地震数据采集器关键技术研究

介绍为满足地震监测要求而应用于地震数据采集器设计的一些关键技术,详细分析影响地震数据采集器的信噪比、时钟精度和标定系统精度的原因,并提出相关设计方法,给出设计实例.     

TDE系列地震数据采集器

ＴＤＥ系列地震数据采集器是一套１６位（ＴＤＥ－２１６Ｃ）／２４位（ＴＤＥ－２２４Ｃ）地震数据采集器。该采集器为低功耗、程控增益、现场模数转换,其带宽为（０～２０Ｈｚ）,动态范围为９０ｄＢ（ＴＤＥ－２１６Ｃ）／１２０ｄＢ（ＴＤＥ－２２４Ｃ）。采集器通过接收ＧＰＳ信号产生精确定时。介绍了该采集器的技术设计方案、性能及实际应用效果。     

地震数据采集器的一种硬件"看门狗"

在数字化遥测地震台网的建设中,野外子台都建立在偏远山区坚硬的基岩上,野外台站安装有宽频带大动态地震计,EDAS-3型地震数据采集器,调制解调器及其他设备.在长期运行中,我们发现有的EDAS-3型地震数据采集器多次出现"死机"现象,这种现象的出现因不同的机器而不同,有的很长时间也不会出现,而有的设备多次出现,回厂家检修也查不出故障原因,安装后又会出现.这给野外台站设备维护工作造成极大的困难,去一个台站要往返1～3天,来回车费要600～2 000元,而到达台站后,将数据采集器的电源开关"开关"一次,数据采集器就能恢复正常工作."死机"现象出现的时间间隔,有的台站几个月出现一次,有的台站一个星期或几天就出现一次.这给遥测地震台网的正常运行和维护造成了极大的困难.这种情况不仅北京台网出现,在其他地震台网也出现.根据这种情况,我们设计研制了一种采用硬件控制的地震数据采集器的"看门狗".     

多通道通用地震前兆数据采集器研制

地震前兆数据采集器专一,通用性差,给地震观测和维护带来一定的困难.采用高精度AD开发多通道通用数据采集器.该采集器具有6个采集通道,可灵活配置采样率和信号输入范围,采用网络进行数据传输和远程监控,可以连接大多数地震前兆传感器.     

地震前兆数据采集器的可靠性分析

地震前兆数据采集器是数字化地震前兆台站的关键性设备之一,不仅在技术指标和功能上有严格要求,其工作性能的可靠性和稳定性更是至关重要。本文着重对地震前兆数据采集器的可靠性进行分析和讨论,给出一些相关结论,并介绍可靠性分析的有关基本名词概念,从而给出电子化系统可靠性分析的一般方法。     

地震数据采集器后级滤波器的设计

以ADS1281为例,介绍新一代地震数据采集器后级滤波器设计。该后级滤波器包括变抽样率的梳状滤波器、有限脉冲响应(FIR1)4抽1滤波器和有限脉冲响应(FIR2)2抽1滤波器。其中,FIR1 4抽1滤波器和FIR2 2抽1又分为最小相位、线性相位和瞬态3种滤波器,文中使用设计的最小相位滤波抽取器对仿真的正弦波进行滤波验证,结果表明,通带波动和阻带衰减满足中国数字测震台网技术规程的要求。     

TDE-324C地震数据采集器的设计

介绍了TDE—324C地震数据采集器采用的设计技术，给出了系统的结构框图，并且就采集器实现的功能进行了描述，给出了采集器的技术指标和部分应用图例。该采集器能够满足地震观测的需要。     

24位地震数据采集器中的数据处理

24位地震数据采集器中的数据处理过程是:地震计将感应到的地面运动信号转换成电压值输出给采集器,采集器将模拟电压信号进行滤波放大,再进行A/D转换成512KSPS的1位数据码流,该码流经DSP的两段滤波后得到COUNT值,DSP从RAM中取出COUNT值归一化后打包输出。     

地震计低自噪声测量及参数建模

本文提出一种基于对比法测定地震计相对传感参数,并考虑分向对齐误差计算地震计自噪声,再利用连续3天以上的自噪声数据提取获得地震计低噪声数据的方法。通过理论分析和实际数据计算检验表明,采用这一套方法提取地震计的低噪声数据,对数据选择的要求大大降低,有利于客观、稳定地获取地震计的自噪声数据。此外,通过参数建模,获得地震计自噪声曲线的拟合多项式,直接计算自噪声参考频点数值,可以避免在实际曲线上读数时受到的计算误差引起的波动影响,得到客观、稳定、可靠的地震计自噪声参数数据,有利于地震计性能比较评价。最后作为实例,给出了采用本文算法计算出的4种国产地震计的自噪声模型及低自噪声参数。     

FFT和DFT在地震数据采集器幅频特性测试中的应用

在进行地震数据采集器的幅频特性测试中,当标定信号频率稍高时(约为采集器采样率1/5以上),采集器输出的正弦波形发生畸变,无法人工读取正弦波峰值.为了解决该问题,本文提出了基于离散傅里叶变换(DFT)的积分恢复算法,将该方法与快速傅里叶变化(FFT)谱分析方法同时应用于一台高精度地震数据采集器的幅频特性测试数据处理.结果表明这两种算法均能标准化、高精度地完成采集器幅频特性标定数据的计算.其中基于DFT的积分恢复算法的计算程序操作简单,能够高效率地完成数据采集器的幅频特性检定工作;并且该方法还可以应用于地震数据采集器的线性度测试.     

地震计自噪声的研究

仪器的固有噪声水平是地震计的关键技术指标。 如何降低仪器的自噪声是地震计设计中需要解决的重要问题。 本文分析了产生地震计自噪声的两个主要噪声源: 布朗热噪声和电子噪声(1/f噪声), 以及它们对地震计传递函数的影响。 分析了三种地震计所记录的地震台台基噪声, 并且通过试验来检验仪器噪声对地震计观测数据的影响。     

海底地震仪自噪声分析

海底地震仪是海上观测天然地震的主要手段,仪器所记录到的噪声分为环境噪声和仪器噪声。本文利用2018年9月3日—2019年7月1日期间浯屿岛海底地震观测台所采集到的数据,对海洋环境下的强震型海底地震采集站和宽频带海底地震采集站进行仪器自噪声分析,利用两道互相关模型,采用加窗平均周期图法计算功率谱,通过1/3倍频程积分作平滑处理,得到仪器自噪声功率谱密度图。对比分析相同型号仪器的自噪声功率谱,发现相同仪器的自噪声变化趋势一致,但自噪声大小有差异,且这种差异对于不同仪器、相同仪器的不同分量也存在不同。     

Statistical tests for regional seismic phase characterizations

In seismic analysis some assumptions are often made aboutthe data, e.g. stationarity and Gaussianity. This is not obvious for all realseismic data. Here, we use statistical tests for characterization of regionalseismic data. We apply tests for stationarity, symmetry, linearity, andtime-reversibility. In the analysis we use twelve regional seismic events inFennoscandia recorded with the seismic small-aperture arrays NORESS,ARCESS and FINESA at hypocentral distances in the range from 160 to1580 km. For the tests we use the regional phases Pn, secondary P, Sn and Lg-phases and the preceding noise. Two of the eventsare explosions, two are rockbursts and eight are earthquakes. Theperformance and possibilities of using statistical tests based on bispectra, asa complementary tool for conventional analysis of seismic phases isdemonstrated. The preceding noise recorded before the first onset of theP-wave for the twelve events is tested to be spatially stationarybetween each channel within each array and temporal stationary in 21consecutive time windows of 3.2 sec each. Also, the preceding noise issymmetric and linear. The seismic phases defined by the symmetry test asnon-Gaussian (not symmetric) are all linear. This means a linear model canbe used to characterize both the noise and the phases. The first P-phase for the two explosions is characterized as non-Gaussian at thethree arrays. For all 36 possibly first P-phase arrivals at the three arraystations, 23 are non-Gaussian. The second P-phase is non-Gaussian at13 of 36 data records, the S-phase at eleven of 36 and the Lg-phase at nine of 36. For all the four phases more than 32 of possible36 are time-reversible.     

对齐误差对测试地震计自噪声的影响

本文在理论上研究了对齐误差对测试地震计自噪声的影响。指出对齐误差影响到2台仪器记录间的计算互功率谱密度,进而影响到被测仪器记录间相干函数计算,最终影响到被测仪器的自噪声计算。发现当存在对齐误差时,在信噪比较高频段计算得到的自噪声水平比仪器的实际自噪声水平要高,在一般的实际测试中可能高20 dB以上。为了消除对齐误差对自噪声测试的影响,提出通过投影逆变换把观测记录变换到标准坐标系下,再用变换后的观测记录来计算地震计自噪声。给出了基于以上思路和传感参数对比测试方法的地震计自噪声计算处理流程,合成数据、实际测试数据的处理检验计算结果表明,本文方法可以有效克服地震计自噪声测试中对齐误差的影响。     

中国地震烈度评定值的统计检验

为研究我国地震烈度的评定是否存在随时间变化的趋势,本文从统计的角度,选取合适的烈度衰减关系模型作标准,基于残差分析的基本原理,对1900年到2013年间392个地震的烈度评定值随年份变化的趋势进行了统计分析,并提出一种改进的衡量拟合优劣的算法,量化数据的整体偏差并直观地展现数据的离散程度.统计检验结果表明,烈度评定值无论按区域划分、按震级划分或是按烈度划分均与整体存在一致且显著的时间分布趋势：1960年之前烈度评定值较为离散,1960年到1980年左右烈度评定值逐年减小,1980年开始烈度评定值逐渐增大,2000年以后绝大多数烈度评定值高于平均水平,且该时段烈度评定值偏高程度尤为明显,平均总体偏高约0.4度,且有继续增高的趋势.

     

卵石土场地地震反应特征振动台试验研究

为研究卵石土场地地震反应特征,基于四川成都典型卵石土场地,通过振动台模型试验研究卵石土场地在不同地震波、不同地震强度激励下的加速度峰值放大系数、加速度频谱反应及动土压力反应,并且对其场地地震反应非线性效应及土体动剪应力-动剪应变关系进行分析。结果表明：卵石土场地表层土层对地震波具有明显的放大效应,加速度峰值放大系数介于1～1.4之间,下部土层放大效应较小,加速度峰值放大系数介于0.9～1.2之间。卵石土场地对地震波具有低频放大,高频滤波的作用,滤波频率上、下限随激励强度的增大逐渐向低频方向移动。激励强度较小时,土体尚未破坏,动土压力在地震过程中逐渐增大;随着激励强度的增大,动土压力反应明显增大,表现出骤减后逐渐增大的现象。在激励强度较小时(SN1),中部土体最先进入非线性反应阶段,地震波在中部土层能量损耗最大;激励强度较大时(EL3),土体均发生了较大变形,土体最大动剪应变达到1.7%,此时卵石土场地对地震波的放大作用明显减弱。     

朝鲜地下核试验的地震学观测

自2006年至2017年,朝鲜民主主义人民共和国在中朝边界地区的试验场进行了6次地下核试验.本文综合报道根据东北亚地区的宽频带数字地震资料利用地震学方法对这六次地下核爆炸的研究.结果表明,朝鲜地下核试验在区域台网产生的地震记录具有典型浅源爆炸的特征.针对上述资料发展了处理核爆数据的方法并据此得出各次朝鲜核爆的地震学参数,包括事件识别、当量测定、以及震中相对定位等.对6次核爆和4次天然地震P/S类型谱振幅比的统计分析表明,2 Hz以上台网平均谱振幅比可以正确地将朝鲜核爆从天然地震中识别出来,从而有效监测在朝鲜半岛进行的当量大于0.5 kt的地下核试验.同时也发现,建立在体波-面波震级比之上的识别方法不适用于朝鲜核试验场.通过建立中朝边界地区基于Lg波的体波震级系统,计算了各次朝鲜核试验的体波震级m_b（Lg）,并由此估计了它们的地震学当量,其值介于0.5 kt至60 kt之间.由于缺少爆炸埋藏深度的数据,上述当量有可能被低估,因而有必要对深度影响做进一步研究.以第一次爆炸的位置为参考震中,利用Pn波相对走时数据和高精度相对定位方法获得了各次核爆在试验场中的精确定位.

     

基于MRF-04K阻尼器的结构减震控制模型试验研究

本文应用最近研制的MRF—04K阻尼器对一三层钢框架模型结构进行了结构减震控制模拟地震振动台试验研究,分别验证了在不同加速度幅值的三种典型的地震动激励下两种被动控制系统和三种半主动控制系统的有效性。试验结果表明,无论是被动控制系统还是半主动控制系统都能够使模型结构的地震反应得到显著的降低。其中顶层相对位移反应和绝对加速度反应的峰值减小了50％左右。且其均方根值减小了70％左右。同时,半主动控制系统能够充分利用MR阻尼器的性能,能够以较小的控制力实现理想的减震控制效果,从而展现了基于MRF—04K阻尼器的半主动控制系统的工程应用前景。     

Shaking table tests on seismic response of steel braced frames with column uplift

Previous studies have suggested that rocking vibration accompanied by uplift motion might reduce the seismic damage to buildings subjected to severe earthquake motions. This paper reports on the use of shaking table tests and numerical analyses to evaluate and compare the seismic response of base‐plate‐yielding rocking systems with columns allowed to uplift with that of fixed‐base systems. The study is performed using half‐scale three‐storey, 1 × 2 bay braced steel frames with a total height of 5.3 m. Base plates that yield due to column tension were installed at the base of each column. Two types of base plates with different thicknesses are investigated. The earthquake ground motion used for the tests and analyses is the record of the 1940 El Centro NS component with the time scale shortened by a factor of 1/√2. The maximum input acceleration is scaled to examine the structural response at various earthquake intensities. The column base shears in the rocking frames with column uplift are reduced by up to 52% as compared to the fixed‐base frames. Conversely, the maximum roof displacements of the fixed and rocking frames are about the same. It is also noted that the effect of the vertical impact on the column associated with touchdown of the base plate is small because the difference in tensile and compressive forces is primarily due to the self‐limiting tensile force in the column caused by yielding of the base plate. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

Analysis of shaking table-structure interaction effects during seismic simulation tests

An analytical model is developed to evaluate performance characteristics of unidirectional seismic simulators (shaking tables). The validity of the model is verified with experimental measurements of the frequency response of the shaking table at the Catholic University of Peru. Interaction effects between shaking table and structure are first studied by analysing the response of a two DOF (degree of freedom) oscillator with mechanical properties representative of the actuator-table-structure system. A single DOF viscoelastic oscillator representing the structural test specimen is then included in the analytical model of the seismic simulator, and the behaviour of the combined system is evaluated, in the frequency domain, in terms of response stability and accuracy of reproduction of the command signal. Numerical simulations of system response under different load conditions are subsequently performed in order to study the influence of shaking table and test structure characteristics on the interaction phenomenon. The results obtained explain some of the performance degradation observed in seismic simulation tests involving very heavy structures and provide guidelines for the design of more reliable shaking table systems.