力平衡式加速度计仪器响应误差的校正方法

本文通过对数字强震仪系统使用的力平衡加速度计的仪器响应误差进行分析,提出了一个校正仪器响应失真的处理方法(微分-微分方法),即对未校正记录做低通滤波后运用近似理想微分器做两次微分得到校正加速度记录。针对大亚湾核电站地震仪表系统(K IS)给出了仪器校正示例,并编制了相应计算软件。该方法适用于我国强震动台网数字强震仪获取的加速度记录的仪器响应误差校正处理。     

基于精确权函数的仪器响应失真校正方法与算例

当前,经仪器响应失真校正后,加速度计有效观测频带通常为0至1倍自振频率,这限制了强震仪应用领域的延拓。有鉴于此,本文提出一个基于精确权函数的仪器响应失真校正方法并给出一个验证算例。分析表明:较之现有方法,新方法兼有高精度和高效率的优点,并可以将力平衡式加速度计的有效观测频带至少延拓3倍,对于拓展强震仪的应用领域具有重要意义。     

汶川主震强地震动记录仪器设置参数分析

在汶川8.0级地震中,中国数字强震动台网在19个省市自治区的420个台站获得了1257条3分量主震加速度记录.文中对这些记录进行了初步的波形分析和数据统计,发现部分记录不完整,即存在不同程度丢头、丢尾的现象.从强震记录的波形特点、仪器的开始/停止触发阈值、事件0/后存储时间分析了出现以上现象的原因,并给出了数字强震仪预存贮参数设置的合理建议.文中研究的初步结果可为今后的数字强震仪参数设置提供参考.     

力平衡加速度计强震记录仪器误差的校正

数字式强震加速度仪,例如美国Ｋｉｎｅｍｅｔｒｉｃｓ公司生产的ＰＤＲ－１、ＳＳＡ－１、ＳＳＲ－１型强震仪和我国生产的ＳＣＱ－１型强震仪,这些强震仪的拾振器都选用了力平衡加速度计（如ＦＢＡ－１或ＲＪＬ－１型）．我国使用上述数字式强震仪已经获取了较多强震记录,但在强震记录数据处理方面,力平衡加速度计强震记录仪器误差校正问题目前尚无解决办法．本文在简要回顾力平衡加速度计工作原理的基础上,利用振动反应数值分析连锁公式的反演算法,提出一种仪器误差校正的方法,并给出实际算例．     

强震记录仪器响应失真校正的权函数方法—时域离散序列数值分析方法与应用研究之二

简要评述了现有强震记录仪器响应失真校正方法的优点和存在的不足。在文献[1]的基础上，提出了对强震记录进行仪器响应失真校正的权函数方法，并推导建立了相应的计算公式。通过设计真实地震动为已知的算例，对加速度摆和速度摆强震仪的未校正记录，和用不同方法获得的校正记录的精度（或误差）进行了对比分析。理论和算例分析表明，本文方法简单、实用，具有很高的计算机精度且无稳定性问题。     

基于Matlab的强震数据处理技术实现

强震动观测数据通常由强震仪原始二进制加速度记录组成,在国内外相关强震数据库下载的强震记录均为解码、处理后的ASCII格式文本文件,非原始文件,记录格式不同,但均由数据头段和数据区2部分组成。以我国未校正加速度记录(UA)数据格式为例,探讨基于Matlab程序的强震数据处理技术,并识别记录的地震动特性,为强震数据多领域应用提供技术支持。     

近场数字强震仪记录误差分析与零线校正方法

本文对数字强震仪记录进行了误差分析,并对国家强震动台网入网的5种型号数字强震仪系统作了振动台对比试验,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.本文提出了加速度记录的零线漂移校正方法和校正准则.为了印证零线校正方法的可靠性,对振动台试验中强震仪记录到的加速度两次积分得出位移时程与试验时记录到的绝对位移进行比较,计算位移和振动台绝对位移完全一致;对2008年5.12汶川8.0级大地震和1999年台湾9.21集集7.6级地震现场加速度记录两次积分后得出永久位移与两次大地震的GPS同震位移进行比较.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时加速度记录的零线校正有明显效果,可以给出加速度积分后的速度和位移并符合校正准则.本文方法解决了对大地震近场地面运动的研究停留在对峰值加速度和反应谱的研究阶段的困惑,满足了结构抗震对地面永久位移的需求.     

强震观测用MEMS型加速度计研究

强震观测中记录的加速度时程是城市大型建筑抗震设计的重要依据,为城市抗震设防提供可靠的数据支持。因此,对加速度计在稳定性、线性度、动态范围和直流响应等性能方面有着很高的要求。提出利用静电力反馈控制技术与传感器技术相结合形成闭环力平衡式MEMS加速度计,使之具有良好的低频特性。并采用四阶ΣΔ调制器完成低噪声信号采样,确保其动态范围高于140 dB,完全满足现有强震观测规范对该项指标的要求。     

地震台网(台站)上地动加速度参数连续观测的初探

笔者于六十年代研制的QZY—Ⅳ触发式强震仪,曾布设在京、津、唐地区和云南省等多震、强震区,得到过一些强震的加速度记录。但把加速度仪放置在一般台站上作连续观测,这则是笔者对强震观测工作的继续和发展。1984年我们研制了台站用加速度计,放在浙江黄湖地震台上。1985年2月15日12点14分南黄海的3.7级地震,仪器记录的波形,成为国内首次在一般台站上得到的连续记录的加速度参数。     

地震预警仪观测地脉动差异与评估场地条件的可行性研究

根据台站场地条件进行地震动参数校正,有助于提高地震预警的有效性和准确性。针对我国地震预警台网中部分台址场地条件信息不完整及观测仪器的多样性,通过采用不同灵敏度的力平衡式加速度仪、速度仪和MEMS烈度仪,同时进行大量不同类别场地的地脉动观测,多角度对比分析时、频差别,探讨基于地震预警仪观测地脉动评价场地条件的可行性。结果表明,加速度仪灵敏度越高,H/V谱比卓越频率越易识别;速度仪与力平衡式加速度仪观测的地脉动,三分向傅氏谱和H/V谱比的谱形与卓越频率均一致;与TAG-33M强震仪相比,TMA-53烈度仪观测的地脉动整体幅值略高,波形较差,但随着振幅增大趋于一致;在近80%的场地上,TAG-33M强震仪与TMA-53烈度仪观测的地脉动傅氏谱卓越频率相差＜0.5 Hz;当幅值均方根值＞0.05 Gal时,TAG-33M强震仪与TMA-53烈度仪观测的地脉动竖向和水平向傅氏谱均趋于一致;当幅值均方根值为0.02 Gal～0.05 Gal时,TAG-33M强震仪与TMA-53烈度仪观测的地脉动竖向和水平向傅氏谱谱形均有较高的相似性;当幅值均方根值＜0.02 Gal时,TAG-33M强震仪与TMA-53烈度仪观测的地脉动傅氏谱谱形相差较大,相似性低;依据TAG-33M强震仪观测地脉动H/V谱比的卓越频率判定场地类别,准确率达83.3%;TMA-53烈度仪观测地脉动的H/V谱比过于平坦,大多数场地上卓越频率识别困难。     

典型强震动加速度仪一致性检验

针对两种典型强震动加速度仪,ETNA与MR2002,利用汶川地震强余震流动观测进行了两仪器的一致性检验.通过架设在同一仪器墩上的2种强震动加速度仪在5次余震事件中所获取加速度记录的波形、峰值、傅里叶振幅谱及反应谱的对比分析可知,ETNA仪器记录的峰值加速度与MR2002仪器记录的峰值加速度间的最大相对误差达23.6％,且南北向峰值加速度差异大于东西向和竖向,竖向明显小于两水平向;反应谱及傅里叶谱变化趋势基本相同,只是幅值存在些微差异,且竖向谱值相差最小,明显小于两水平向,反应谱最大相对误差近5％,相对于低频反应谱,高频反应谱差异较大;此外,亦存在两仪器记录时程曲线反向、记录时间长度不等、触发点不同等差异.经分析认为,这些差异主要是由于两种不同仪器性能上的微差异、仪器参数设置不同、以及触发滤波算法不同等因素引起的.     

Evolution of accelerographs, data processing, strong motion arrays and amplitude and spatial resolution in recording strong earthquake motion

This paper presents a review of the advances in strong motion recording since the early 1930s, based mostly on the experiences in the United States. A particular emphasis is placed on the amplitude and spatial resolution of recording, which both must be ‘adequate’ to capture the nature of strong earthquake ground motion and response of structures. The first strong motion accelerographs had optical recording system, dynamic range of about 50 dB and useful life longer than 30 years. Digital strong motion accelerographs started to become available in the late 1970s. Their dynamic range has been increasing progressively, and at present is about 135 dB. Most models have had useful life shorter than 5–10 years. One benefit from a high dynamic range is early trigger and anticipated ability to compute permanent displacements. Another benefit is higher sensitivity and hence a possibility to record smaller amplitude motions (aftershocks, smaller local earthquakes and distant large earthquakes), which would augment significantly the strong motion databases. The present trend of upgrading existing and adding new stations with high dynamic range accelerographs has lead to deployment of relatively small number of new stations (the new high dynamic range digital instruments are 2–3 times more expensive than the old analog instruments or new digital instruments with dynamic range of 60 dB or less). Consequently, the spatial resolution of recording, both of ground motion and structural response, has increased only slowly during the past 20 years, by at most a factor of two. A major (and necessary) future increase in the spatial resolution of recording will require orders of magnitude larger funding, for purchase of new instruments, their maintenance, and for data retrieval, processing, management and dissemination. This will become possible only with an order of magnitude cheaper and ‘maintenance-free’ strong motion accelerographs. In view of the rapid growth of computer technology this does not seem to be (and should not be) out of our reach.     

Measurement of six degree-of-freedom ground motion by using eight accelerometers

A new integrated measuring system with eight force-balance accelerometers is proposed to obtain a direct measurement of six degree-of freedom （DOF） ground motions, including three rotational and three actual translational acceleration components without gyroscopes. In the proposed measuring system, the relationship between the output from eight force-balance accelerometer and the six DOF motion of the measuring system under an earthquake are described by differential equations. These equations are derived from the positions and directions of the eight force-balance accelerometers in the measuring system. The third-order Runge-Kutta algorithm is used to guarantee the accuracy of the numerical calculation. All the algorithms used to compute the six DOF components of the ground motion are implemented in a real-time in Digital Signal Processor （DSP）. The distortion of the measured results caused by position and direction errors of the accelerometers in the measuring system are reduced by multiplying a compensation coefficient C to the output and subtracting static zero drift from the measured results, respectively.     

A note on the useable dynamic range of accelerographs recording translation

Since the late 1970s, the dynamic range and resolution of strong motion digital recorders have leaped from 65 to 135 dB, opening new possibilities for advanced data processing and interpretation. One of these new possibilities is the calculation of permanent displacement of the ground or of structures, associated with faulting or with non-linear response. Proposals on how permanent displacements could be recovered from recorded strong motion have been published since 1976. The analysis in this paper concludes that permanent displacements of the ground and of structures in the near-field can be calculated provided all six components of strong motion (three translations and three rotations) have been recorded, and the records are corrected for transducer rotation, misalignment and cross-axis sensitivity.     

2008年汶川8.0级大地震近场强地面运动的模拟

运用经验格林函数法模拟了2008年5月12日汶川8.0级大地震的近场强地面运动.拟合过程中,首先参考其他学者反演结果给出的滑动量分布的特征,确定强震动生成区的大致范围;然后利用Somerville等(1999)提出的地震矩与凹凸体面积间的经验关系式确定强震动生成区(SMGA)细小划分的初值,继而利用遗传优化算法确定以上两者的最优值及其他震源参数.数值模拟波形同实际地震观测记录在时间域和频率域分别进行了比较,结果显示,在所选取的18个观测台中,多数台站的数值模拟结果同实际观测结果符合得很好,特别是大于1 Hz的高频部分.我们发现断层面上有5个强震动生成区,其中两个的位置与其他学者反演的滑动量集中分布区相一致,但强震动生成区规模和上升时间比Somerville等(1999)获得的定标率外延的估计值要小.     

国家测震台网中心强震动数据处理系统的设计与实现

为满足国家测震台网海量强震动观测数据的处理时效性、格式标准化、产品丰富度等需求,开发了兼容多类强震动观测站点且具备数据快速汇集、处理及归档等功能的强震动数据处理系统。该系统提供地震波形人机交互数据预处理界面,对加速度记录进行预处理,进一步分析预处理后的加速度事件波形数据,计算得到地震动各项参数,包括峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)、仪器烈度、持时、傅氏谱、反应谱和三联谱等,可以导出地震元数据、地震记录波形,对各类数据进行归档存储。该系统具有平台统一性、功能集成性、数据完备性等特点,有效提升了日常数据处理和管理能力,能在地震应急、震害评估和科学研究中发挥实效。     

唐山丰南M4.1级地震强震记录分析

2010年4月9日唐山丰南发生M4.1级地震,津冀地区共有36个强震台站获取到强震记录,记录的最大加速度为58.92cm/s2,通过对比强震记录的峰值,发现该地震竖向峰值比水平向大,在三个分量上加速度傅氏谱谱型以多峰为主。通过对强震记录频谱特征进行分析,得出随着震中距的增大,反应谱高频成分衰减快于低频成分,竖向与水平向加速度比值与常规认为的1/2—2/3差别较大。通过对本次强震动记录反应谱标定并结合唐山地区3.5级以上地震记录,获得唐山地区土层场地反应谱谱型参数。     

一种利用单台强震记录计算任意场地三分量地面运动的方法

本文利用近场理论格林函数反褶积的方法计算土层的地震反应.解答中包含了产生地面运动的各种反射、透射和转换波震相,也计入了土层与基底介质的相互作用.将计算的土层响应与已获得的近场加速度记录褶积,可算出不同土层场地上垂直向和水平向三分量的地面运动.文中利用1982年卢龙地震的近场加速度记录,检验了方法的可行性.