STA/LTA算法在MEMS烈度计中的适用性分析钟媛胡星星滕云田陈波何朝博沈晓宇摘要：为解决用于高密度布设的低成本MEMS烈度计集成软、硬件资源有限，且难以嵌入较为复杂算法的这一问题，基于Matlab的仿真计算，通过讨论在不同特征函数、时窗长度和短窗位置下STA/LTA值的变化趋势、拾取效果和运算时间，以选取能提高算法灵敏性、改善地震事件拾取效果和提高算法计算效率的参数，并将改进的STA/LTA算法应用于实际地震数据处理。结果表明：不同的特征函数对事件拾取率、拾取时间偏差和算法运算时间影响不同;长短时窗长度相差越大，STA/LTA值的变化越明显;时窗越长，算法运算时间越长;短窗置后可以增大STA/LTA值的变化幅度、减少算法计算量，改善算法拾取时间。改进的STA/LTA算法拾取效果更好，计算效率更高，占用内存资源更小，更适用于集成资源有限的MEMS烈度计。关键词：MEMS烈度计;STA/LTA;拾取;运算时间：P315.61文献标识码：A：1000-0666（2021）02-0208-080引言地震烈度速报需要布设大量的地震仪器组建高密度监测网络，并要求仪器在断电后能依靠后备电池独立供电继续工作。相比于传统力平衡地震加速度计，MEMS加速度传感器具有体积小、质量轻、成本低、功耗低等特点（张海涛，阎贵平，2003;胡星星等，2013;王浩，丁炜，2013;李昌珑，2013），可大规模布设，适用于需要密集监测的地震预警和烈度速报网络。王建军等（2009）、蔡莉等（2014），胡星星等（2015）都基于ARM9与Linux系统，采用MEMS加速度传感器研制了数字烈度计，仪器终端结合嵌入式系统和高性能单片机，集成网络传输功能，内嵌地震数据处理算法，實现了地震事件自动识别、地震动参数自动计算和通讯传输一体化，验证了地震数据处理算法嵌入设备的可行性。Peng等（2017，2019）基于Linux操作系统研制了一种可用于高动态范围的MEMS三轴加速度计，内置STA/LTA算法自动检测事件，用于地震预警。MEMS烈度计以MEMS加速度传感器作为传感单元采集数据，利用嵌入式处理器和Linux操作系统组建控制处理系统，内嵌地震数据处理算法实时处理地震数据。为了降低仪器功耗和网络运行成本，MEMS烈度计应内嵌地震事件识别算法，以保证在识别到地震事件时才进行地震动参数计算和数据传输。常见的地震事件识别算法方法有能量分析法（Allen，1978;Massanetal，2006）、自回归方法（Akaike，1973;Takanami，Kitagawa，1993;Sleeman，Eck，1999;赵大鹏等，2012）、小波变换法（刘希强等，1998;王喜珍，2004;滕云田等，2006;Xuetal，2019）、偏振分析法（Bai，2000;林建民等，2012）等。其中，长短时窗比方法（STA/LTA）、自回归信息准则法（AR-AIC）被广泛应用于微地震信号自动拾取（吴治涛，李仕雄，2010;刘劲松等，2013;段建华等，2015;Chenetal，2020）。为了综合利用信号与噪声的多个差异特征，马强等（2013）、蒋策等（2018）结合STA/LTA算法和AIC（池赤准则）算法相继提出了多步骤自动拾取方法，改善了算法拾取精度，可以实时处理地震台网传输的地震记录。STA/LTA算法作为一种简单的能量分析法，计算量少、参数简单、计算效率高、适应性强，无需占用太多资源（刘劲松等，2013;刘晗，张建中，2014），适用于集成资源有限的MEMS烈度计。为了研究STA/LTA算法在MEMS烈度计中的适用性，本文基于MEMS烈度计采集的地震加速度数据对STA/LTA算法进行应用分析，主要从特征函数、时窗长度和短窗位置3个方面，对比了不同参数下STA/LTA值的变化趋势以及STA/LTA算法的拾取效果和运算时间。1STA/LTA算法的基本原理STA/LTA属于能量分析法，是由Stevenson（1976）提出并应用于地震波初至到时的判别，其基本原理为：用STA（ShortTimeAverage）和LTA（LongTimeAverage）的比值来反应地震序列幅值的变化。LTA反映了采集到的信号的背景噪声的变化趋势，STA反映了地震信号振幅（能量）的变化趋势（牟培杰等，2012）。当地震波初至时，STA早于LTA增大，以至于其比值有一个明显的增加。当某时刻的比值大于预先设定的阈值时，认为该时刻为地震事件的初至时间。传统STA/LTA算法的计算方法如下（Jubran，David，2012;李昌珑，2013;Kwonetal，2018）：STA（i）=1Nsta∑Ns...