第31卷第2期2011年4月
大地测量与地球动力学
J OURNAL OF GEODESY AND GEODYNAM I CS
V o.l31N o.2
A pr.,2011
文章编号:1671-5942(2011)02-0142-04地震预警中的单台综合定位方法* 压电陶瓷换能器黄俊姚运生王秋良李井冈
(中国地震局地震研究所，武汉430071)
摘要基于日本基盘强震观测网中某个地震事件首个地震台记录的震级在4级以上、震中距为30~100k m的强震数据，运用B-$法和V orono i多边形法相结合的方法计算震中距。结果表明,B-$法和V orono i多边形法相结合计算出的震中距与单用B-$法的计算结果相比，单台定位所用时间相同，但其定位精度明显提高。
关键词单台；地震预警；地震定位;B-$法;V orono i多边形法
中图分类号:P315.6文献标识码:A
A I NTEGRATED SI NGLE-STATI ON SE IS M IC LOCAT I ON
M ETHOD FOR EARLY WARN I NG
H uang Jun,Yao Yunsheng,W ang Q iuliang and Li Ji n ggang绝缘软母排
(Institute of S eis m ology,CEA,Wuhan430071)
Abstract Fro m the str ong m oti o n data at the first station w hich rece i v ed seis m ic si g na l o f a certain event do w nloaded fro m K I K-net of Japan,whose m agnitude are m ore t h an4and ep icentra l distance range fro m30km to 100km,w e co mputed t h e ep icentra l diatance w ith the co mb i n ed B-$m ethod and Vorono i po l y gon m ethod.The re-su lts sho w thatw it h the co m b i n ed m ethod and the ca lculated ep icen tra l d istance can be mo re accurately than w ith on l y B-$m ethod as consune the sa m e locati o n ti m e.
K ey w ords:sing le station;earthquake early w arni n g;se is m ic l o cation;B-$m ethod;Vorono i po lygon m ethod
1引言
快速确定地震震级及震中位置的能力是衡量地震预警系统成败的一个重要标志[1]。目前用于地震预警的定位方法可以分为单台预警法和多台预警法。如日本的U r EDAS[2,3]采用单台信号预警，能在捡拾到P波初动3s数据后估算出震级、震中距和震源深度。台湾花莲地区的地震预警系统在地震发生以后，使用最靠近震中(震中距小于60km)的12个台站形成虚拟子网来进行地震速报[4]。多台预警虽然定位精度较高，但耗时长，时效性差；单台预警虽然定位的误差相对较大，但定位速度快。因此，如何在较短时间内提高单台定位精度成为地震预警技术发展的一个重要的研究方向。
单台地震预警作为时效性强的地震预警方法，能在最短时间内为所要保护的目标提供警报，从而极大地减小地震灾害的损失。但是单台所能提供的信息少，且目前地震预警中用于求震中距的方法都是来源于经验公式，定位精确度不高。当地震台的数据记录质量不好时，震中距误差会更大，从而使预警失去了原有的作用。据此本文尝试运用B-$法和Vorono i多边形法相结合的方法，利用日本基盘
*收稿日期:2010-10-11
基金项目：铁道部2010年科技开发计划项目(2009G027)
作者简介：黄俊，男,1986年生，硕士研究生，主要从事地震预警和地震工程方面的研究.Em a i:l hu ang.j m
第2期黄俊等：地震预警中的单台综合定位方法
强震观测网下载的数据来计算震中距。其结果与单用B-$法的计算结果相比，单台定位所用时间相同，且误差较小。
2对定位方法的改进[2,5-8]
2.1B-$法
B-$法利用曲线B.t exp(-At)(t为时间,A、B 为参数)拟合P波到后前3s初始部分的波形包络，其中A、B由最小二乘法确定。由于l o g($)($为震中距)与log(B)成反比，可以根据l o g($)与l o g(B)的统计关系得到二者的线性关系，确定经验公式:
l o g(B)=m log($)+n(1)式中,m、n为线性系数。
Tsukada等[9]用日本气象厅(J MA)的数据对此方法进行评估，证明当震级在4级以上，震中距在200km以内时,log($)与l o g(B)成反比，而与震级大小无关。与其他的经验方法相比,B-$法求震中距的优点在于所求得的震中距大小与震级无关，而且通过拟合得到的A值的大小可以区分出浅源小震、深源地震与破坏性浅源大震。
2.2Voronoi多边形法
Vo r ono i多边形是利用在传播介质均匀同性的情况下，距震中最近的台站会最先接收到地震信号，此时其他台站尚未接收到地震信号。利用这一特性，根据几何关系即可构建一个Vo r ono i多边形，其满足两个条件:1)多边形范围内只有一个台站，此台站即为最早接收到地震信号的台站;2)震中在多边形范围内。台站分布越密集,V orono i多边形的范围就越小。
当第一个台站接收到地震信号，即可将震中定在V orono i多边形内。再根据第一个台站接收到地震信号的数据，计算出震中方位角。取Voronoi多边形与沿方位角方向相交点到首个接收到地震信号的台站的距离为震中距的上限。实际中，一般用该上限的一半来粗略估计震中距的大小。此方法的优点在于定位速度快，缺点是所求得的震中距误差较大。当台网密度较小的情况下误差会更大。
2.3对B-$法加Voronoi多边形法的改进
本文尝试使用B-$法和Voronoi多边形法相结合的方法来计算震中距。先利用Vorono i多边形法计算出震中距上限，然后用B-$法求得震中距，若B-$法计算的震中距在震中距上限以内，即认为B-$法估算的震中距是可靠的；如果用B-$法算得的震中距在震中距上限以外，即认为B-$法算得的震中距偏大，而把Vo r ono i多边形求得的震中距上限当做最终震中距。
B-$法中传统的拟合方法是先在一个地区内筛选一些地震求Log($)和log(B)，然后进行线性拟合得出其经验关系式，这个经验关系就适用于这个地区的所有台站，再次发生地震时，只需求得B值即可估算
出震中距$。如果在例如日本等发达的国家或地区，一些台站已经记录了较多的地震，用单台记录的数据足够用于拟合，得到适用于该台的经验公式，从而可靠度得以加强。故本文用单台数据拟合经验公式。
3实例分析
3.1数据来源
日本是一个地震灾害频发的国家，已建成实时进行数据交换的高密度地震观测网。由日本防灾科学技术研究所(N I E D)在全国铺设的近700台强震仪所构成的日本基盘强震观测网(k i k-net)，观测网密集，积累了大量强震数据。本文选取日本基盘强震观测网上下载的地震数据进行计算。
3.2数据筛选
一般认为，当被监测物距离震中为30km以上时,P波和S波才能分出来，此时同地预警才有效[10]。而用B-$法求震中距主要适用于震中距在200km以内的地震[9]，因此本文从2010年发生的地震中选取了23次地震。然后筛选其中震级在4级以上、震中距在30~100km的台站数据。
3.3计算过程与结果
3.3.1构建V oronoi多边形
Voronoi多边形主要是根据台网的分布利用几何关系绘出。具体方法是绘制每个台站与它周围台站的垂直平分线，这些垂直平分线相交即可得到Vorono i多边形。一般来说，台网分布确定后, Vorono i多边形网也可随之确定。
3.3.2拟合经验公式
对台网内每一个台站1997年)2009年记录到的地震进行筛选后，用曲线拟合地震波P波到后前3s初始部分的波形包络，求出与值，然后拟合得到和的经验关系式。
3.3.3求震中距上限
地震发生以后，对所有接收到该地震的台站记录波形进行初至P波震相捡拾，寻最先接收到地震信号的台站，然后用此台站的数据求得震中方位角。取Voronoi多边形与沿方位角方向相交点到首个接收到地震信号的台站的距离为震中距的上限。
3.3.4B-$法求震中距
将最先接收到地震信号的台站的数据用曲线B.t exp(-A t)进行拟合得到B值，所求得的B值再
143
代入上文拟合出的震中距$与B的经验关系公式，即可得到估算的震中距$。
3.3.5综合判定
将B-$法计算的震中距$与Vorono i多边形法求得的震中距上限进行比较，若B-$法计算的震中距在所求的震中距上限以内，即认为B-$法估算的震中距是可靠的；如果用B-$法算得的震中距在所求的震中距上限以外，即认为B-$法算得的震中距偏大，而把Vorono i多边形法求得的震中距上限当做最终震中距。
3.3.6结果及分析
将在日本基盘强震观测网上下载的23次地震数据用本文所述方法进行计算，计算结果如表1所示。
从表1中可以看到，有10次事件用B-$法计算的震中距在Vorono i多边形法求得的震中距上限之内，因此这10次事件最终的震中距取B-$法计算的震中距。而其他13次事件利用B-$法求得的震中距超过了震中距上限，取所求的震中距上限为最终求得的震中距。
将计算结果和实际震中距相对比发现，用B-$法算得的震中距最大误差为93.4km，最小误差为-0.7km，平均误差为26.9km；而运用B-$法和Vorono i多边形法相结合的方法求得的震中距误差最大为25.1km，最小误差为-0.7km，平均误差为5.2km。因此运用B-$法和Vorono i多边形法相结合的方
法计算的震中距的误差比用B-$法求得的震中距误差要小，表明震中距上限可以有效的对B-$法算得的震中距进行约束，起到减小震中距误差的作用。
表1计算结果Tab.1Co mpu ted resu lts
编号文件名初至
台站
计算
方位角
(b)
实际
方位角
(b)
计算方
位角误
差(b)
震中距
上限
(k m)
B-$法
求震中
距(km)
本文方法
求震中
距(km)
挂链
实际
震中距
(k m)
B-$法
环卫扫路刷误差
(k m)
本文方
大蒜分瓣脱皮机法误差
(km)
120100222185300IBRH13173179.8-6.844.847.544.838.29.36.7 220100314105900IB UH06156151.34.756.0100.856.055.245.60.8 320100314170800FK S H205870.6-12.6107.694.494.477.616.816.8 420100317192900NM RH04201193.87.245.961.445.937.024.48.9
520100331061800IBRH14170164.06.039.734.434.431.23.23.2 620100427082300M I EH05124112.811.2124.7116.0116.090.925.125.1 720100429072100IBRH14171156.414.639.450.539.432.218.37.2 820100430193300SITH10343349.1-6.137.6121.237.634.486.83.2 920100501182000N IGH017661.414.639.586.439.530.456.09.1 1020100511223700EHMH1115.3-4.339.4125.939.432.593.46.9 1120100513200100O ITH052121.6-0.647.042.842.830.512.412.4 1220100613123300FK S H2011297.814.274.4100.874.472.128.72.3 1320100628060300AOMH019381.911.198.9163.798.977.386.421.6 1420100629072400I W TH23272264.77.335.650.435.631.818.63.8 1520100708212300K SRH09126130.5-4.575.889.875.865.624.210.2 1620100721061900O S KH01117119.6-2.644.835.635.643.7-8.1-8.1 1720100727083100I W TH23130126.53.569.456.556.550.75.75.7 1820100807143100K SRH10183184.9-1.9153.539.939.942.3-2.4-2.4 1920100901163300K SRH10146144.61.490.562.062.083.6-21.6-21.6 2020100913144800AOMH065145.45.691.884.284.284.9-0.7-0.7 2120100929033500I W TH175555.4-0.434.746.034.731.015.03.6 2220101001082400FK S H11303290.612.434.7110.334.732.377.92.4 2320101003063700N IGH11268255.912.138.734.934.931.73.13.1
4结论与讨论
通过比较B-$法和Vorono i多边形法的特性，利用这两种方法的优势，采用B-$法和Vorono i多边形法相结合的方法求震中距，并在B-$法中用单台记录的数据拟合经验公式，使B-$法拟合出的经验公式更具有针对性。从日本基盘强震观测网下载了23次地震数据进行计算，结果表明B-$法和Vorono i多边形法相结合计算出的震中距与单用B-$法计算结果相比，单台定位所用(下转第148页)
传感技术学报,2005,18(4):739-741,744.(M a Ji ng-hua,et a.l Study on a m easurem ent sy stem for t wo-d i m en-si ona l m icro-d i sp l acement[J].Journal o f T ransducti on T echno l ogy,2005,18(4):739-741,744)
2曾彬，等.摩擦轮驱动微位移实验平台的设计和研究[J].
制造技术与机床,2007,12:53-56.(Zeng B in,et a.l D e-si gn and study on t he fricti on dr i v i ng m icro d i sp l ace m ent worki ng table[J].M anufacturing T echno logy&M ach i ne T oo,l2007,12:53-56)
3李蓓智，等.精密微位移工作的设计与性能分析[J].机械设计与研究,2008,24(4):41-43,53.(L i Beizh,i et a.l
D esign and pe rf o r m ance analysis on precise m icro-d i sp lace-
m ent wo rk i ng table[J].M ach i ne D esi gn and R esearch, 2008,24(4):41-43,53)
4贾云德.机器视觉[M].北京：科学出版社,2004.(Jia Y unde.M ach i ne V i s i on[M].Beiji ng:Science P ress,2004) 5郭荣礼，等.基于线阵CCD的微位移测量系统设计[J].
机电产品开发与创新,2009,22(6):156-157,145.
(Guo R ong l,i e t a.l D esi gn i ng o f m i c ro-disp l ace m ent m eas-uring syste m based on li nea r CCD[J].D eve lop m ent&Inno-vation o f M achi nery&E l ectrical P roducts,2009,22(6): 156-157,145)
(上接第144页)
时间相同，但其定位精度得到明显提高。
数据处理中发现，台网的密度及震中方位角的误差大小对定位精度有影响。在台网密度一定的情况下，方位角误差越小，定位精度越高。在今后的工作中，研究的重点将放在提高震中方位角的精度上，从而提高B-$法和V or ono i多边形法相结合的方法定位的精度，并用国内多个区域的强震数据进行相关研究。
参考文献:
1黄媛，杨建思.用于地震预警系统中的快速地震定位方法综述[J].国际地震动态,2006,(12):1-5.(H uang Y uan and Y ang Jians.i Su mm arization of the quick ea rt hquake lo-cati on m ethod on eart hquake ear l y w arn i ng syste m s[J].R e-cent D eve l op m ents i n W or l d Se i s m o l ogy,2006,(12):1-5)
2N aka m ura Y.On the urgent eart hquake detec ti on and a lar m syste m(U rEDA S)[R].P roc,9th o f W orld Con ference on Earthquake Eng ineer i ng,1988.
3N aka m ura Y.Earthquake a lar m system for Japan rail w ay s [J].Japanese R ail w ay Eng i neer i ng,1989,109:1-7.
伞型齿轮4W u Y M and T eng T L.A v irtua l sub-ne t w ork approach to earthquake early w arn i ng[J].Bu lleti n o f the Se is m o l og ical
Society o f Am er i ca,2002,92(5):2008-2018.
5O daka T,et a.l A new m ethod of quick l y esti m ati ng ep i cen-tra l distance and m agnitude fro m a s i ng le se i s m i c reco rd[J].
Bull etin of the Seis mo log ica l Soc i e ty o f Ame rica,2003,93
(1):526-532.
6A tsuyuk i O,e t a.l Spatia l tesse llations:Concepts and applica-ti ons o f vorono i d i agra m s.2nd ed[M].H oboken:John W-i ley,2000.
7马强.地震预警技术研究及应用[D].中国地震局工程力学研究所,2008.(M a Q iang.Study and appli cation of ear t hquake ear l y wa rning[D].Institute of Eng i neering M e-chan i cs,CEA,2008)
8Andrew B L and R M A llen.Sing le-Sta ti on earthquake character izati on f o r ear l y w arn i ng[J].Bulleti n of t he Seis-m o l og ical Soc iety of Am erica,2005,95(6):2029-2039. 9T sukada S,et a.l A ne w m ethod o f esti m ati ng epicentra l dis-tance and m agn it ude for early eart hquake de tecti on:(2)A p-plica ti on o f J M A data[R].ABSTRA CTS2001Japan Earth and P lanetary Sc ience Jo i ntM ee ti ng,2001.
10朱福祥，等.重大工程地震预警初步研究[J].世界地震工程,2002,18(3):32-26.(Z hu Fux iang,e t a.l P reli m-i nary st udy on ea rt hquake early warhi ng sy stem for si gn if-i cant i n frastruct ures[J].W o rd Earthquake Eng i nee ri ng, 2002,18(3):32-36
