基于相空间熵分析的地震P波到达自动检测方法

《Scientific Reports》：Automatic P-wave detection using Zhanabaev entropy in seismic waveforms

　　

摘要

P波到达时间的精确检测是地震定位、地震监测和地震早期预警系统的基础。尽管近年来深度学习在地震震相拾取方面表现出优异的性能，但其对大规模标注数据集的依赖、较高的计算需求以及有限的可解释性仍然是显著的实际限制。本研究提出了一种基于相空间中地震信号熵分析的P波到达自动检测方法，该方法简单但有效。所提出的方法将地震波形表示在由信号幅值及其时间导数构建的二维相空间中，从而能够表征与P波到达起始相关的结构跃变。在滑动时间窗口内，从联合概率分布和条件概率分布计算归一化信息熵比率，并利用熵值的突变跃变来识别到达时间。该方法采用来自EarthScope/IRIS数据服务的全球编译和过滤后的地震事件数据集进行评估，涵盖多种地震区域和记录条件。对窗口大小、离散化分辨率和熵阈值进行了参数敏感性分析。在最优参数设置（ΔIER = 0.5，N = 5000，M = 70）下，所提出的方法达到了94.4%的P波检测最高召回率。结果表明，在所研究的实验条件下，相空间熵分析是一种极具前景且计算高效的P波自动检测方法。