一种基于背景噪声互相关技术的OBS时钟校正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于背景噪声互相关技术的OBS时钟校正方法，利用海底地震仪OBS记录N天的原始地震数据，根据原始地震数据计算任意两个台站间的每天的噪声互相关函数NCF，然后利用每天的NCF的对称性分析方法来计算台站间的钟差；首先通过所有天的NCF经过动态钟差校正叠加形成参考NCF，根据参考NCF的正负到达时得到静态钟差；根据每天的NCF与参考NCF在做互相关的正负到达时得到动态钟差；总的钟差为静态钟差和动态钟差的和。本发明专利技术利用每天的NCF的对称性分析方法，获得了台站间的静态和动态钟差，更好的解决了外界GPS无法有效授时和钟差非线性变化的特殊情况下OBS之间的钟差校正问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于背景噪声互相关技术的OBS时钟校正方法
本专利技术属于海底地震观测
，涉及一种基于背景噪声互相关技术的OBS时钟校正方法。
技术介绍
海底地震观测技术是在海底布设海底地震仪(以下统称OBS)台阵，用于长期实时观测洋中脊热液活动的直接有效手段。由于电磁波无法在海水中传播，因此OBSs之间不能通过像陆地地震仪那样通过外界GPS实时授时方式来保证地震计内部时钟统一，而是采用地震计内部的晶振作为时间计数的硬件装置。由于晶振受温度、自身老化和其他环境因素的影响会使晶振的振动的频率发生漂移，最终导致地震计内部时钟系统与真实时间系统存在偏差，称之为钟差。钟差在长时间的记录过程中会逐渐积累，甚至达到几秒，这么大的误差显然是不能忽略的，特别是对精确的地震定位和地震层析成像等地震学方法的研究影响非常大。因此对于OBS数据资料的处理中，钟差校正是非常必要的。一般情况下OBS的投放入水前和回收出水后都会与GPS时间进行对时，假设钟差随时间是线性变化的，这样可以把OBS投放和回收前后与GPS时间的时间差通过线性回归的方式校正到地震数据中去。这种方法简单实用，但是对于钟差不是线性变化的或者OBS在回收后没有与GPS对时情况下是不适用的。
技术实现思路
为了解决上述特殊情况，就需要从地震数据本身的性质寻找时钟校正的方法。本专利技术采用一种通过提取OBS台站间的背景噪声数据利用互相关技术来计算时钟误差的方法。其原理是通过提取OBS台站间的NCF随时间的变化规律来计算台站间的钟差。本专利技术通过以下技术方案得以实现：一种基于背景噪声互相关技术的OBS时钟校正方法，包括如下步骤：(1)利用海底地震仪OBS记录N天的原始地震数据；(2)根据原始地震数据计算任意两个台站间的每天的噪声互相关函数NCF，第i天的NCF记为si(t)，si(t)包括从一侧照射的因果部分和从相反的一侧照射的非因果部分如式(1)；(3)第二天到第N天的NCF分别与第一天的NCF做互相关得到动态钟差差，N天的NCF经过动态种差校正后叠加在一起形成参考NCF，记为r(t)，r(t)同样可分为因果部分r+(t)和非因果部分r-(t)；(4)由r(t)的因果部分r+(t)最大峰值对应的正到达时t+与非因果部分r-(t)最大峰值对应的负到达时t-得到静态钟差，如式(2)；dtstat＝|t+|-|t-|............................................(2)(5)r(t)的因果部分r+(t)与每天的NCF的因果部分做互相关得到互相关函数r(t)的非因果部分r-(t)与每天的NCF的非因果部分做互相关得到互相关函数表示互相关运算符，由互相关函数的峰值对应的时间差dt+和互相关函数的峰值对应的时间差dt-得到每天的动态钟差如式(3)；(6)将静态钟差与第i天的动态钟差加和得到第i天的两台站间的相对钟差进一步地，所述步骤(1)中，采用窗长为1天的水听器分量记录原始地震数据。进一步地，所述步骤(2)中，将采集的原始数据经去仪器响应，重采样，去均值和趋势，滤波，时间域归一化和谱白化预处理后，再计算NCF。进一步地，所述步骤(2)中，滤波选取2～5s带通滤波，时间域归一化方法采用滑动绝对平均归一化方法。进一步地，所述步骤(6)中，对于任意三个台站A，B和C，任意两对台站间的相对钟差和满足如下关系式：考虑到台网中任意的三个台站组合都应满足上述关系式(5)，这样就可以降低计算两台站间钟差时产生的误差，采用共轭梯度的方法来寻找由台网中任意三个台站满足式(5)组合成的方程组的最优解，这些最优解就是最终任意两个台站间的钟差。进一步地，所述步骤(2)中，在理想的情况下，两个台站接收的背景噪声在空间中是均匀分布的，它们做互相关得到的NCF的因果信号和非因果信号在波形和时间上都应该是对称的，而实际情况下，因果信号和非因果信号的走时往往是不对称的，它们之间的差异是由两台站间的钟差造成的。进一步地，所述步骤(3)中，通过叠加的方法获得参考NCF受到随机不均一噪声源的影响减小，提高了信噪比，避免了由于第一天数据质量不好而导致计算结果的偏差，使得利用参考NCF的因果部分和非因果部分的互相关结果计算的静态钟差更加准确。进一步地，所述步骤(5)中，通过多次OBS地震实验数据表明动态钟差通常随时间呈线性分布。本专利技术的有益效果是：通过合理的参数选择利用每天的NCF的对称性分析方法，获得了台站间的静态和动态钟差，更好的解决了外界GPS无法有效授时和钟差非线性变化的特殊情况下OBS之间的钟差校正问题。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是利用合成子波模拟背景噪声计算两台站间相对钟差原理图；图3是中国大洋调查34和40航次两次OBS实施例中，计算钟差所用OBS台站分布图；图4是地震记录通道选择测试示例，OBS05-OBS07台站对之间的四个分量信号经过2～5s滤波后的每天的NCF。从左至右依次为水听器分量，垂直分量，南北和东西水平分量，黑点表示每天的NCF的最大峰值所对应的正负时间；图5是地震记录频带选择测试示例，OBS05-OBS07台站间水听器分量不同周期滤波后的地震记录做互相关得到的每天的NCF，从左至右依次为，1～2s，2～5s，5～10s，10～20s，黑点表示每天的NCF的最大值所对应的正负时间；图6是地震记录窗长选择测试示例，OBS05-OBS07台站间不同时窗的水听器分量经过2～5s滤波后的地震记录做互相关得到的NCF，从左至右依次为，1天，2天和5天，黑点表示噪声NCF的最大值所对应的正负时间；图7是利用中国大洋调查40航次数据，通过NCF的对称性分析方法计算其他三台OBSs相对于OBS05的动态钟差，虚线代表理论动态钟差；图8是每天的NCF经过动态偏差校正后叠加合成参考NCF示例，上图为108天的OBS01-OBS02台站间2～5s频带范围内的水听器分量数据在﹣100～100s时窗范围内的NCF，下图为108天NCF经动态钟差校正后叠加得到的参考NCF。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的可行性做进一步的详细说明，以下实施例是对本专利技术的解释而本专利技术并不局限于以下实施例的结果。实施示例1：NCF对称性分析方法计算台站间的静态和动态钟差的原理如图2所示，利用几个间隔30s的子波组成的地震记录来模拟OBS记录到的连续的背景噪声记录，OBS01比OBS02晚5s开始记录，并且每100s地震记录中加入1s的动态钟差(图4黑色虚线)。我们选取不同时间段内的30s固定时窗(黑色方框)对两个地震记录做互相关得到NCF。NCF的最大峰值偏离零值点的时间差即为这对地震台站间的钟差，静态钟差dtstat和动态钟差dtdyn分别为黑色实线和虚线的峰值偏离零点的时间差，从图中我们可以看到静态误差是不变的，而动态误差随着时间的增加而增大。利用上述原理，利用中国大洋调查40航次的OBS数据，通过对NCF对称性分析方法(图1)得到的钟差与理论钟差的比较来验证该方法的可行性，并且测试了不同分量，不同时间窗，不同周期范围以及不同归一化方法的地震记录对台站间NCF的影响，最后挑选出合适的参数以便更好的获得台站间的钟差。(1)振幅归一化方法的选择；选择中国大洋调查40航次共37天的地震记录，经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于背景噪声互相关技术的OBS时钟校正方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用海底地震仪OBS记录N天的原始地震数据；(2)根据原始地震数据计算任意两个台站间的每天的噪声互相关函数NCF，第i天的NCF记为si(t)，si(t)包括从一侧照射的因果部分

【技术特征摘要】
1.一种基于背景噪声互相关技术的OBS时钟校正方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用海底地震仪OBS记录N天的原始地震数据；(2)根据原始地震数据计算任意两个台站间的每天的噪声互相关函数NCF，第i天的NCF记为si(t)，si(t)包括从一侧照射的因果部分和从相反的一侧照射的非因果部分如式(1)；(3)第二天到第N天的NCF分别与第一天的NCF做互相关得到动态钟差差，N天的NCF经过动态种差校正后叠加在一起形成参考NCF，记为r(t)，r(t)同样可分为因果部分r+(t)和非因果部分r-(t)；(4)由r(t)的因果部分r+(t)最大峰值对应的正到达时t+与非因果部分r-(t)最大峰值对应的负到达时t-得到静态钟差，如式(2)；dtstat＝|t+|-|t-|............................................(2)(5)r(t)的因果部分r+(t)与每天的NCF的因果部分做互相关得到互相关函数r(t)的非因果部分r-(t)与每天的NCF的非因果部分做互相关得到互相关函数表示互相关运算符，由互相关函数的峰值对应的时间差dt+和互相关函数的峰值对应的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳云龙，丘磊，陶春辉，姚华建，周建平，王奡，
申请(专利权)人：国家海洋局第二海洋研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33