开题报告
海洋科学
偏振滤波器的设计及其在信号检测中的应用
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
上世纪90年代后随着采集技术和处理技术的发展，综合利用多分量信息逐渐成为可能，目前大多数采用的是P波震源激发，地面三分量（海底四分量）检波器接收多分量波场（Steve, R, 2001?1?）。这些高品质的三分量地震数据不仅为走时地震层析成像等运动学研究，同时也为地震波衰减、动态震源模拟等动力学研究提供了很好的条件。但是，由于地震记录中噪声的存在，使得地震信号的检测和解释受到影响与限制，地震学家试图利用三分量地震探测技术克服这一困难。
三分量地震记录中包含了关于地下结构的重要信息，但是由于缺乏提取和解释这些信息的合适工具而被忽略了。这些年来，已有不少地震学家利用偏振分析的研究来分析检测三分量地震信号（Montalbetti, J. F. et al， 1970?2?；Reading, A. M. et al，2001?3?；Samson, J. C. et al，1981a?4?；Kanasewich, E. R.，1981?5?；Roberts, R. G. et al，1991?6?；Rudd, B. O. et al，1992?7?；Wagner, G. S.et al，1996?8?；Samson, J. C.，1983?9?；Vidale, J. E.，1986?10?；刘建华等，2006?11?）。例如，利用相关技术，根据三分量地震记录质点运动的方向和偏振特性构建时域的偏振滤波器进行滤波处理以提高信噪比（Montalbetti, J. F. et al，1970?2?；Reading, A. M. et al，2001?3?）。这些探测方法基本上基于地震记录变化的空间分布（各向同性或各向异性），并且一定程度上假设噪音为白噪或各向同性，根据观测到的质点运动特性，加强或衰减三分量地震记录进行偏振滤波（Samson, J. C. et al，1981a??；Kanasewich, E. R.，1981??；Shimshoni, M. et al，1964??；Flinn, E. A.，
45121965??）。
13在偏振技术应用过程中，普遍存在一个关键参数的最优化问题，即时间窗T长度的选择。为此，Vidale采用多分量信号的Hilbert变换直接构建协方差矩阵计算质点椭圆特
征（Vidale, J. E.，1986?10?）；Morozov和Smithson则提出了一种同时计算所有偏振参数的方法，但是其局限于3D空间，不能确定偏振方向的权重（Morozov, I. B. et al，1996?14?）。最近，Diallo等人则提出了一种时窗长度T自适应选择的协方差矩阵解析近似法，克服了时窗长度在应用中的影响（Diallo, M. S. et al，2006）?15?。
另外，偏振滤波技术的应用效果会受到多次波等不同震相同时到达的干扰。即如果有多种震相或多个方向的波同时到达，该偏振滤波方法的稳定性将受到影响。为解决这个问题，Reading, Mao, 和Gubbins（Reading, A. M. et al，2001?3?）在Samson和Olson的方法（Samson, J. C. et al，1981b?16?；Samson, J. C. et al，1980?17?）础上，应用傅立叶变换在频率域上设计了偏振滤波器。此外，Park（Park, J.，1987?18?）和Bataille等人（Bataille, K et al，1991?19?）进行了频率域上偏振分析的技术研究，使得从不同方向同时到达的震相的分离成为可能。最近，Soma等人（Soma, N. et al，2002?20?）用连续小波变换将偏振分析扩展到时间频率域，提高了偏振分析的分辨率。Diallo等人（Diallo, M. S. et al，2005?21?）利用连续小波变换将Morozov 和Smithson的多分量地震数据偏振分析方法（Morozov, I. B. et al，1996?14?）广到了时间频率域，有效地改进了现有偏振分析技术在偏振滤波、震相分离、面波分析等应用上的效果。
本论文拟利用单拾振器三分量地震信号处理技术，精确计算描述地震波场的偏振参数，以此构建偏振滤波器，利用质点运动的偏振信息提高三分量地震记录的信噪比。其特点在于简单有效，定量计算可描述为在滑动时间窗内根据协方差矩阵计算出偏振特性，将各偏振参数表示为时间的函数，根据偏振程度将三分量数据进行空间上的加权处理。这对于从复杂地面振动记录数据中去除背景噪声、提高信噪比的同时保持信号的真实波形具有重要意义。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
1. 适合单台三分量记录的偏振滤波器的设计；
基于Flinn（1965）最先提出的时域算法，通过对协方差矩阵的本征分析，在滑动时间窗内计算偏振特性，由偏振椭圆导出表征质点运动的各种属性，并利用质点运动的特征构建偏振滤波器。
2. 滤波器各参数的优化；
基于协方差矩阵法的偏振分析及滤波，其应用过程中存在一个重要限制，即时间窗T长度的选择，如何选择T值是本论文的一个重要研究问题。
3. 滤波器的效果检验；
本论文计划通过数值模拟数据和野外试验数据对设计的滤波器应用效果进行测试与检验。
三、研究步骤、方法及措施：
1. 调研偏振滤波器的前人研究成果，追踪国内外研究动态；
2. 分析偏振滤波器的工作原理，编写程序，完成针对单台三分量记录的滤波器设计； 3. 将设计完成的滤波器应用于数值模拟数据及野外试验数据，检验其效果； 4. 总结、撰写论文； 参考文献
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偏振滤波器的设计及其在信号检测中的应用【开题报告】
