ASR：深度學習精細刻畫阿波羅月震數據中的短周期信號及其對未來月震觀測的啟示

月球沒有大氣和海洋，其背景振動噪聲水平遠低于地球和火星，為觀測月震和其他高科學價值弱振動信號（如月球自由振蕩、引力波等）提供了理想條件。然而，受月表晝夜溫差大、地外儀器布設條件受限等因素影響，月震記錄中廣泛存在由溫度變化引發的干擾信號。這些干擾信號強烈且頻發，影響整個觀測頻帶，難以通過簡單濾波或其他方式有效去除，嚴重制約了連續月震記錄的時頻分析和弱信號識別。最新研究表明，深度學習技術能夠從復雜背景數據中提取有效信息，拓展對已有觀測資料的認識。例如，在阿波羅任務結束50多年后，月震數據中仍發現了新的長周期信號（）。在新的月震數據獲取之前，亟需發展適用于長期連續記錄、強干擾背景的復雜行星震數據分析方法，進一步挖掘已有觀測資料中尚未被充分認識的科學信息，并為我國未來月震觀測任務積累分析經驗與技術儲備。

針對這一問題，中國科學院地質與地球物理研究所劉欣博士生、肖卓偉博士后和導師李娟研究員，建立了深度學習干擾信號檢測與Lomb-Scargle周期譜分析相結合的行星震周期信號分析流程，并將其應用于1969-1977年阿波羅連續月震數據。在此前初步揭示出主周期約8秒的短周期信號（）的基礎上，研究團隊進一步將該流程用于SPS信號的系統檢測和特征分析。結果表明，SPS穩定出現在Apollo 12臺站，主要發生于月球白天，并集中于月球正午至下午時段（圖1）。在阿波羅任務早期，少量SPS也出現在日出、日落和夜間。其主周期在每個月球日內連續變化，通常呈現先縮短、后延長的特征。在年尺度上，SPS的持續時間和出現時間表現出重復的季節性變化：持續時間周期性縮短或延長，起始時間相應提前或推遲，同時整體呈現逐年延后的趨勢。

偏振分析表明，SPS具有穩定的空間指向性。其方位角穩定在約50°，對應近似東北-西南方向；入射角主要分布在55°至70°之間。為探究SPS來源，研究團隊進一步檢查了Apollo月震儀指令記錄、校準記錄和儀器布設信息。在排除人工指令/操作等可能因素后，綜合儀器布設、運行記錄和SPS出現時間，研究人員推測SPS可能與Apollo 12超熱離子探測器有關（圖2）：Apollo 12任務中，超熱離子探測器與月震儀之間具有較直接的空間連接關系；而在Apollo 14和Apollo 15任務中，超熱離子探測器與月震儀之間由中央站相隔，相關擾動向月震儀耦合的效率可能被削弱；Apollo 16則未攜帶該儀器。這一結果表明，在月球極其安靜的地震觀測環境中，不同科學儀器之間的微弱相互干擾也可能被月震儀清晰記錄，并影響數據解釋。

圖1 短周期信號（SPS）的時間分布特。圖中展示了Apollo 12臺站記錄到的SPS波形（a）、去異常后Lomb-Scargle周期譜（b）、SPS時間分布圖（c），以及其中12個月的時頻譜圖（d）。結果顯示，SPS在一個月球日內的主周期通常表現為先減小后增大；從長期變化看，SPS的出現時間具有重復的年度變化模式，并存在逐年向后漂移的趨勢。紅色、藍色、綠色和黃色箭頭分別表示日出、日落、正午至下午以及夜間出現的SPS

圖2 SPS偏振特征（a）、臺站間對比（b）及Apollo儀器布設草圖（c）。圖a展示了不同類型SPS的Lomb-Scargle周期譜、方位角和入射角變化；圖b比較了Apollo 12、14、15和16四個臺站的時頻譜與儀器溫度記錄，顯示SPS僅在Apollo 12臺站明顯出現；圖c給出了Apollo 12、14和15的儀器布設草圖

該研究建立了一套基于深度學習的行星震時頻分析方法，精細刻畫了Apollo 12臺站SPS信號的時間分布、周期演化和偏振特征。通過結合深度學習自動去異常與Lomb-Scargle周期譜分析，研究團隊在不規則缺失數據條件下恢復了穩定的短周期時頻特征。該方法未來可推廣至其他周期范圍，用于分析月震背景噪聲、識別潛在周期信號，并為火星及其他行星震數據分析提供參考。

研究成果發表于國際學術期刊Advances in Space Research（劉欣, 肖卓偉, 李娟*. Refined Characterization of Prevalent Short-Period (5–15 s) Signals in Glitch-Contaminated Apollo Seismic Data via A Deep Learning Workflow[J].Advances in Space Research, 2026. DOI:10.1016/j.asr.2026.05.084.）。研究受國家自然科學基金項目（42230111和42508008）資助。