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地球物理,地震观测技术及数据处理技术

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地球物理 地震 观测 技术 数据处理
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地震观测技术及数据处理技术中国地震局工程力学研究所 马亮目录强震观测与地震观测的区别强震数据来源数据的应用领域地震观测仪器强震数据处理强震观测与地震观测的区别观测目的区别地震观测:服务于 地球物理学 的研究目的,旨在了解地球内部的构造和地震活劢性,为此提供各种地震参数。例如:地震定位、地震活劢性、地震波传播、 地震趋势强震观测:为 工程抗震 研究和 抗震设计 提供资料,旨在测定地面和建筑物在地震作用下的运劢过程。例如:地震影响场,地面、结构等地震劢特征国家数字测震台站区域数字测震台站台址选择的区别:地震观测:基岩、深井,背景噪声尽量小背景噪声水平低(地动速度小于 1× 10s)强震观测:不同地质条件如基岩场地、土层场地、断层附近、地形、盆地等结构的不同部位(振型分布)浅层地表反应(井下)背景噪声通常要求小于 1cm/区、乡村均可 。观测对象的区别:地震观测:震源、地震波传播、地球结构灵敏度很高,能记录远震和微震强震观测:地震动,不同类别场地、不同工程结构灵敏度较低,希望得到强震震中区的记录数据应用的区别:地震观测:震源定位、破裂模式、矩张量计算、大尺度的地质结构特征、地球构造 、面波地下核爆炸与水库诱发地震监测强震观测:地震动衰减规律、地震动模拟、地震动频谱特征、非点源震源破裂模型、小尺度地质构造、永久位移真实地震环境下原型结构试验结构动力特性分析、结构抗震分析方法检验结构健康诊断,土层力学特性与地震反应方法研究;地震定位,烈度速报、震害评估、大震预警。维护管理的区别:地震观测:有人值守、连续观测、实时性高强震观测:无人值守(巡回 /电话拨号检查)多为触发记录、数据回收(人工或自动)一、中国强震动观测现状 中国大陆的强震动观测始于 1962年 自由场台站:近 2000个 结构台阵:超过 50个 一个国家台网中心, 3个局域台网中心(西北、西南、东南) 几乎所有省局都开展强震动观测 获得近 3万条地震记录十五期间 (2000国数字强震动观测台网 国家数字强震动台网: 1983台强震观测仪固定强震台站(基岩、土层) 1154 台流动强震动观测仪器 200 台地震动强度速报(烈度)台网 310台专业台阵(断层、场地、衰减、结构) 319台 对 北京 烈度速报台网进行了加密 ,同时新建了 天津 、 昆明 、兰州 和 乌鲁木齐 市地震烈度速报台网 (京津 80,其它 50) 数据传输方式多为电话拨号,部分为专线或无线传输固定强震台站分布( 1154台 )自由场地固定台单点观测地震烈度速报台网有五个 : 北京、天津、昆明、兰州、乌鲁木齐专业台阵( 12个) 1个近断层地震动观测台阵(云南小江断裂) 2个地震动衰减观测台阵 (东部和西部) 2个场地影响观测台阵 (东部和西部) 1个地形影响观测台阵(四川自贡) 1个桥梁反应观测台阵(广东汕头) 1个大坝反应观测台阵(四川二滩) 4个典型建筑结构反应观测台阵多层建筑、大跨结构、基础隔震建筑(北京市)超高层建筑(上海市)二、强震 动观测应用领域地震动特性研究地震动空间相关性研究地震动衰减关系建立标准设计反应谱确定场地地震影响研究场地液化研究抗震分析和试验的输入结构地震反应特征研究抗震分析方法检验结构地震破坏机理研究土 震观测仪器 强震仪 (称为加速度仪 ,不同于地 (测 )振仪 ,前者 安装在土层上 ,而后者 安装在基岩上 。它包括 拾振器 和 记录器 (数采 )两部分, 拾振器主要是加速度计 ,现在的三分量加速度计将记录 三个方向运动的加速度摆安装在一起,合并为一台加速度计 ,与此相对应的记录器可同时记录三个通道的数据,称为三通道记录器。根据记录方式的不同,分为模拟式和数字式两大类。 强震仪被要求具有较宽的频带,带宽至少为 0数为每秒记录 200个点),能记录的最大加速度值不低于 1g,还要有连续记录多次地震的能力。强震动观测台站都是无人值守的。仪器 使用者专业地震强弱运转 记录纸速放大倍数记录地震动量记录重点内容设置地点通频带地震仪 地震 弱 连续不停慢 高 位移 各波形到时与初动方向基岩 窄 、 低频强震 (加速度 )仪抗震 强 自动触发快 低 加速度 全过程 各场地 /结构宽 高 、低频强震仪 模拟式强震仪包括光纪录 ,机械记录 ,电流记录和模拟磁带记录式 ,已淘汰。下文均指数字式 ,数据处理也 仅针对数字强震仪记录的数据 。 数字强震仪。现国产商品有哈尔滨威波瑞科技有限公司的 震公司的 中国数字强震动台网的台站所属用的仪器 均为数字强震仪 。加速度计 (拾振器 /振动传感器 )多采用 哈尔滨威波瑞科技有限公司(简称 臵力平衡式 ,部分是美国 克奈迈科思 )公司的 内 臵 力 平 衡 式 加速度计。强震仪的组成件 国 司的 2 固态存储加速度仪历年服役于大陆强震台网 的固态存储式强震加速度记录仪固态存储式:美国 330;中国 大利亚 固态存储加速度仪美国 司的出到电脑内臵力平衡式加速度拾振器地震观测数字记录系统地震观测系统实质是将输入地面运动信号转换输出为另一种可以保存、分析、复制的记录。输出的记录可以是与地面运动输入量存在某种线性关系的电压、电流或光强度等物理量。模拟地震记录就是用记录笔画出这类物理量的地震图;而数字地震记录就是用一个 “模 A/D) ” 转换器将这类物理量(电流或电压)按等时间间隔采样,在一系列时间点上采样、测量、计数,并保留在存储器上。简言之, 数字记录过程就是将地面运动输入一个线性系统,在这个系统中经由放大、“模 换、滤波等步骤最后输出数字记录的过程。固态数字强震仪原始数字记录格式转换标准常规处理数据处理及录入过程是在 强震数据中心 完成的,流程图如上录入数据库标准格式的光盘、软盘、磁带输出数据打印输出码电脑 码加速度文件051007:18:58 2 l)51 9400 F: 47 20 …四、强震数据处理广义上说,数据处理分析包括:原始加速度记录的整理、转换和统一数据格式,录入元数据,零线调整,以及绘制未校正加速度图。微观上讲,传统的固态数字仪器记录数据常规处理内容为(谢礼立,于海英,等):① 数字仪的低频误差校正,( 双向高通数字滤波、零线调整 )② 仪器失真校正, (由于仪器性能的提高,现已不再做)③ 得到处理 后加速度记录 ,( 零线调整 )④ 积分后得到 速度记录 ,( 带通滤波 )⑤ 积分得到 位移时程 ,( 调整零线 并用 最小二乘法 )⑥ 此外, 用处理后的加速度记录进行傅里叶振幅谱及反应谱的计算。 马强已对快速(几乎是实时)强震观测数据处理方法做了研究。对强震数字记录的处理都是用软件完成的,源代码由字强震仪加速度记录的低频误差来源分析数字强震仪记录中的低频误差基本分为 仪器噪声 和场地 背景噪声 两类,两者是很难分离的。通过对噪声和地震波的傅里叶可知, 在地震波的主要频率范围内地震记录的傅里叶幅值水平大大高于噪声水平,但在高、低频两端,地震记录谱幅值逐渐下降,直至与噪声谱相当, 此时已无法从地震记录中获取可靠的信息。因此,可以通过傅里叶分析, 确立一个截止频率 高通数字滤波将低于该频率的低频信号滤去 ,以减少低频误差。低频误差来源场地背景噪声仪器电磁噪声其他不明噪声传感器材料和电路的微小磁滞效应引起的噪声采样率和分辨率不足引起的误差电子噪声波浪、风、人类活动引起的环境振动频率范围广,接近白噪声(随机噪声)数字强震仪加速度记录的低频误差校正从理论上来讲,在地震波未到达之前,加速度、速度以及位移的初始值都应为零,但由于 仪器电磁噪声 和场地 背景噪声 ,尤其是传感器初始零位的偏移存在,实际初始值并不为零。初始值将导致在位移时程中产生很大的零线漂移,很小的初始加速度在积分中逐步放大,从而在位移时程中产生很大的误差。 因此 为了减小由于初速度值不为零而产生的误差,由“速度 —位移” 积分之前,进行零线调整 。通过对典型记录采用不同处理方法的结果比较,确定了数字强震仪记录的低频误差校正方法 :① 减去 事前记录部分 平均值 的方法对原始减速度记录做零基线调整。如果没有事前记录可用,可减去记录全长的平均值,或者用最小二乘法调整基线。② 对调零后的加速度记录 做 截止频率通过事前噪声记录与地震记录的傅里叶分析获得。③ 对滤波后的加速度记录计算方加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱。积分计算速度和位移时程,对位移时程 使用最小二乘法调整零线以消除线性趋势 [地震动的谱分析入门 120~123页 ]。输入加速度记录是否有事前记录减去事前记录部分平均值调整零线 减去记录全长平均值或利 用最小二乘法调整零线止频率通过事前噪声与地震记录的傅氏谱分析确定止频率通过经验选定并从得到的位移零漂是否消除来判断合适的截止频率输出加速度记录积分后输出速度记录积分并用最小二乘法调零输出位移记录数字强震仪低频误差校正流程图0 50 100 150 200 250 300- 4 0 0- 2 0 00200400UD( 50 100 150 200 250 300- 1 0 0 0- 5 0 005001000EW( 50 100 150 200 250 300- 1 0 0 001000NS(D(W(S(•11地震的加速度三分量图像0 50 100 150 200 250 300- 4 0- 2 002040UD(cm/s)0 50 100 150 200 250 300- 1 5 0 0- 1 0 0 0- 5 0 00EW(cm/s)0 50 100 150 200 250 300- 6 0 0- 4 0 0- 2 0 00NS(cm/s)UD(cm/s)EW(cm/s)NS(cm/s)•11地震由 未滤波 )得到的 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220- 1 0 0- 8 0- 6 0- 4 0- 2 002040T ( s )UD(D(列号为 分 (未滤波 )得到的 位移记录真0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220- 1 . 5 . 500 . 511 . 5T ( s )UD(D(上图位移记录带通滤波修正得到的结果%########读取数据 ###########D=%e’,[1 ; 所有数据读成一行 dt=)); %采样间隔T=)); %持续时间t=dt:; %时间序列xm=}; %}; %}; %};}; %};}; %采样点个数[);%读取数据的行与列if = 除去尾部多余的零幅D=D(1:=); %调零D=t,D); %加速度记分成速度D=t,D); %速度积分成位移w=[ % w=[1,2]/(采样频率 /2)=[1,2]/(500/2)=[相当于采样周期的 2倍[bb,,w); 做 带通滤波 ,截止频率 =通带值 /(采样频率 /2)=W/100bb,56,500); %显示滤波器图像y=bb,); %系数: [b,a]=n,滤波器类型 ’) , 中 取值在 (0,1)内的归一化频率,它的最大值为采样频率的 1/2,默认为 2 w1,则 带范围[w1, 截止频率 =通带值 /采样频率的一半 ,即 (),假设滤波阶数为 8阶 ,采样频率为 带为 1计的带通滤波器就是 [a,b]=,[1/(),40/()])。‘ 滤波器类型 ’ 的取值有 别为高阶、低阶、带阻滤波器,当然默认值是带阻滤波器。a、 =a,b,D);对矩阵 于将加速度仿真成速度的函数 d=% 100加速度仿真成位移% %阻尼比 %采样间隔 %自振周期*pi/ %自振频率 %系数 4679*系数 kc;7476*kc;d1+d2*dt/t0+(dt/2)+(dt/3); %计算 δwd=w0*); %参数 ω*(kc*w0**wd*%参数 2*kc*w0* %参数 1((w0*2); %参数 % %!!1 s0*dt*1-2*%系数d= %得到位移
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