近场强震动加速度记录的校正处理方法.docx

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近场强震动加速度记录的校正处理方法

图书分类号：

P315

工学硕士学位论文

近场强震动加速度记录的校正处理方法

江汶乡

中国地震局工程力学研究所

中国·哈尔滨

二零一零年五月

Master'sDegreeThesis

Correctionmethodfordigitalstrongmotionaccelerationrecordsinnear-field

MasterCandidate:

JiangWenxiang

Tutor:

Prof.YuHaiying

Subject:

CivilEngineering

Specialty:

DisasterPreventionandReductionEngineeringandProtectiveEngineering

ResearchField:

ProcessingofStrongMotionRecords

InstituteofEngineeringMechanics，ChinaEarthquakeAdministration

Harbin·China

May,2010

图书分类号：

P315单位编码：

85406

学号：

2007235

工学硕士学位论文

近场强震动加速度记录的校正处理方法

硕士研究生：

江汶乡

导师：

于海英　研究员

申请学位级别：

工学硕士学位

学科：

土木工程

专业：

防灾减灾工程及防护工程

研究方向：

强震记录处理

中国地震局工程力学研究所

中国·哈尔滨

二零一零年五月

独创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得中国地震局工程力学研究所或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢意。

本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

签字日期：

学位论文版权使用授权书

本人完全了解中国地震局工程力学研究所有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国地震局工程力学研究所可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

论文作者签名：

　　　　　　　　　导师签名：

签字日期：

　　　　　　　　　　签字日期：

摘要

近一个世纪以来，破坏性大地震给人们的生产和生活带来了巨大的损失。

但与此同时人类也积累了大量宝贵的强震记录。

随着人们对地震研究的深入，近场强震动加速度记录也显得越来越重要。

这也对加速度强震记录的精准性提出了更高的要求。

由于近断层场地的震动最为激烈，往往会造成仪器墩不同程度的倾斜，而且倾斜的角度和方向是时变的。

地震时近断层场地还会有不同程度的旋转，在得到的强震记录中也会耦合旋转分量。

这都给强震记录的校正造成了相当大的困难。

国内外学者对近场记录的校正方法进行了大量的研究，得出了很多有用的结论。

但是在汶川地震中得到的近断层强震记录体现出了更为复杂的误差引入因素。

因此，本文在前人的研究基础上，以汶川地震和集集地震的加速度记录为主要研究对象，对近场强震动记录中由仪器倾斜引起的误差校正方法进行了研究。

并且在MATLAB环境下实现了校正程序。

具体内容如下：

1.本文对数字强震记录系统进行了误差分析；对近场强震动加速度记录的校正处理方法进行了系统的研究；并且对加速度记录的校正准则进行了论述。

给出了适合近场强震动加速度记录的校正方法和准则。

2.对5种型号数字强震仪系统进行振动台对比实验，并且对结果进行了分析。

给出了加速度记录积分后速度和位移时程零线漂移的原因。

并对振动台实验中强震仪记录到的加速度经过校正后再两次积分得出位移时程与实验时记录到的绝对位移进行比较。

3.利用MATLAB语言编写了加速度记录零线校正软件，对2008年5.12汶川8.0级大地震现场加速度记录两次积分后得出永久位移。

对汶川强震记录校正后的位移与GPS同震位移进行了比较分析。

对台湾集集地震的近场记录用本文方法进行校正，校正结果符合提出的校正准则。

结果表明，该方法对大地震近场仪器墩会发生倾斜或产生永久位移的加速度记录的零线有明显的校正效果。

关键词：

数字强震仪；近场加速度记录；零线校正；永久位移；MATLAB

Abstract

Inthelastcentury,devastatingearthquakeshavebroughtaboutgreatlosetopeople’slivesandproperty.Butatthesametime,humanhavecollectedhugeamountofStrong-Motionrecords.Asresearchgoeson,near-fieldpermanentdisplacementbecamemoreandmorenoticedallaroundtheearthquakeengineeringcirclesandtherecordswithhighaccuracyarerequired.Butitisthenearfieldshakesmostintensively,andthiswillforceinstrumentplatformtotilt.Moreover,thetiltingdegreeanddirectionaretime-varying.Evenworse,nearfieldsarelikelytospiningreatearthquakes.And,somehow,theaccordingrecordsmayincludespincomponents.Allofthesebringalotofdifficulttorecordscorrection.Scholarshavemanagedtofindcorrectionmethods,andhavedrawnmanyusefulconclusions.ButtherecordsacquiredformWenchuanearthquakeshowmorecomplicaterecordserrors.Therefore,thispaperresearchthecorrectionmethodbasedonpreviousstudy,andcompiledaprograminMATLABenvironment.Researchspecificsareasfollow:

1.Analyzedtheerrorindigitalstrongmotionseismograph,andstudiedthecorrectionmethodofnearfieldstrongmotionaccelerationrecords.

2.Revealedthereasonswhythebaselinesusuallydriftinvelocityanddisplacementtracksbyconductedashake-tableexperimentandcomparedthedisplacementintegratedformaccelerationanddisplacementmeasureddirectly.

3.CompiledacorrectionsoftwareusingMATALB,andacquiredpermanentdisplacementbyintegratedthecorrectedaccelerationrecordsfromWenchuanearthquake.AndcomparedthedisplacementwithGPScoseismicdisplacement.Theresultdenotedthatthismethodiseffectiveagainsterrorscausedbyinstrumenttilt.

Keywords:

digitalaccelerograph,near-fieldaccelerationrecords,base-linecorrection,permanentdisplacements,MATLAB

第一章绪论

1.1引言

强震记录对地震工作者有相当重要的意义。

大量有价值的强震动记录的获取，可为研究震源机制、地震动衰减规律、场地和活断层对地震动的影响、土与结构的相互作用、典型结构的地震反应特性等提供可靠的基础资料。

为我国的地震动参数区划图和各行业抗震设计规范的编制和修订提供依据，并为各种重要工程结构的地震反应分析提供典型的输入地震动时程，从而使建设工程的抗震设防要求和抗震设计更为科学、合理。

这将有效地减小未来地震发生时各类结构的破坏程度，减轻地震造成的生命财产损失。

在强震记录中，近场强震加速度记录记录的是离断层较近的场地的地面运动加速度，所以它对研究震源机制和地震动衰减规律等有着更为突出的意义。

集集地震以前，全世界获得的近断层强震记录很少。

随着近断层记录的不断丰富，这些记录给人们提供了重要的途径去研究断层破裂过程，地震动的衰减特性和近断层地面永久位移。

本文研究的正是这种近场强震动加速度记录，简称强震记录。

但是，由于各种原因，记录到的大地震近断层记录的零线严重漂移。

导致零线漂移的原因不仅很多而且很复杂，因而零线校正是一个很困难的问题，到目前为止还没有人提出比较完善的解决方法。

人们对地震地面运动的强震记录研究还主要停留在峰值加速度和反应谱的阶段，基本上得不到真实的地面运动速度时程和位移时程。

这在很大程度上阻碍了人们对地震近断层地面运动规律和极震区抗震设计的深入研究。

尽管大多数学者认为由加速度强震记录得不到真实的地面运动速度和位移，但是我们仍可以期望通过对误差因素和校正方法的研究，可以使校正后的结果尽量接近于真实。

1.2国内外研究历程及现状

从30年代取得世界上第一条强震动记录到80年代初，强震动记录的处理和分析方法主要是针对模拟强震动记录的。

70年代初期，Trifunac提出了一套具有代表性的强震动记录处理方法，比较合理地解决了长期未能解决的在一定频段内对加速度记录二次积分计算位移的问题。

70年代中期，我国学者谢礼立等针对所采用的电流计记录式强震仪（主要仪器为RDZ1-12-66）和直接光记录式强震仪（SMA-1）等的特点，详细地分析了在处理模拟记录过程中的各项误差，给出了消除或抑制这些误差的方法，并形成了一套相应的强震动记录数据处理流程。

该流程包括以下步骤：

1.加速度记录的调整，消除仪器记录过程和数字化过程中产生的系统误差。

2.校正加速度记录，即仪器校正和零线校正。

进行仪器频率响应失真和记录零线长周期失真的校正，消除误差，恢复失真信号。

3.数值积分，取得速度和位移时程。

4.计算反应谱和傅里叶谱。

80年代初，随着数字观测技术的发展，数字磁带强震仪已在我国强震动台网和流动观测中使用，这类仪器主要有：

美国Kinemetrics公司生产的PDR-1型、DSA-1型，中国地震局工程力学研究所研制的SCQ-1型。

所获取的记录动态范围大，频带宽，有绝对时标，波形完整不丢头。

和模拟记录不同，这些数字记录的原始记录是不可视的，必须使用专用的回放系统和计算机，专用的数字回放软件。

通过对磁带上数据的识别、传送、校验和转换，才能得到可视的地震加速度图和可用的强震动数据。

针对我国强震动台网中使用的数字磁带强震仪记录格式，建立了数据回放和数据处理的软件系统，包括数据校验和恢复、数据解码和数据格式转换等。

80年代后期，固态记录式强震仪问世。

目前我国强震动台网中使用的固态记录式强震仪主要有：

美国Kinemetrics公司生产的K2型和Etna型大动态固态数字强震仪；中国地震局工程力学研究所自行研制生产的固态地震动烈度记录仪GDQJ-I型和GDQJ-II型；港震公司生产的GSMA强震仪；瑞士的MR2002强震仪。

数字强震仪具有许多模拟强震仪所无法比拟的优越性能。

数字强震仪一般都采用力平衡式加速度计，仪器频带范围通常为0至50赫兹或80赫兹左右，高低频响应特性均优于普通模拟记录式强震仪。

一般说来，不作仪器频率响应特性校正，就能满足地震工程感兴趣的频率范围要求。

有的早期的数字强震仪频带范围较窄（0至30赫兹左右），这种仪器的记录应该进行仪器校正，但仪器校正对低频误差没有什么影响。

可以说，低频误差校正是数字强震仪记录处理中的主要问题。

有不少学者对数字强震仪系统的低频误差和校正方法进行了广泛的研究。

其中，美国学者Iwan对误差原因进行了初步研究[21]、[10]美国USGS的学者Boore[18]、我国的王国权[5]运用Iwan等的零线校正方法进行了广泛的讨论，得出了一些有价值的结论。

台湾学者Hung-ChieChiu[20]在文章中给出了一些集集地震近断层记录校正后的速度时程和位移时程。

我国学者周雍年等[15]对常用力平衡式加速度计与各种型号的强震仪组成的系统进行了振动台实验分析，给出了消除数字强震记录的低频误差校正方法，并应用于当时的国家强震动台网常规数据处理工作中。

但这种校正方法应用在有永久位移的台站记录中很不合理，得不到地面运动的永久位移。

于海英研究员对国家强震动台网入网的5种型号数字强震仪系统做了振动台对比实验[8]，分析了该系统加速度记录积分后速度和位移时程零线漂移的原因。

提出了加速度记录零线漂移的校正方法和校正准则。

为了印证校正方法的可靠性，对振动台实验中强震仪记录到的加速度用提出的校正方法进行校正，然后对校正后的加速度进行两次积分得出位移时程。

将校正后的位移时程与实验时记录到的绝对位移时程进行比较。

结果表明，校正后的位移时程和振动台绝对位移时程的一致性良好；对2008年5.12汶川8.0级大地震近场校正后的加速度记录两次积分后得到的永久位移与GPS同震位移进行比较，两者相符合，校正效果明显；对1999年台湾9.21集集7.6级地震的近场加速度记录用提出的方法进行校正，校正后的位移末端趋于平稳，完全符合校正准则。

所有的结果都表明，提出的校正方法对大地震近场仪器墩会发生倾斜的记录有明显的校正效果，基本上能得到符合实情的永久位移。

可以给出加速度积分后的速度和位移并符合校正准则。

1.3论文立题背景和本文工作

近断层强震记录是非常宝贵的地震研究基础资料，但是记录中往往会包含各种误差，使得强震加速度记录不能反映真实的震时地面运动。

国内外学者对近场记录的校正方法进行了大量的研究，得出了很多有用的结论。

在2008年5.12汶川8.0级地震中，国家强震台网中心获得了大批近断层强震动记录，受到国际地震工程界的普遍重视。

和其它的大震记录一样，这次地震近断层记录的零线严重漂移。

导致零线漂移的原因不仅很多而且又很复杂，因而零线校正是一个很困难的问题，到目前为止还没有人能提出比较完善的解决方法。

这在很大程度上阻碍了人们对这次地震近断层地面运动规律的研究。

本文对以往零线校正方法进行了梳理和研究。

在前人的研究基础上，以中国地震局公益性行业科研专项（200708010）“强震动记录误差分析方法与校正处理技术研究”为支撑，利用国家强震动台网入网的5种型号数字强震仪系统振动台对比实验结果[8]，分析了该系统加速度记录积分后速度和位移时程零线漂移的原因。

在于海英老师的指导下，以汶川地震和集集地震为主要对象，对近场强震动记录的校正方法进行了研究，提出了加速度记录的零线漂移校正方法和校正准则。

为了印证本文校正方法的可靠性，利用Matlab语言编写了校正处理软件，将校正后的位移时程与振动台实验记录的绝对位移时程进行比较，结果表明，校正位移时程和振动台绝对位移时程一致性较好。

对2008年5.12汶川8.0级大地震近场加速度记录两次积分后得到的永久位移与GPS同震位移进行比较，校正效果明显。

对1999年台湾集集7.6级地震的近场加速度记录用提出的方法进行校正，校正后的位移末端趋于平稳，完全符合校正准则。

所有的结果都表明，提出的校正方法对大地震近场仪器墩会发生倾斜的记录有明显的校正效果，基本上能得到符合实情的永久位移。

目前，本文编写的加速度记录校正处理软件已经应用于国家强震动台网中心日常处理工作中。

1.4各章主要研究内容及安排

本文共分为八章，第一章是绪论，简单介绍强震记录和基线误差及研究历程。

第二章分析加速度记录的误差。

第三章介绍现有的处理方法。

第四章介绍本文采用的方法。

第五章介绍振动台实验。

第六章为程序实现。

第七章为校正结果分析。

第八章是总结与展望。

第二章加速度记录的误差分析

2.1引言

数字强震记录中同时存在高频误差和低频误差，但只有低频误差影响零线。

低频误差的主要来源有初始值、仪器噪声、背景噪声以及处理误差，与低频噪声有关的误差可通过高通滤波的方法在一定程度上得到抑制。

但是在近场强震记录中存在永久位移信息，滤波以后会丢失这个位移信息。

所以滤波的方法不适合于近场强震记录。

对汶川8.0级地震而言，靠近断层的区域发生了强烈的地表变形（地表破裂、竖直抬升、水平位移等），可能导致强震仪发生倾斜，强震仪微小的倾斜将导致零线产生很大的漂移。

因此将导致零线漂移的原因归为两类:

低频误差和强震仪的倾斜。

2.2基线初始值

加速度记录中的事前部分记录的是地震波到达强震仪所在位置之前的地面的运动状态，事前部分的地面运动加速度应当接近零。

但实际上由于各种原因使得记录事前部分的加速度值并不为零，而是在一个水平线附近震动。

这个水平线的值就是基线初始值。

在所有的基线校正方法中，都应首先从原始记录全时程中减去事前部分的平均值。

这样就使得事前部分的地面运动加速度接近零。

这一操作只会使得加速度整体发生上下平移，没有改变加速度的相对大小，却使得加速度值在地震波到达之前停留在零值附近。

因此这种方法也称作加速度时程的基线初始化，下文简称RAP（RemovingAverageofPre-event），也叫零线调整。

这是对任何一条原始记录首先应该进行的一个处理。

2.3低频误差

数字强震记录中的低频误差包含了仪器噪声和场地背景噪声两类。

仪器噪声主要有电子噪声、可能因采样率和分辨率不足引起的误差、传感器材料和电路的微小磁滞效应以及其它不明原因引起的噪声。

现代数字强震仪的低频响应特性良好，一般不需要对仪器的低频响应进行校正。

数字强震仪的采样率通常为200sps，对低频信号来说，这样高的采样率不会引起多大的低频误差。

分辨率不足引起的低频误差也是很有限的。

电子噪声的水平与仪器本身有关外，也受环境因素的影响。

电子噪声会引起仪器记录的零基线产生微小的变动。

场地背景噪声来自各种环境振动，包括海洋波浪、风、各种人为活动等。

场地背景噪声的来源和频率范围很广，而且每个噪音来源对总体背景噪音的贡献很小，可以认为是服从高斯分布的白噪声。

场地所处环境对背景噪声的幅值有很大的影响。

邱宏智研究员[4]对数字化强震仪的记录和模拟式强震仪的记录进行过对比研究。

指出：

尽管相对于模拟式记录，数字化强震记录的质量有明显的提高，但绝大多数导致模拟式记录产生低频误差的因素在数字化记录中仍然会出现。

零线漂移源于仪器的记录过程中和其后对资料的处理过程中，前者称为系统误差，后者称为偶然误差。

系统误差包括源于纸张或胶片的弯曲或变形、背景噪声、仪器本身产生的噪声、初始零线的漂移以及零线的不稳定等；偶然误差主要是指数字化过程中产生的误差。

对于记录汶川8.0级地震的数字化强震仪来讲，则不存在由于纸张变形等产生的误差；由于数字强震仪能够完整地记录长达20s事前部分，初始零线可以说已经确定。

因此，由于初始零线不确定而造成的误差也很小。

对于数字化强震记录来讲，在数据处理过程中产生的处理误差也几乎不存在。

因此，数字化记录零线漂移主要源于记录过程中产生的系统误差。

由于记录过程中产生的误差主要影响低频信息，因此，也称作低频误差。

仪器误差主要来源于5个方面:

仪器的不准确响应（imperfectinstrumentresponse）、仪器分辨率有限、采样率不足、电磁噪声、传感器的物质疲劳（materialfatigueofthesensor）.

仪器的不准确响应主要发生在高频段，这种差对高频信号影响当大的，但对于低频信号影响很小。

而使零线漂移的主要是低频信号，因此传感器的不准确反应对零线的影响很小。

产生仪器误差的另一个原因是仪器的分辨率不足。

由于仪器在数字化的过程中，小于一个数字化单位的数字值被忽略掉，这种情况产生的加速度误差经过2次积分后有可能对位移产生影响。

但是由于分辨率不足产生的零线漂移的上限是半个数字化单位，而且产生正负误差的概率相等，由于正负误差的抵消，实际上对积分后得到的速度和位移的影响很小。

国家强震动台网使用的5种型号强震仪（Etna/ES-T、GDQJ-II/SLJ-100、Geosig/SLJ-100、GSMA-2400/SLJ-100、MR2002/SLJ-100型）的记录系统的模数转换是24位。

数字化单位已经足够小，产生的误差不会造成零线的漂移。

对于大震近断层强震记录来讲，真实的位移是相当大的，有时能达到2米，因而仪器分辨率不足造成的误差就更显得微不足道。

由于采样率的不足，强震记录会在相邻的两个采样点之间丢失一些高频信号，但对低频信号影响不大。

对于上述数字化强震仪，采样率为200sps，个别为100sps。

采样率不足对低频地震信号产生的误差是很小的。

电磁噪声的大小决定于仪器本身和其周围的环境，其对环境温度的变化很敏感，从波形上来讲是随机的，其频率分布在一个比较宽的频带范围内。

由电磁噪声和场地背景噪声产生的误差是很难分开的，对于它们可以通过滤波的办法在一定程度上来减小。

传感器物质疲劳会导致零线微小的、持续的漂移，会对零线产生比较大的影响，Iwan[21]等人在零线校正中考虑的磁滞效应主要就是由于传感器的物质疲劳所产生的。

2.4随机噪声

在一般的场地下，背景噪声的来源很多，每个影响因素都是随机的，且每个因素对总噪音的贡献很小。

所以背景噪声的主要特征是频率成分丰富的随机波形（randomwaveform），其分布基本服从正态分布。

其频率成分在各个频率都基本相等，是一种白噪音。

汶川地震卧龙台强震记录事前10秒钟包含的背景噪音分布如图2.1。

可见，背景噪音的确是服从0均值的高斯噪音。

背景噪音对位移的影响可以作以下分析[16]：

假定数字加速度记录的采样间隔为

。

记录中包含有标准方差为

的随机噪音。

那么由此可得随机噪音在

时的误差可以近似为：

这个方程是典型的随机游走。

积分得到近似位移：

联合此两个方程可以得到：

我们假设

代表位移在记录末尾的值。

又上式可知，末端位移是加速度值的加权和。

所以是和随机加速度线性相关的随机变量。

末端位移的期望为0，因为加速度的平均值接近0。

在实际中末端位移接近0。

上式的加权和可