（图16-8）。