地震观测基础知识课件.pptx

1、CDSN 1960 1970 1980 1990 2000我国地震观测以模拟观测为主： 400多有人值守台站 200个区域遥测子台我国数字地震观测迅速发展： 1000个数据传输台站 200套应急流动观测设备 600套科学观测台阵数字地震观测起步数字观测快速发展模拟观测台网全国地震数据分析处理系统（837工程）为大震速报和快速响应提供实时观测数据和依据实现动态监测震情，为地震预报提供基本信息监测地下核试验为地震学基础研究提供基础数据全球每年发生地震的数量自由振荡地震面波地核地幔非均匀性各向异性全球地震活动性地方地震活动性近地震波勘探体波现代地震学的频率范围，以及有关研究对象的带宽和动态范围。影响

2、地震观测的环境因素地震观测台站的背景噪声限制了台站地震观测能力的提高风、寒潮、海浪、交通运输、人和动物的活动等地球背景噪声谱美国USGS的J.Peterson及其研究小组观测和研究了全球正常地球背景噪声，确定地球高噪声新模型NHNM和地球低噪声新模型NLNMJ.Peterson 1993 海拉尔地震台(CDSN)台基噪声谱（J.Peterson 1993） 白家疃地震台(CDSN)台基噪声谱（J.Peterson 1993） 乌鲁木齐地震台(CDSN)台基噪声谱（J.Peterson 1993） 地球噪声模型NLNM J.Peterson 1993NHNM J.Peterson 1993德国G

3、orleben附近在地表（上）和井下300米处（下）的噪声记录所得的速度功率谱密度环境背景噪声（包括海洋噪声）主要表现为面波，其幅度随深度呈现指数衰减的特点。在地表以及井下不同深度的地震计阵列所得到的短周期地震噪声记录（左）和信号记录（右）台基噪声水平分级观测点与干扰源之间的距离台基噪声测试与计算干扰源最小距离km最小距离比例系数级环境地噪声台站其他级别环境地噪声台站硬土和砂砾土基岩级（含级）以上铁路2.002.502.000.800.600.40县级以上（含县级）公路1.301.702.000.800.600.40飞机场3.005.002.000.800.600.40大型水库、湖泊10.00

4、15.003.000.100.040.02海浪20.0020.008.000.200.100.05采石场、矿山2.503.002.000.800.600.40重型机械厂、岩石破碎机、火力发电厂、水泥厂2.503.002.000.800.600.40一般工厂、较大村落、旅游景点0.400.402.000.800.600.40大河流、江、瀑布2.503.004.000.600.400.20大型输油输气管道10.0010.002.000.600.400.2014层（含）以上高大建筑物0.200.202.000.500.300.106层（含）以下建筑物高大树木0.030.042.000.800.600

5、.40高围栏、低树木、高灌木0.020.032.000.800.600.40注1：N级台站与干扰源之间最小距离=级台站与干扰源之间最小距离N级台站最小距离比例系数；注2：大型水库、湖泊：指库容量1010m3的水库、湖泊；注3：重型机械厂：指有大型机械、往复运动机械的工厂；注4：一般工厂：不产生明显振动感的工厂；注5：地震台站与713层建筑物的最小距离根据地震台站与6层和14层的最小距离按层数内插。宽频带或甚宽频带观测台站设计示意图 主体建设在地下，并采用了双层保温措施，具有风干扰小、温度变化小的特点型号频 带生产厂家备注FSS-31Hz 40Hz北京港震机电技术有限公司短周期地震计FBS-30

6、.05Hz 40Hz宽频带地震计BBVS-600.017Hz 40Hz宽频带地震计DS-4A1Hz 50Hz北京市地震局短周期地震计CTS-10.0083Hz 50Hz中国地震局地震研究所甚宽频带地震计JCZ-10.0028Hz 50Hz超宽带地震计STS-20.0083Hz 50Hz甚宽频带地震计CMG-1T0.01Hz 50Hz英国GRALP公司可选规格：0.0027Hz10Hz或其它CMG-3T0.01Hz 50Hz可选规格：0.0027Hz50Hz或0.0083Hz50Hz或0.0333Hz50HzCMG-3ESP0.01Hz 50Hz可选规格：0.0083Hz50Hz或0.0333H

7、z50HzCMG-40T0.033Hz 50Hz可选规格：0.0083Hz50Hz或0.0188Hz50Hz或 0.05Hz50HzS-13J1Hz 100Hz美国Geotech公司机械摆，短周期地震计KS-20000.01Hz 50Hz宽频带地震计KS-540000.003Hz 16Hz加速度输出观测频带对记录信号的影响与速度成正比的宽带数字记录波形，为MOX台站记录的内华达核试验场的一次地下核试验。正的初动位移在记录BB中清晰可见，尽管信噪比很低。EDAS- 24IP功能框图DAC ADC命令转发模拟信号采样示意图 频域时域频率混叠示意图ADC逐次比较式模数转换器 Delta-Sigma

8、ADC1bit 码频谱与数字滤波器频率特性差分非线性积分非线性零位漂移增益误差ADC非量化误差地震观测系统的时间特性 地震数据采集需要计时时钟来驱动，保证在采集数据中有时间标识一般采用协调世界时（UTC）现代的地震数据采集器都配置了内部的计时时钟，以及标准授时信号输入接口或内置GPS接收机GPS接收机或外置的其他标准时间设备用来提供标准时间信号，以便随时修订数据采集器内部的计时误差地震观测系统 人工值守地震台 电信传输遥测地震台网 数字地震观测台站 数字地震观测台网人工值守地震台设备配置示意图 模拟遥测地震台设备配置示意图电信传输遥测台网中心设备配置示意图 电信传输遥测台网中心自动数据采集系统

9、示意图 数字地震观测台网示意图 数字地震观测台站示意图 国家地震台网台站设备配置示意图 线性动态系统和传递函数线性动态系统的概念傅立叶变换与拉普拉斯变换线性动态系统传递函数离散时间系统Z变换线性、时不变离散时间系统的传递函数线性动态系统的概念动态系统即时系统，无记忆系统线性系统 叠加性 放大性时不变特性时不变线性动态系统的特征 微分特性 因果性傅立叶变换如果f(t)在区间（0，）上满足狄利克里条件（即f(t)存在有限个间断点和极限值），并且积分 收敛（或称f(t)绝对可积），则为f(t)的傅立叶变换。并有式中为角频率，傅立叶变换建立了时域和频域的对应关系。dtetfFtj)()(dttf)()

10、,0()0(),()(21tftftfdeFtj在连续点在间断点拉普拉斯变换0)()(dtetfsFstjjstdsesFjtf)(21)(正变换逆变换线性动态系统传递函数nnnnmmmmasasasabsbsbsbsXsYsH11101110)()()(对于一个稳定的线性动态系统，它的传递函数可以用一个有理分式形式的函数来表达： 传递函数的分子多项式的根称为它的零点，分母多项式的根称为它的极点。传递函数零点、极点的分布表征了系统的动态特征。 一个稳定系统的传递函数的非实极点和非实零点可能成对出现，互为共轭复数，极点位于s平面的左半平面。D=0.3D=0.707D=1.512)(22Dssss

11、H归一化的摆的二阶传递函数示例D=0.3D=0.707D=1.5121)(2DsssH归一化的摆的二阶传递函数示例离散时间系统时间离散信号：模拟信号经过采样后的序列离散时间系统：将输入序列变换成输出序列的一种运算 时不变系统：系统的变换关系不随时间变化线性性质：满足叠加原理 因果性：系统n时刻的输出仅取决于n时刻和n时刻以前的输入 Z变换nnznxzX)()(nnznx)(序列x(n)的z变换定义为 收敛的充分必要条件为 线性、时不变离散时间系统的传递函数 MkkNkkknxbknya00)()(MkkkNkkkzbzXzazY00)()(NkkkMkkkzazbzXzYzH00)()()(用

12、常系数线性差分方程来表示系统的输入输出关系： 当系统初始状态为零时，取z变换：系统的传递函数为：NkkMkkzdzcAzH1111)1 ()1 ()(传递函数的零极点表达： 离散时间线性时不变系统的传递函数完全由它的零点、极点及常数A来决定。对于一个稳定系统，其极点应全部位于z平面单位圆内部。 传递函数示例MkkzkhzH0)()(FIR数字滤波器：上图为线性相位系统；下图为最小相位系统。FIR数字滤波器示例数字滤波器示例1111zessT2216006)(ssksH309779.12542477796. 9j200001sT2119990579662. 09990185065. 11)(zz

13、kzHfr幅频特性dBHzHzdB传递函数的表达方式与频率特性计算线性动态系统传递函数的表达方式根据线性动态系统传递函数计算频率特性线性时不变离散时间系统传递函数的表达方式根据线性时不变离散时间系统的传递函数计算频率特性线性动态系统传递函数的表达方式示例：JCZ-1型超宽频带地震计BB通道的传递函数)()()()()(52512424123231222212121122KsKsKsKsKsKsKsKsKsKsKmssH式中，K=1000Vs/m，m=2.42061020，K11=0.024682，K12=0.00030462， K21=533.15，K22=142122，K31=667.60，

14、K41=488.72，K51=178.88， K32=K42=K52=119422。常数项零 点极 点2.420610230-0.012342j0.0123420-266.57j266.57-333.80j89.440-244.36j244.36-89.440j333.80传递函数的零点、极点表达：根据线性动态系统传递函数计算频率特性已知系统的传递函数H(s)可以直接令s=j代入H(s)来计算频率特性： jssHjH)()(f2)(jH)(argjH幅频特性：相频特性：线性时不变离散时间系统传递函数的表达方式IIR数字滤波器传递函数的一般表达： MkkkNkkkzazb)z(H101FIR数字滤波器传递函数的一般表达： 10)()(NnnznhzH根据线性时不变离散时间系统的传递函数计算频率特性数字滤波器频率特性的计算在z平面的单位圆上进行：jezjzHeH)()(sff2)(jeH)(argjeH幅频特性：相频特性：