第30卷第3期 2 0 1 0年6月 大地测量与地球动力学 JOURNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICS Vol_3O No.3 June,2010 文章编号:1671-5942【2010)0343047434 强震动加速度记录基线校正问题探讨 郑水明 周宝峰 ’ 温瑞智。’ 王 岚 , ’ 430071 、 /,1)中国地震局地震研究所,武汉l 2)武汉地震工程研究院,武汉430071 \3)中国地震局工程力学研究所,哈尔滨 l150090 摘 要 针对汶川Ms8.0地震中3个典型的加速度基线漂移特性,分别采用基线初始化法、1wan法及低频滤波法 进行了基线校正。通过校正,基本消除了加速度记录中的低频噪音干扰,使基线大致回到了零线。通过实例分析 了3种校正方法存在的问题。 关键词 强震动加速度;低频;an速度时程;基线漂移;基线校正 中图分类号:P315.63 文献标识码:A DISCUSSION ON BASELINE CORRECTIoN oF STRoNG MoTIoN DATA Zheng Shuiming ' ,Zhou Baofeng ,Wen Ruizhi )and Wang Lan , ) r1)Institute ofSeismology,CEA,Wuhan 430071 3)Institute ofEngineering Mechanics,CEA,Harbin 150080 、 f 2)Wuhan Institute ofEarthquake Engineering,Wuhan 430071 l Abstract The sources of some primary low frequency noise effecting on strong motion acceleration are ana— lyzed.To remove the noise,three schemes of baseline correction are introduced,and the effect of the schemes on the velocity and displacement time series integrated the processed acceleration is pointed out.Apply the schemes, three typical accelerations of Wenchuan Ms8.0 earthquake are corrected,and some questions are also put forward f0r the consideration of baseline correction. Key words:strong motion acceleration;low frequency;acceleration time series;baseline shift;baseline correction 1前言 强震仪记录的不仅是地震时纯粹的地震地面运 动信息,还包含有复杂的噪音,其中的低频噪音会导 致加速度时程基线出现漂移…。基线漂移对加速 度时程本身可能影响很小(一般不超过峰值加速度 值的2%),但通过积分求速度、位移时程时,漂移被 逐步放大,从而对速度、位移时程产生很大的影 基线校正。为此,我们将用基线初始化法、1wan法 及低频滤波法对汶川地震3个典型的加速度基线漂 移进行改正,并探讨其改正效果。 2加速度记录基线漂移的根源及其影 响 对于数字强震仪记录而言,导致加速度记录基 响 。因此,在使用加速度记录时,一般需要进行 收稿日期:2009.12-31 基金项目:中国地震局地震研究所所长基金(IS200756050) 作者简介:郑水明,男,1978年生,硕士,工程师,主要从事地震工程开发工作.E—mail:zhengshuiming20@sohu.con 大地测量与地球动力学 30卷 线漂移的根源主要为仪器记录过程中产生的误差, 如传感器的磁滞现象和背景噪声,以及传感器的倾 斜等。对于模拟强震仪记录,还存在仪器分辨率有 限等产生的干扰 。 传感器的磁滞效应主要是由于传感器的物质疲 劳所产生的。1wan对美国凯尼公司生产的FBA一 13传感器进行测试时发现,当加速度小于50cm/s , 传感器的输出基线变化很小,但超过这个值后基线 会突然变动,致使积分后的位移时程发生明显的漂 移 。 传感器倾斜主要发生在地震近场区强震观测 台。由于地震时地面的强烈运动,观测场地可能发 生不均匀变形、滑移,致使传感器倾斜,倾斜可能导 致加速度基线严重漂移。相对于垂直向记录而言, 倾斜对水平记录的基线的影响更大_3'7_。 背景噪音的主要特征是频率丰富的随机波形, 与记录场地条件密切相关。背景噪音导致加速度记 录的初始值不为零,从而对加速度基线产生影 响 , 。 强震仪分辨率不足对基线漂移可能会产生不小 的影响,也会导致波形在一定程度上的变形,其上限 一般不超过分辨率的一半 J。分辨率不足主要存 在于模拟强震仪中,典型的模拟记录最大分辨率是 2 cm/s ,而4-2g量程、12位数字强震仪的分辨率是 1 cm/s ,24位的分辨率则为0.0002 cm/s 。 3基线漂移校正方法 目前,加速度时程基线校正大致有3种方法。 1)基线初始化。从加速度记录中减去震前记 录平均值,对于没有震前记录的加速度记录则减去 整个记录平均值。对于复杂的基线漂移进行处理, 其结果可作为进一步校正处理的基础。 2)对加速度时程用方程或积分求得的速度时 程进行拟合,然后对应地从加速度时程中减去拟合 方程或拟合方程的微商。方程形式一般为分段线性 方程或二次方程,常用的为1wan法及v0法 。 1wan法基本思路是将整个加速度时程分为3 段,中间一段代表由磁滞效应引起的基线偏移发生 在强震部分,并且认为在同一段内基线的偏移是一 个常量,用速度时程基线的斜率来表示加速度基线 的偏移量。依分段方法的不同,1wan法分为两种 (图1)。 (1)1wan法① 1)计算加速度时程震前部分的平均值,整个原 始加速度时程均减去这个值后积分求得速度时程。 2)选取t 、t 时刻为分界点,将整个速度时程分 为3段,ts为加速度时程结束的时刻,其中t 、t 分 别为加速度首次和最后一次超过或达到50 cm/s 的对应的时刻。然后用直线拟合t:~f,时间段的速 度时程,口,为该直线的斜率,并从相应时段的加速 度时程中减去0,。 vs(t)= + (1) 3)在加速度时程的中问段(t ~t )减去相应速 度时程拟合直线的斜率a 。a 确定原则是使加速 度时程基线校正后积分得到的速度时程的末尾速度 为0。当t:点的速度a (t 一t )等于步骤2中拟合 直线在t 点对应的速度值vi(t:)即可满足要求,即 vi(t2)=am(£2一t1)。 (2)1wan法② 方法①中t 是从对基线偏移的物理机制考虑 而确定的,其实在加速度首次超过50 cm/s 的时刻 t 和加速度时程的终了时刻tz之间,有很多点都能 够象t 一样满足最终速度为零的条件,如果 2在tl 和矿之间自由移动,则相应地得到的最终位移在一 个很大的范围内变化。为此1wan等人提出了第二 种基线校正的方法,和方法①不同之处在于在t。和 ts之间选取t ,使积分求得的位移时程的最终位移 最小,满足该条件的t 可通过下式求得,值得指出, 这种选择t,的方法没有理论根据。 (2Votf+ 一rot1)一2Du ̄o /,'、 + 一 %+ 1 , D =。, D一 一0.5vs(t2)(t2一t1)+vz(t2)(tz—t2)+ 0.5az(te—t2) (3) 式中,D一,和D…分别为由未经过基线校正的加速 度时程二次积分求得的位移时程的最终位移和经过 基线校正的加速度时程对应的位移时程的最终位 移。 Boore等人 用1wan法对集集地震加速度记录 进行基线处理后发现,t 的选择对地面永久位移影 响较大(图2)。因此,Boore等人对1wan法进行了 修改(图1),步骤如下i 1)计算记录从零时刻至地震波初达时刻t 时 间段的加速度平均值,整个加速度记录减去平均值。 2)积分第一步校正后的加速度记录,获得速度 时程。 3)从t 至记录结尾用二次方程对速度时程进 行拟合,方程为 =c (t—t )+c (t—t ) 。方程 如此选择是为了满足t=t 时,初始速度值为0。 4)第一步校正后的加速度记录从t。至记录结 尾减去第三步拟合方程的微商,c +2c (t—tp)。 对于没有事前触发的加速度记录,这种方法的 初始速度为0,条件无法满足。因此,对拟合方程进 第3期 郑水明等:强震动加速度记录基线校正问题探讨 49 行了修改。对减去整个记录平均值的加速度时程进 行拟合,方程为 =c。+c t+C2t ,然后用减去整 时序中加入了足够长的零段。 滤波过程中,加速度信息会被引人新的噪音信 个记录平均值的加速度时程减去方程的微商。 对于记录时间较长的加速度,利用方程拟合进 行基线校正时,拟合方差可能会很大,导致部分的记 录信息严重失真。 图1 1wan法(实线)及Boor等基线校正(虚线)示意图 Fig.1 Sketch of baseline correction under 1wan scheme (real line)and Boor scheme(broken line) 蓉 \ 图2 1999年台湾集集地震TCU129台EW向加速度经 不同t:选择的1wan法、基线初始化及截止频率为 0.02 Hz低频滤波分别进行基线校正后积分获得 的位移时程 Fig.2 Displacements obtained by double integration of the EW component of acceleration recorded at TCU129 and modified using baseline corrections of remove mean only,quadratic ift to velocity,low—cut fih on— ly =0.02 Hz)and 1wan scheme t2=30 S,50 S, 70 S 3.3低频滤波【8,9 J 低频噪音是导致加速度基线漂移主要原因,利 用低频滤波处理,能有效地清除其对加速度基线影 响。Trifunac 首次提议利用低切滤波对低频信号 导致的加速度时程基线漂移进行校正,但过程很复 杂。Converse and Brady 对其进行了改进,在记录 号,并且部分长周期信息或地面永久位移信息也可 能会被滤掉 ’m 。 实际工作中,为尽可能地消减记录中的低频噪 音,可以将这3种方法相互结合进行基线校正。 3.4基线校正处理效果判断 基线校正效果可以用来大致衡量的方法有3 种。 1)用速度时程最终速度是否为零来衡量校正 处理效果。地震过后,地面运动终止,因此最终速度 为零,有时也可以分析积分求得的位移时程的合理 性来进行衡量。 2)地震过后,地面运动终止。因此,对于有地 震事后记录的加速度,其位移时程震后的部分应与 基线平行。 3)参考台站附近GPS测得的同震变形,衡量位 移时程中的永久位移值。使用这种方法时,要了解 GPS测得的同震变形中是否含有震后场地的蠕变变 形。 4汶川地震加速度记录基线漂移校正 汶川Ms8.0地震中,由于噪音干扰,某些台站 记录的基线出现较为明显的漂移。图3~5中未校 正的记录曲线为此次地震中3条较为典型的加速度 基线漂移记录。针对这3条记录各自基线漂移特 性,分别选用了上述3种不同的基线校正方法进行 校正。 图3为四川大邑台基线校正前、后的加速度记 录图。从图中可以看出,虽然原始加速度时程基线 偏离零线,但与零线基本平行。针对这类记录基线 的漂移校正,用基线初始化进行即可获得很好的效 果。 图4为安徽六安台基线校正前、后的加速度记 录图。原始加速度时程基线明显呈线性漂移,对于 这类记录基线的漂移,用线性方程拟合加速度时程 的方法比较合适。 图5为湖北恩施台基线校正前、后的加速度记 录。原始加速度时程中存在很明显的长周期干扰噪 音,这类记录基线的漂移,只能采用低频滤波进行校 正。 在汶川地震加速度记录中,许多加速度记录基 线漂移不具有上述记录的明显特征,其校正一般需 要采用3种方法进行组合使用,才能达到基线校正 的较好效果。 50 Ⅱ。\ 大地测量与地球动力学 最鞭 ⅡI。\ 曩 甚\ 最鞍 \ 30卷 loo 50 O -50 .100 50 0 IllIlII III』ILl‘I-.I …………一 町 _5O 0 20 40 60 8o 100120140l60 l8020022024026028o f/S 图3汶川地震大邑台EW向基线校正前、后的记录曲线 Fig.3 Uncorrected and corrected EW component of accel— eration of Wenchuan Ms8.0 earthquake at Dayi sta— tion l 0.5 O -0.5 .1 .15 0 40 80 120 160 20o 240 280 320 t,s 图4汶川地震六安台EW向基线校正前、后的记录曲线 Fig.4 Uncorrected and corrected EW component of accel— eration of Wenchuan Ms8.0 earthquake at Liuan station ; 4 6 4L L r 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 25 t/s 图5汶川地震恩施台基线校正前、后的记录曲线 Fig.5 Uncorrected and corrected EW component of accel— eration of Wenchuan Ms8.0 earthquake at Enshi station 5结论 1)基线校正处理没有固定模式,需依据各记录 基线漂移的具体特性而定。 2)用拟合方法进行基线校正时,存在一定的拟 合误差,会导致部分地震信息失真。 3)用低频滤波方法进行基线校正时,会丢掉低 频滤波频段的地震信息,即部分长周期信息会被滤 掉。而长周期地震信息对大跨度桥梁、管线工程等 抗震计算十分重要,因此,在选择低频滤波进行基线 校正时,需考虑加速度时程的用途。 4)加速度记录的低频造影干扰复杂且无明确 的规律,基线校正不可能完全清除这些噪声的干扰。 从图5可以看出,校正后的恩施台EW向加速度记 录基线基本上与零线重合,但时程曲线中仍然存在 幅值很小的高频干扰。 参考文献 l谢礼立,于双久.强震观测与分析原理[M].北京:地震出 版社,1982.(Xie Lili and Yu Shuan ̄iu.Strong motion ob— servation and analysis theory[M].BeOing:Seismological Press,1982) 2 David M Boore and Julian J Bommerb.Processing of strong. motion accelerograms:needs,options and consequences[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2005,25:93— 115. 3 Boore D M.Effect of baseline corrections on response spectra for two Recordings of the 1999 Chi—Chi,Taiwan,earthquake [R].USA Geological Survey,1999. 4 David M.et a1.Comments on baseline correction of diigtal strong—motion data:examples from the 1999 Hector Mine, California,Earthquake[J].Bulletin of the Seismological So— ciety of Ameirca,2002,92(4):1 543—1 560. 5 Sinan Akkar and David M Boore.On baseline corrections and uncertainty in response spectra for baseline variations commonly encountered in digital accelerograph records[J]. Bulletin of the Seismological Society of America,2009,99 (3):1 671—1 690. 6 1wan D,et a1.Strong motion earthquake measurement using a digital acceleorgraph[R].The National Science Foundation, 1984. 7 Vladimir M and Graizer.Effect of tilt on strong motion data processing[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2005,25:197—204. 8 Converse A M.BAP:Basic strong-motion accelerogram pro— cessing software,version 1.0,U.S.Geo1.Surv.Open-File Rept.[R].92—296. 9 David M Boore.On pads and fihers:processing storng—mo- tion data[J].Bulletin of the Seismological Society of Ameri— ca,2005,95(2):745—750. 10 Guergana Mollova.Effects of digitla filtering in data pro— cessing of seismic acceleration records[R].Hindawi Pub— lishing Corporation EURASIP Journal on Advances in Sig— nal Processing,2007.