0 引言

气枪震源是1960年代发明的, 经过近半个世纪的发展, 已经成为一种具有绿色环保、精度高、重复性好、经济适用等诸多优点的震源.因此, 气枪震源逐渐成为一种重要的人工震源(罗桂纯等, 2006)，越来越多地将其运用到深部地球物理探测中(唐杰, 2008；王伟涛，2009；丘学林等，2011；杨微，2013).众所周知，气枪震源激发信号具有丰富的低频成分，信号衰减较慢，可以传播很远距离，但是单次激发的能量有限，即使能传播到远距离台站，也往往被外界干扰或噪声所覆盖，从而无法识别出地震波震相，限制了气枪的观测距离.为了提高气枪震源实验的观测距离，就必须提高观测记录的信噪比，最基本的有两种途径：第一，通过寻找气枪信号的最优频带，进行滤波处理.第二，利用气枪震源实验定点激发的重复性特征，对定点多次激发气枪信号进行叠加处理.采用这两种途径提高气枪震源实验的观测距离，对于探测大尺度区域地下构造具有重要意义.

国际上，洛杉矶区域地震实验(LARSE)采用20支8400 in³枪阵在美国南加州进行激发实验，接受信号最远距离为195 km(Brocher et al., 1995；Fisher et al., 2003).新西兰南岛地震探测计划(SIGHT)采用20支8400 in³枪阵在新西兰南岛进行激发实验，接收信号最远距离为265 km(Okaya et al., 2002).在国内，2006年河北上关湖水库采用4支6000 in³枪阵进行大容量气枪激发实验，200次定点激发信号的叠加结果，在距离震中185.8 km的台站可以观测到很清晰的震相(陈颙等，2007；林建民等，2008).2011年4月陈颙等人在云南省大理州宾川县的大银甸水库建立了世界上第一个气枪地震信号发射台站.通过采用3~8 Hz滤波单次激发最远可传播至151 km，多次叠加可传播至两三百公里，可以成功检测到Pg、Pc、P2、PmP等多组震相.以上这些气枪信号的探测距离都达到了200 km以上, 这些都是利用气枪震源进行深部地球物理探测的成功实例(蔡辉腾等, 2014, 2016；陈蒙，2014).但以上这些气枪震源实验过程中还无法做到对气枪数据实时处理、实时显示，不能及时监控气枪信号激发情况.因此有必要开发一套气枪震源实验信号实时处理系统软件，推动该项技术的进一步发展.本文通过接入实时数据流，读取现场枪控文件，采用Java编程，多线程完成实时叠加和实时滤波运算功能，完成数据存储功能及主界面显示，研究开发出气枪信号实时处理系统软件.

1 实验概况

2015年福建及台湾海峡地壳深部构造陆海联测实验气枪震源由4支单枪容量为2000 in³的Bolt气枪组合而成，总容量为8000 in³，工作压力为2000 Psi.实验激发作业包括：棉花滩水库(24.76°N，116.53°E)、石黄峰水库(24.96°N，116.05°E)、海域固定点SP74(23.81°N，117.80°E)、SP75(23.60°N，118.07°E)、SP76(23.70°N，117.93°E)等定点激发和海域HX7、HX13测线激发.实验概况分布图见图 1.实验地震观测网主要有测震固定台网、流动台网、OBS观测所组成.测震固定台网由福建省88台、台湾16台、浙江24台、江西24台、广东43台、湖南16台共211台组成最远覆盖范围达到700 km以上的固定观测台网.流动台网由布设在流动测线上的40套实时传输宽频带测震仪、5套实时传输强震仪、2套布设在浮台上的强震仪、1套布设在岸边、1套布设在附近民居和1套布设在水库大坝的强震仪共50套组成230 km长的流动测线.现场指挥部设置在厦门地震勘测中心，本文研发的气枪信号实时处理系统在现场指挥部实时在线运行，为现场指挥人员分析气枪激发效果，及时调整工况方案提供了快速、直观的依据.

2 基本算法 2.1 频谱白化叠加技术

由于气枪震源在同一地点进行多次重复激发时产生的信号波形高度可重复(林建民，2008).因此，可以通过对气枪震源多次激发波形进行叠加来提高记录的信噪比.本实验采用的频谱白化叠加技术，利用傅里叶变换，保持相位不变，对幅值谱进行白化，然后再反变换回去，之后叠加、滤波.有效的消除噪声干扰影响，大大提高远距离台站的叠加信噪比.

利用频谱白化技术进行叠加计算，主要包括6个数据处理步骤，具体如下：

(1) 记录段截取.根据激发时刻，截取激发时刻前30 s至激发后120 s，共150 s长度作为单位记录.设第j次气枪信号段记为U_j(t)，时长为T₀，取t∈(0, T₀)内的最大值为U_mj，即：

(1)

(2) 归一化处理.为了避免异常波段、地震或较大干扰的记录段对叠加总结果的影响，先对每条气枪记录对归一化处理，这样即使有异常波段参与叠加，它所占的权重也相当小，在一定程度上提高了叠加效果.设归一化时间函数为f_j(t), 即：

(2)

(3) 频谱白化处理.为了对记录的频谱成分做处理，所以本文对归一化后的气枪记录段f_j(t)做Fourier变换，得到傅里叶谱F(ω)即为

(3)

接着对变换后得到的幅值谱作白化处理，即幅值谱|F(ω)|都为1，而相位谱φ(ω)保持不变，使得信号和噪声的影响值都在同一水准上，这样可以有效的压制远台噪声干扰影响.即：

(4)

(4) 傅里叶逆变换.由上一步处理得到的幅值谱和相位谱组成新的Fourier谱，设为S_j(ω).对S_j(ω)作Fourier反变换，得到新的时程记录s_j(t)为

(5)

(5) 叠加处理.对同一台站的N条记录进行叠加，则得到的叠加结果为

(6)

(6) 滤波处理.根据主频分析得到激发点自适应的滤波频带，然后对上述得到的叠加结果进行滤波处理，得到最终的结果.理论上先叠加后滤波、先滤波后叠加所得到的结果是一样的，但是本方法选择了先叠加后滤波是因为叠加后的结果可以选择任意频带进行滤波，而滤波后再叠加就只能有一种结果.从一定意义上将，这样的做法可以大大减少工作量，提高后续分析效率.

2.2 实时递归算法

为了实现实时滤波，需要对数据流共享平台实时发出的每个数据包进行实时处理，若是快流，一般1 s发送一个数据包；若是慢流，一般是4~6 s发送一个数据包.不管是哪种方式，都要对到来的每个数据包进行滤波，拼接，实现实时滤波功能.因此，系统采用实时递归算法滤波技术，该技术与其他滤波方法的优点在于，即可对每个数据包进行实时滤波，也解决了相位偏移问题(金星等，2004；康兰池等，2012).

由金星，康兰池等人研究结果，可得到时间域递归方程为

(7)

(8)

式(7) 为第一次滤波递归方程，也称为正向滤波；式(8) 为第二次滤波递归方程，也称为反向滤波.通过正反两次滤波即可解决递归方法相位问题，完成实时滤波.

3 系统设计与研发 3.1 系统设计

气枪信号实时处理系统是通过网络从实时数据流共享平台获取实时数据，采用频谱白化叠加技术和实时滤波算法，实时显示单枪滤波波形和气枪叠加波形，为现场分析人员提供可视化平台.系统研发过程中主要依据系统技术路线见图 2，通过完成通用架构研究和软件技术研究的基础上，再进行系统设计与实现.在通用架构上，应用已有先进成熟的计算机技术，参考借鉴新一代然间系统的设计思想和理念，深入研究气枪信号实时处理工作的需求，对系统的功能流程、数据流程进行分析，并提炼出各个模块间的数据交换接口，建立起相关的数据分类和格式.在软件技术上，深入研究图像处理、网络传输、并行计算及工作流等技术，为气枪信号实时处理系统的开发奠定坚实的技术基础.在此基础上，完成系统需求分析、系统设计、系统集成、系统测试等研发环节，在整个过程中，进行全面的软件质量跟踪管理.

系统设计主要对系统框架流程进行设计，采用数据层和应用层分离的开发模式，大大提高了开发效率.流程设计中使用观察者模式和多线程等技术.观察者模式定义了一种一对多的依赖关系, 让多个观察者(Observer)对象同时监听某一个主题(Subject)对象.当主题对象状态发生变化时, 通知所有的观察者对象, 使得观察者能够自动更新自己.通常采用它来减少互相通信的组件之间的耦合, 从而实现异步调用.多线程是能够在同一时间执行多个任务，进而提升整体处理性能.

系统框架流程设计见图 3，它是对于每个到来的数据包，采用MiniReceive类将数据搬运到数据接收器中，然后再采用MiniSeedQueue消息队列将数据转到数据派发器中，通过MiniSeedDispatcher类产生多个线程将数据派发到通道处理器.将上面整个过程封装成数据层，后续应用和软件开发就可以直接从通道处理器调取数据进行运算，而无需了解数据如何获取的过程.从数据层提供的接口处，启动多线程操作，一方面将数据包通知发送到实时滤波运算模块，另一方面将数据收集到数据缓存区中，缓存区的长度为10 min，数据不断的更新、轮换.接着再开启多个线程，每运行一次，线程休眠2 min，一个线程进行台站数据质量检测，另一个线程通过不断监控枪控系统，读取枪控文件的激发信息来判断气枪是否触发，如果触发则进行实时叠加运算模块，如果未触发，就继续监控枪控系统.台站数据质量检测模块应用观察者模式将检测结果发送给实时叠加运算做参考，明确哪些台站异常、断记等不可用台站.最后实时滤波运算模块和实时叠加运算模块的结果通过notifyObservers将消息传送到主界面显示模块上进行显示.图中黄色箭头表示使用观察者模式对信息进行传递.

3.2 系统功能模块实现

系统功能模块主要包括实时波形数据接收模块、气枪信号自动叠加模块、气枪信号实时滤波模块、台网分布显示模块、气枪数据自动存储模块、气枪叠加信息实时显示模块、数据格式转化模块、台站状态实时监控模块、日志记录模块等9个功能模块.

3.2.1 实时波形数据接收模块

此次实验汇集了福建省85台、台湾16台、浙江省24台、江西省24台、广东省43台、湖南省16台、流动台50台共258台数据流.数据流汇集主要来自福建省固定台流服务、国家台站流服务、台湾数据流服务、实验现场流动观测流服务等4方面来源.然后通过MPLS、SDH、卫星、蜂窝数据、科研专网等方式将观测台网数据流实时汇集到数据流共享平台.之后再传输到现场指挥部供气枪信息实时处理系统数据流接入见图 4.

本系统用Java线程实现仪器适配器、数据缓冲区和数据处理器.创建仪器适配器线程池，为每一个测震台站分配一个独立的适配器线程.缓冲区使用JDK提供的阻塞队列(BlockingQueue)，阻塞队列是一种线程安全的数据结构.消息中间件使用ActiveMQ，消息格式使用BytesMessage.传输层采用TCP协议，使用控制端口和数据端口进行通信，其中控制端口用于建立连接时实现用户验证和服务申请，采用字符串方式通信，数据端口用于数据服务和系统配制，采用二进制方式通信(陈智勇等，2009).使用流套接字与数采建立控制连接，通过认证后建立数据连接，成功后开始发送数据I/O过程，使用数据包套接字接收数据，数据传输完毕，解析应答帧提取状态数据包，将数据包写入缓冲区，接着系统数据实时处理从该处进行调取.该模块支持从多个流服务器同时接收台站的实时波形数据，支持对流服务器的断线自动重连的功能，支持从数据归档数据库中提取波形数据，能够灵活配置需要接收实时波形数据的台站通道集合，能够灵活配置接收实时波形数据的台站通道基础信息.

3.2.2 气枪信号自动叠加模块

当气枪震源每激发一次，系统根据枪控文件获取发震时刻，截取各台站对应的数据段.采用频谱白化处理技术进行叠加计算，再将叠加结果按震中距由小到大排列顺序显示在系统界面上.系统支持叠加结果共炮点图显示，可选择坐标轴范围，滤波频带，抽选信噪比高的通道排序.图 5下半部分(区域3) 为系统自动叠加共炮点图显示界面，界面横轴显示台站的震中距，纵轴显示波形对应的时间.界面顶部还提供一些功能性按钮，可选择通道(Z、N、E、All)功能、可选择单屏显示多少台数功能、可选择不同震中距范围和选择不同时间段的叠加结果显示功能、可选择折合或非折合显示方式.当鼠标指到波形所在的位置，还可以悬浮显示台站信息，包含台站名、震中距、台站代码等信息功能.

3.2.3 气枪信号实时滤波模块

系统采用实时递归算法进行滤波，该技术与其他滤波方法具有以下的优点，即可实现实时滤波，又不会产生相位偏移.对于实时到来的每个数据包进行实时滤波处理，按一定规则进行拼接成连续的波形，然后按震中距由近到远排序，将滤波后的波形显示在界面上.图 5右上部分(区域2) 为单次激发信号实时滤波显示界面，界面提供可选择通道(Z、N、E、All)功能、可选择每个通道显示波形的时长功能、可对通道波形自由放大、缩小功能、可通过鼠标滚轮对单台通道实现波形放大、缩小功能、可点击指定按钮剔除异常和短记台站功能、可显示波形当前的实时时间功能.

3.2.4 台网分布信息显示模块

台网分布图显示模块包括的内容：能够显示台网分布图，可通过鼠标滚轮实现自由放大、缩小、移动功能，当鼠标放在台站点上可以悬浮显示台站信息功能，如台站经纬度、台站震中距等.可以在地图中显示气枪震源激发位置见图 5左上部分(区域1).能够将台站运行状态用不同颜色在地图中显示出来，如绿色表示正常台站，红色表示断记台站，粉红色表示异常台站，橙黄色表示闪断台站.

3.2.5 自动存储气枪数据模块

根据台站震中距，按折合速度6 km/s进行折合，从枪控文件获取发震时刻，截取发震时刻前30 s至发震时刻后120 s的数据段作为该台站该时刻的气枪记录.以发震时刻作为该条记录的文件名，将此条记录自动存储到系统数据管理中，可供后续进一步研究分析.同时系统支持存储当前叠加结果数据，支持存储每10次、20次、…100次叠加结果数据，支持存储气枪激发时刻信息，支持存储台站列表信息.

3.2.6 叠加信息实时显示模块

根据枪控文件获取气枪激发地点、激发次数等信息，并以滚动字幕形式实时显示在系统界面上, 可供现场人员了解气枪激发情况和系统叠加效果.

3.2.7 数据格式转化模块

系统自动叠加产出的叠加结果是以txt格式存储的，为了便于现场人工分析处理(msdp软件分析)，需将叠加结果转化成EVT数据格式，因此系统还具有将txt转EVT数据格式功能.

3.2.8 台站状态实时监控模块

应用概率密度函数方法确定出每个台站对应的高低噪声基准线，然后以该基准线为参考标准，系统每2分钟对所有台站检测一次，若检测段台站的功率谱密度线超越基准线则判定为异常(林彬华等，2015)；反之，则判定为正常，这些检测结果可供自动叠加判断台站质量好坏使用，保证气枪处理所用到的数据质量好.同时也将一天的台网检测结果存储在数据库，便于查看台网历史运行状态.能够实时计算噪声PSD及绘图能够将每次检测结果存储下来，绘成台站状态累计图，可以查阅台站历史检测结果，全面评估台站状态.完成统计断记异常台站故障时间，还可快速查看异常台站的原始波形及PSD图.

3.2.9 日志记录模块

系统将每次线程运行情况、所需的时间、台站检测结果、气枪激发情况、系统出错信息等都记录在日志文件.并将这些日志文件存储下来，作为系统运行历史资料，可供系统维护查阅.

3.3 系统集成

通过系统的需求分析、系统设计、系统各功能模块实现最终研发出气枪信号实时处理系统，系统的主界面见图 5，主要分为3部分：台网分布区域、实时滤波区域、叠加结果显示区域.各区域之间的界线可以自由移动来改变区域大小，也可以将其中某块信息全屏化显示.区域1显示台网中各台站的分布图，并用绿色圆圈表示接入的观测台站，用红色圆圈表示断记的台站，用粉红色圆圈表示断记的台站，用橙色圆圈表示闪断台站，用红色五角星表示水库激发位置.区域2显示各台站按震中距排序后单次激发实时滤波波形，并提供查看不同通道信息，提供对波形的放大、缩小、基线校正等功能.区域3显示震中距由近到远的台站实时叠加结果共炮点图.

4 系统运行结果及分析 4.1 单台处理结果

系统自动叠加运算是采用频谱白化叠加技术，应用该叠加技术可以很好提高信号信噪比.图 6a为距离震中22 km上杭蓝溪台站单次激发波形的信噪比为2.16，而进行100次叠加后波形的信噪比为14.01，可以看出多次叠加后的信噪比得到明显提高.

系统实时滤波运算是采用实时递归算法，图 6b为震中距80 km的GD.NAP台站所记录到气枪激发信号的原始波形图和采用实时滤波后的波形对比图，可以看出经过实时滤波后的波形信号清晰的显示出来，信噪比得到很大的提高.

4.2 系统自动叠加结果

气枪信号实时处理系统在棉花滩水库、石黄峰水库、海上定点激发中实现了在线运行，现将系统对定点多枪的自动叠加结果以共炮点图显示出来见图 7.图 7a为系统采用1~6 Hz滤波，对棉花滩水库定点激发300次的垂直向记录的自动叠加共炮点图，从图中可看出气枪信号较为清晰，S强于P，S最远可追踪到300 km.图 7b为系统采用1~6 Hz滤波，对石黄峰水库定点激发300次的垂直向记录的自动叠加共炮点图，图中显示信号观测质量较为一般，只有部分台站可观测到清晰信号.图 7c为系统采用3~8 Hz滤波，对海上SP74定点激发300次的垂直向记录的自动叠加共炮点图，图中显示P、S信号很清晰，可连续追踪到350 km以上.

4.3 信号处理与分析

通过对定点重复激发近台做一致性分析来验证叠加的精度.图 8a为棉花滩水库定点激发时100 m处台站记录到300条波形进行比较，得出气枪重复激发一致性好.选取0~1 s处的信号做互相关分析，以第一台记录作为基准，所有枪数都与其做互相关，得到信号段相关系数见图 8b，平均相关系数为0.9935，说明棉花滩水库定点重复激发所获得波形一致性非常好，叠加精度高.

通过对叠加后波形计算信噪比来进一步分析三个定点激发情况.首先确定计算信噪比方法, 即信号窗内振幅最大值与噪声窗内均方差的比值(房立华等，2009).然后分别对棉花滩、石黄峰、海上激发300次叠加结果计算每个台站信噪比，并按震中距排列见图 9所示.图中可以看出，信噪比大体上随震中距的增大而衰减，其中三个定点激发都存在明显的上下波动点，这主要跟台站背景噪声有关，背景噪声越低，台站记录的气枪信号信噪比越大.另外，选取信噪比大于5的作为可识别台站，将信噪比小于5的判定为未识别台站.可以得出棉花滩水库300次叠加共72个台站接收到信号，观测到最远台站为315 km.石黄峰水库300次叠加共40个台站接收到信号，观测到最远台站为294 km.海域定点激发300次叠加共128个台站接收到信号，观测到最远台站为372 km.从图中可以看出海域激发最远观测距离大于水库激发，并且海域激发所获得波形信噪比也大于水库激发.这三个定点激发300次，叠加结果可观测到信号台站基本可以覆盖整个福建省，这为下一步福建及台湾海峡主动源探测研究打下了重要基础.

4.4 系统运行结果分析

2015年福建省陆海联测气枪实验中，气枪信号实时处理系统在棉花滩水库、石黄峰水库、海域固定点SP74等定点激发作业得到很好的应用.从系统实时运行结果得，棉花滩水库300次叠加可以清晰的追踪到315 km的S，P可以清晰追踪到220 km，S强于P；石黄峰水库300次叠加可以较好的追踪到294 km的S，P隐约可以追踪到170 km，P非常弱；海域SP74固定点300次叠加可以清晰的观测到372 km的P、S，且P、S发育都较强，其中在200 km后，可以很清晰的观测到P系列存在多组震相；同样激发300次，海域SP74固定点激发的最远观测距离为372 km，大于棉花滩水库激发的最远观测距离315 km，说明海域激发效果优于陆地激发，这主要因为气枪激发后，能量往外扩散，信号在水里受到的阻力小于陆地覆土的阻力，故海上激发的信号能量损失小，可传播距离更远.另外，同样水库激发，石黄峰300次叠加效果不如棉花滩300次叠加, 说明棉花滩水库激发效果比石黄峰水库激发效果好，经调查发现石黄峰水库底部存在较厚的淤泥层，因此本文推测气枪信号在通过淤泥层时与其发生了某种特殊反应，致使信号能量损失较大，信噪比降低，传播距离短.

在整个陆海联测期间，系统未出现卡屏、死机现象，数据接收、运算、截取、存储都正常.系统整体运行稳定、兼容性良好，功能及性能均达到了设计预期，证明了系统设计合理性与实用性.

5 结论 5.1

本文自主研发了气枪信号实时处理系统，实现了气枪震源实验过程数据实时处理、实时显示，能够很好为指挥中心提供可靠的依据.并且系统在棉花滩水库、石黄峰水库及海域固定点的激发实验中得到很好的应用，通过系统的应用得出以下结论：

(1) 本文自主研发气枪信号实时处理系统，并在2015福建及台湾海峡地壳深部构造探测中得到了应用.首次实现了气枪震源实验中，实验数据的实时化处理、实时显示，为现场指挥人员分析气枪激发效果，及时调整工况方案提供了快速、直观的依据.

(2) 气枪震源在同一地点进行多次重复激发时产生的信号波形高度可重复.本文采用频谱白化叠加技术，有效的消除噪声干扰影响，大大提高远距离台站的叠加信噪比.叠加过程采用先叠加再滤波，为后续叠加结果选择不同的滤波频带提供了便利，可以大大减少工作量，提高后续分析效率.

(3) 通过系统自动叠加结果分析得出海域气枪激发效果比陆地水库激发效果好，这主要因为气枪激发后，能量往外扩散，信号在水里受到的阻力小于陆地覆土的阻力，故海上激发的信号能量损失小，可传播距离更远.棉花滩水库激发效果比石黄峰水库好，这是因为石黄峰水库底部有较厚的淤泥层使得气枪激发后能量损失较大.因此，气枪震源激发地震波最远观测距离跟激发场地情况有密切相关.

(4) 系统软件开发采用Java程序语言进行编写，目前系统由86个Java类组成系统的源码.在设计过程中，通过引进观察者模式，实现了数据接收、数据传输和数据处理等流程，完成了系统基本架构，为系统新功能的添加提供了接口，大大提高了系统灵活性、健壮性.且在整个陆海联测期间，系统未出现卡屏、死机现象，系统整体运行稳定、兼容性良好，功能及性能均达到了设计预期，证明了系统设计合理性与实用性.

(5) 由于系统实现了实时处理，所以对台站实时传输要求很高，实验中必须保证数据传输的连续.另外，系统只缓存10分钟数据，所以必须及时获取到枪控信息来保证自动叠加，一旦中间网络传输出现故障或中断将导致系统漏触发.因此下一步将研究多种模式来获取激发时刻，增强系统鲁棒性.

5.2

气枪信号实时处理系统集资料处理、数据存储管理、可视化于一体，满足现场指挥部需求，推动了气枪震源实验数据处理技术的进一步发展.同时，该系统具有良好的适应性和扩展性，也可为以后类似软件开发提供参考模型.

致谢 感谢福建省地震局监测中心提供本文宝贵的数据资料和软件开发方面的帮助，感谢福建省地震局预报中心对数据处理方面提供建议，感谢本文评审专家提出的宝贵意见和编辑部的大力支持！