双语版地震工程

第三节 强震观测记录的数字化、常规处理

自1933年第一次记录到强地震动以来，各主要地震国家研制、布设了大量强震观测仪器，从不同层次上构成台网、台阵、局部密集台阵、甚至三维台阵，估计全球总数已逾1.5万台。为强地震动研究提供了丰富的观测数据。我国已有三十多年强震观测的经验和一批技术骨干，积累了一批观测数据，最近决定投资数亿元启动国家数字台网工程，仪器数量要增加4倍，实现台网数字化、自动化和遥测化，会大大加快强震记录的积累速度。 强震观测的目的在于测量地震时地表和建筑物的真实运动。它的主要成果就是取得一份可靠的观测记录图。一般说来，地震时地表和建筑物的运动十分复杂，在数学上可以用一个空间向量f（x、y、z、t）来表示，其中x、y、z为观测点运动的空间坐标位置，t为时间。但是在实际观测中对空间每个测点的每个分量，都是由专设的仪器分别独自进行测量的。因此得到的每一条记录，自然也只能表示一个测点在地震时沿某一个方向运动分量的时间关系。由于观测仪器的不同，因此所得的记录以及处理方法也有区别。从数字分析技术来说，不论记录形式怎样，方法都是大同小异的。

3.1 强震加速度记录的一般特征

3.1.1 强震加速度记录

一般说来，一个三分量的仪器可以同时测量一个测点的二个相互垂直的水平方向运动和--个竖向运动，并把它记录在同一张记录纸上，而电流计记录式仪器是多道记录仪，可以把同时测量到的若干测点的各个方向的运动记录在同一张记录纸上。因此尽管记录波形是落在同一张记录纸上，也尽管记录波形相对其零线来说似乎只有上方和下方之分，但实际上这些波形却代表着空间不同测点的一个特定方向的运动情况，在记录处理和分析时，必须首先根据记录上的注解，予以区别对待。

通常习惯于把记录的起点放在记录的最左侧，随后按照时间的先后，波形逐渐向右开展，记录的终点落在最右侧。地震发生后，从震源发出的直达P波(直达纵波)走的路程最短，波速最快，往往首先到达观测点，由于它携带的能量较小，所以一张完整的观测记录，应该首先记录到一系列具有较小幅值的波形。随之而来的是从震源发出的直达横波，它集中了地震波中的主要能量，在观测记录上表现为紧接在P波后面的、振幅较大的波形 (称主振段)。持续一段时间后，记录波形将逐渐衰减，直至终了。在中远距离上，在S波之后还会有面波到达，成为主振段。总之，在一张完整的记录图上，应能看到一系列强弱不同的、由弱到强、再由强到弱的波形变化，显示了来自不同途经的、不同频率的波的叠加，在地震学中称为不同的震相。由于在强震观测中，通常采用自动触发系统，首先到达的P波往往消耗于仪器的触发启动上，在记录图上就显示不出来，强震观测中 67

称此为丢头。丢头部分的长度 (即时间)取决于仪器性能。为了能够完整地把主振段记录下来，先进的仪器都有20-30秒延迟预存储功能。

一张典型的强震加速度记录图，除了应该包含完整的振动波形外，还应该包含下列内容，固定基线，时标以及各线道的灵敏度。

固定基线通常是由光源照射到设在记录器内部的固定镜片上经反射后，在记录纸上得到的光点轨迹。当记录纸在记录器中仅作一个方向的直线运动，没有相对记录器的横向运动时，固定基线应该是一条直线，如果记录纸发生不规则的横向走动，记录到的固定基线将不再是一条直线，这时固定基线的波形，正好反映了记录纸相对记录器的横向不规则运动，记录纸的这种不规则运动也会掺杂到记录波形中，形成强震加速度记录中的杂音。有了固定基线后，可以把记录中的这部分杂音分离出来。

关于时标和灵敏度的概念和作用，这里不再重复。

3.1.2 强地震动的主要特征读取

从一张强震加速度记录图上，可以获取哪些重要的、反映地震运动主要特征的参数呢?严格说来，强震记录中的任何一个微小的波形，都是反映了实际地震运动的情况，从信息的完整性来说，它们都是有着重要意义的。但对于这样的整体记录，它的性质很难为人们所了解，而且也难于和其他的地震运动记录进行比较，所以必须选择其主要的特征来进行研究。这些特征通常为:最大幅值，持续时间，主要振动的周期，以及反映地震运动对其他物体影响的反应谱和表示地震运动能量分布的富氏谱。前三个特征通常可以借助简单的直观分析法直接从记录上读取，后二个特征 (反应谱及富氏谱)是综合反映了前三个特征乃至于整个记录波形的影响，需要借助较为复杂的解析方法算得。

3.1.3 强震加速度记录的直观分析

(1) 最大振幅的读取

从原则上讲，只要知道仪器的灵敏度，量取记录的最大幅值后，便可立即算得最大振幅。但在具体测量时，应该注意下述问题，

1）从每一条记录上量得的最大振幅，只是表示测点在整个运动中沿所测方向的最大振幅运动，而并不一定是测点实际运动的最大振幅!当某方向出现最大振幅的时刻，也并不一定是测点实际运动达到到最大振幅的时刻。为了获得测点空间运动矢量的最大幅值，必须根据三个互相垂直的运动分量记录，判断最大矢量振幅最可能出现的区域，然后对此区域的每个瞬时，求出相应矢量的幅值，通过求空间矢量模的方法，可求出各个瞬时的运动矢量振幅，经比较后可得到最大的矢量振幅。这种求运动矢量最大幅值的方法虽较合理，但比较麻烦。通常也采用直接取每个分量的最大振幅平方和之开方来表示，这样算得的结果比较保守，可是简便易行。

2）在每条记录上读取振幅时，是取从零线到峰 (或谷)的振幅，还是取峰一峰的一半。如果在记录上标记有明确和可靠的零线时，当然应该读 68

取从零到峰 (或谷)的振幅作为振幅的读数，但实际记录中，往往没有或者无法确定这种零线的标记，或者零线定得不可靠，那么就不能采用这种方法了。这时如果记录上的振幅变化不是明显地不对称 (如结构上的观测记录)，则也可以读取峰一峰的全偏离值，并取其一半，作为振幅比较合适。当记录中的波形变化较为复杂 (如基岩上的记录)，究竟怎样读取最大幅值，就需要作专门的判断。

3）在量取振幅值时，如果记录波形的迹线较粗，即波形迹线的宽度相当大时。应取迹线的中心线作为测量的依据。这一点对于振幅较小，记录迹线较粗的运动记录来说比较重要，否则将会造成数据的很大离散。

3.1.4 强震加速度记录的调整和校正

一张从强震仪测得的模拟记录，或者经过数字化后得到的数字记录中，既包含了大量的有用信息，也混杂了各种干扰，为了对记录进行中肯的分析，确保精度，应该在可能的条件下，在尽量宽的频率范围内，把记录中的干扰和误差减少到最低的水平，使从模拟记录中取得的信息，尽可能如实地保留下来。为了达到这个目的，还必须对数字化后的记录进行调整和校准。调整是指对己经数字化的地震记录 (包括信号和杂音)中时标、固定基线形状和零线等进行调整，使它变成更便于作进一步分析计算的具有统一形式的数字化记录。在调整过程中，对己数字化了的记录中包含的信息和干扰使数字记录具有更合理的统一的标准形式而已。校准是指对调整后的记录，进行仪器振幅一频率响应失真和记录零线长周期失真的校准。在校准过程中，将使误差和干扰得以排除，失真的信号得以恢复，有时甚至为了压制一部分干扰的影响，还必须舍弃一部分相对来说用途较小的信息。

(1) 强震加速度记录的零线调整

1) 零线调整的意义

在对模拟记录数字化时，应尽可能地如实反应实际地震记录中的各种信息。因此，必须精确地读出记录曲线上每一点的纵坐标值和横坐标值。但由于在实际记录中，并不包含零线，而且由于种种原因，例如记录纸在传动机构中的横向走动，感光介质在各种化学溶液中经浸泡和凉干后的变形等，将使加速度记录零线的形状变得十分复杂，因此强震记录的实际零线位置，包含了许多不确定的因素，使确定零线变得更加困难。通常总是人为地去假定一条直线作为近似的零线，以此为基础对模拟曲线逐点读数，然后再对假定的零线进行调整和校准，使得到的数据误差最小。

强震加速度记录的零线位置定得是否正确，对记录的精度有着重要的影响，这种影响表现在两个方面。首先它直接影响记录的纵标值，从而造成从加速度记录积分位移曲线的严重误差。其次，它还使记录的频谱组成受到“污染”，掺进了虚假成分。比如人为确定的零线和实际零线有一个固定的偏移α(即假定人为的零线和实际的零线互相平行)，则对于真实的加速度记录f(t)来说，等于迭加了一个常数α，使加速度变为α+f(t)。假如 69

记录的持续时间为T，则由此算得的富氏谱，将在真实的富氏谱F(ω)上迭

ωTωT/加了一个相当时域上为矩形αT的富氏谱αsin；如果选取的零线为22

一个倾斜的直线at，则F(ω)将受到一个相当于锯齿波函数的富氏谱α/ω2的干扰。

2）零线调整的方法

零线调整的主要任务在于消去由于记录纸横向走动 (由固定基线给出的信息表示)和读数器本身的系统误差，以及数字化过程中由于读数器X轴与记录曲线零线不一致所产生的偏差。

为了估计零线的位置，通常可根据仪器触发前的记录线位置和在记录尾部加速度趋于零时的迹线位置画出一条直线，并把它近似地看作记录的“零线”。数字化时，可以用目测的方法，令读数器的X轴和此零线大致平行。然后开始对记录曲线以及同一张记录上的固定基线读数。可想而知，此时的X轴和近似零线之间除了存在一个平行移动b外，还存在着一个转动(用转角a表示)。由此读得的数据，也自然包含了X轴的这一平动和转动的影响。但若从记录的读数中减去固定基线的相应读数，既可以消除因记录纸横向走动和读数器系统误差所产生的影响，也可以消除因读数器X轴与记录零线间存在转角所产生的误差。因此在减去固定基线后的记录读数中，将只剩下一个相对近似零线的平移差别了。固定基线与记录曲线的真正零线还相差一个固定的常数b。，也即两者是平行的。

通常采用所谓零终速度法即根据地震运动最后的速度应为零的条件，可以消除这个平移量。 ??

设减去固定基线读数后的加速度记录读数为X(t)，若以记录曲线的真零线为坐标时得到的记录读数为X(t)，则对所有的X(t)和X(t)必有下述关系，

??????????X(t)=X(t)+b

则真速度值为(假定初速度为零)

X(t)=∫X(t)dt=∫[X(t)?b]dt 00?t??t??

终速度为

X(T)=∫X(t)dt?bT 0?t??

根据条件，终速度X(t)=0，可得 ?

70

1b=T∫T??

0X(t)dt ????这样便可根据读数X(t)算出b，可进一步得到实际的加速度记录X(t)。用

这种方法得到的零线位置，它可使位于零线上方的加速度曲线所包含的面积和位于零线下方的加速度曲线包含的面积相等。

采用零终速度法调整零线时，曾假定了地震运动的初速度为零。这个条件可近似认为合理，但是由于实际加速度记录往往丢头，因此对丢了头的加速度记录来说，对应起点的速度值一般不可能为零，所以零终速度法也有一定的局限性。由此产生的干扰，可在零线校正时给以消除。

（2） 强震加速度记录的零线校正

1） 零线校正的意义

除了记录纸横向走动和读数器的系统误差和它的X轴与实际零线不符合会导致记录零线偏离外，还有一些其他因素，如读数时的随机误差，记录纸的畸变等，也会结记录零线带来各种高频和低频的干扰。这些干扰也同样会给记录分析，特别是对记录的积分和微分运算带来严重的影响。由于信号上迭加了高频干扰，导致记录曲线的斜率(微分)发生显著变化。由于信号迭加了这种长周期漂移，尽管对记录曲线的斜率 (微分)影响很小 (同一横坐标处的切线几乎平行)，但对记录曲线包围的面积即它的积分有明显的影响。

由于高频随机杂音的幅值要远低于低频漂移的幅值，对加速度记录来说，施行两次积分求得位移时，低频漂移的影响更为显著，所以对零线的校正主要限于对长周期干扰的校正。

2）零线校正法

这里介绍三种零线校正的方法，即零终值条件法，最小均方速度法和数字滤波法。

① 零终值条件法——ETO法 (End Time Zero Technique)

由于各种随机干扰，无法确定确切的零线，便假定它是一根高次曲线，

若原来的加速度记录读通常假定它是一根三次曲线，A0+A1t+A2t2+A3t3，

??

数为X(t)，则校正后的加速度应为:

X(t)=X(t)+A0+A1t+A2t2+A3t3

由初值条件（初始位移、速度、加速度为0）和终值条件可以决定这四个参数的值。进一步可得到校正后的速度和位移值。

ETO法的主要特点是采用零终值以及零初值条件。这种方法看来对爆破 71????