pca-主成分分析法

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1、EEW系统估算地震参数的PCA法野田俊太,研究员山本俊六,博士.工程师,实验室掌门人佐藤新二,高级研究员地震防灾研究室/实验室，防灾科技司/部门摘要:新干线EEW系统从单站数据快速估计地震参数。这个系统中估计震中位臵，是利用主成分分析法和B-Δ方法。本文提出了新的方法以提高估算震央的性能--通过引入可变的时间窗口，替代传统的固定时窗。结果发现，新的方法对提高‚back-azimuth（后方位角）‛估算的精度和速度分别达到了28％和0.25秒。与以往的方法相比，震中距的估计速度提高了约1.32秒，相对于传统方法。关键词：EEW，早期地震侦测，单台方法，P

2、波，主要成分分析，B-Δ方法1.介绍.EEW系统是一个减少地震灾害的非常有效的方法。一般情况下，EEW系统能够提供地震参数，例如，在第一个台站侦测到P波之后的几秒钟之内，它可以算出震级和震中位臵。中村丰开发的UrEDAS，是为了在地震期间，安全地终止新干线的运行---这在大约20年以前就投入了实际应用。RTRI为新干线开发了一个新的EEW系统，而且UrEDAS被2004-2005年的新系统所取代。当新系统中的台站侦测到地震时，震中位臵的确定通过组合以下两种方法（称为单站方法）：1.主成分分析（PCA）（图1）：通过对初始P波的微弱运动的第一主成分的‚后

3、-方位角‛的估算；2.B-Δ法（图2）：通过拟合函数Bt*exp（-At）的系数B来估算震中距Δ。在此过程中，第一次震中位臵的确定，此时震级的估算来自于‚已被确定‛的震中距和‚通过使用预定的地震动烈度的衰减关系‛得出的振幅。在单站方法中,改进精确度和速度,去估算震中位臵是必要的,为了使newEEW系统更加稳定、有效。图1.使用PCA法对“后-方位角”的估算.图2.使用B-Δ法对震中距的估算.这项研究首先提出了一个新的方法，通过引入一个可变的时间窗口来代替传统的固定时窗，去提高PCA的精度和速度。第二，另一个新方法被提议去提高B-Δ法的速度，通过使用系数

4、A和B的时间序列特征。2.改善后方位角的估算.本章陈述了一个新的方法，都提高了通过PCA法估算的后方位角的精度和速度。首先，通过使用CPA，估算后方位角的传统程序被描述；它的精确性被评估，通过分析“强震动台站”、K-net观测到的波形纪录，它由国家地球科学研究所和NIED运营。传统方法估算后方位角通过以下步骤：1.P波到时的估算通过使用STA/LTA（短时平均对长时平均）法。2.位移数据的计算来自于观测到的加速度记录，通过使用IIR（无限持久脉冲响应）滤波器。3.位移数据，使用IIR滤波器，被带通滤波于1-2赫兹。4.使用PCA（图1），从初始P波的微

5、弱运动的第一主成分确定后方位角。第一主成分等于方向(数据)和位移数据的采样点的最小方差。第四步中的时间窗口长度被设臵为1.1秒（开始时间是第一步中计算出的P波到达时间点）。此处的重要因素是时间窗口的长度被固定,对所有数据。后方位角与传统方法估算的精度后来被评估，1991波形记录被挑选是根据以下要求：在1995年至2010年，震级大于5.5，震中距小于300km；（还有）JMA地震烈度，大于3.5。图3显示了由常规方法获得的‚后方位角计算的误差‛频率。在这种情况下，误差就是‚估算的后方位角和‘JMA数据中已经发布的值’之间的差异的绝对值‛。结果，(后方位

6、角的)误差的RMS(均方根)，是67.9度。下一阶段是去评估误差的精度，以0.1秒为步长的固定时窗在0.1〜2.0秒之间变化。在这一评价中获得的误差的均方根（RMS）显示于图4中。当固定时间窗口的长度被设臵为0.6秒时，均方根被发现达到了最小值（57.3度）。结果表明，固定于0.6秒的时间窗口，与常规的时间窗口（1.1秒）相比，提高的精度大约为16％。误差的均方根（RMS）随着时间窗口长度而增加，（但是）除过极短的时间窗口(从0.1到0.3秒)(图4)的情况。这被认为是因为:较长的时间窗更容易接触到污染--通过追踪散射波，超过更短的时窗，主要由纯粹的直

7、达P波组成。图3.估算的后方位角,与使用固定1.1s时窗的传统方法之间的误差频率。图4.误差的均方根,假设“以0.1秒为间隔”的固定时窗长度在0.1~2.0秒之间变化。图5显示了以固定的0.6秒的时窗估算的后方位角误差频率，对照于图5(固定的0.6秒的时间窗口)和图3(固定1.1秒的时间窗口),显示的数据其误差在60度以内增加，然而对其他数据那却是减少的。图5.固定的0.6秒的时窗下估算的后方位角误差频率图6.传统固定时窗、拟议中的可变时窗之间的比较上述结果表明‚减少尾随的散射波影响‛的重要性,为了使‚由PCA估计的‛后方位角更准确。因此，一个可变的时

8、间窗口方法(图6)被采用，其中纯P波被提取出来，作为PCA的输入数据。可变的时窗在本例中是指‚