软件开发及强震数据分析范文

摘要

利用Matlab平台，设计一款用于强震数据处理的Wave-site软件，与在用软件相比，增加台站场地响应计算等功能，并提供多种基线校准和场地响应计算方法作比较分析。应用该软件研究了三山强震台场地响应与震级的关系，数据表明，地震S波放大因子大于地脉动，且随震级升高而增大。

关键词

Matlab；Wave-site软件；强震动记录；基线校准；场地响应

强震研究不仅为地震区划、抗震设防和应急救灾提供科学依据，也在地震动衰减关系、反应谱特征参数统计等地震工程研究领域发挥着重要作用（詹小艳，2014）。理论研究和震害调查表明，场地条件对于地震动特性和震害评估具有重要意义（Hiroshi，2004），利用强震观测资料分析强震台站场地的放大效应十分必要（Nakamura，1989）。安徽强震动台网（包含9个台站）自2007年1月运行以来，获取多条强震记录。随着“十二五”建设，安徽强震台站数量将剧增至61个，均采用实时网络通信。然而，强震分析软件功能比较简单，无法实现各种情况下记录曲线的基线校准（郑水明，2010），也无法进行场地响应计算（David，2002）。目前，已有使用Matlab平台进行强震数据处理的做法（曹加良，2009），但可视化操作不强，难以推广应用。利用Matlab平台开发设计Wave-site软件，用于强震记录的基线校准和台站的场地响应研究，具备傅氏谱计算和数据输出功能，为强震数据的广泛应用做准备。

1系统设计

Matlab平台拥有大量工具箱和丰富的库函数，适于数据处理。Matlab可视化功能强大，方便制作各种绘图。同时，MatlabGUI界面控件较多，程序编写简单，软件可编译为独立于Matlab环境运行的C程序（安装MCR环境）。Wave-site软件通过GUI界面进行设计（图1），采用Matlab内部算法进行数据处理，软件参数配置见表1。

2系统功能

2.1基线校准强震加速度记录基线校准方法有基线法、Iwan法和低频滤波法。基线法是从加速度记录中减去震前地脉动平均值，无震前记录则减去整个记录的平均值。对复杂的基线漂移进行校准，其结果可作为进一步处理的基础。当峰值加速度超过50cm/s2时，可以采用Iwan法。该方法基本思路是，将加速度时程分为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，且认为在同一段内基线偏移是一个常量，用速度时程基线斜率表示加速度基线偏移量。使用滤波方法，能有效清除低频噪音对加速度基线的影响，但加速度信息会被引入新的噪音信号，部分长周期信息和地面永久位移信息也可能被滤掉。实际工作中，为尽可能消除记录中的低频噪音，可以将3种方法相互结合使用。图2为分别采用基线法（左图）、Iwan法（右图）得到的加速度曲线图。

2.2傅氏谱计算应用Matlab内部离散FFT计算方法，对校准后的加速度曲线进行傅氏谱计算，并在软件主界面的坐标图内显示出来。

2.3场地响应计算场地响应计算方法有H/V谱比法、Atkinson法和Moya法，其中强震研究常用H/V谱比法。Nakamur（a1989）利用井下记录数据证实HB/VB≈1，其中HB、VB分别代表基岩场地（下角标为Bedrock缩写）观测资料的水平向和垂直向傅氏频谱。而Lermo（1993）利用基岩为参考点也证实此值近似于1。因此，场地响应可表示为此为H/V谱比法经验关系式，其中HS和VS为土层场地（下角标为Soil缩写）观测资料的水平向和垂直向傅氏频谱。公式（1）表明，只需在地表测量3个分量就可计算出场地传递函数。在实际研究中，通常采用H/V谱比法计算台站场地响应。

2.4其他功能Wave-site软件支持数据输出，包括傅氏谱数据和场地响应数据，且使用者可以根据需要不断完善和扩充该软件的功能。

3应用实例

应用Wave-site软件，分别计算三山台两次强震记录及震前地脉动的场地响应。具体做法是：截取基线校准后的强震记录S波数据及地脉动数据（时间长度均为15s），应用Matlab内置FFT算法得到傅氏谱。为避免谱比失稳，对各分量傅氏谱幅值采用0.1Hz平滑窗，即200个采样点的平均进行平滑。采用origin7.0作图，计算结果见图3。在此将谱比值描述为场地的放大因子，从图3可以看出，三山台的谱比曲线具有较好的相似性。结合三山台场地条件，对比地脉动与S波谱比曲线，可以得出以下结论。（1）三山台地脉动和S波谱比曲线一致性好，在0.5—5s频段，场地响应相对较平坦。（2）由于覆盖层较厚，地脉动和S波谱比曲线相似性较好，曲线趋向一致，但场地的放大因子差距较大（表2）。地震S波放大因子大于地脉动，且随着震级升高而增大，可见土层场地对于地震的放大效应较明显。

4结束语

利用Matlab平台开发的Wave-site软件，具有功能全面、可持续升级等特点，适用于强震数据处理，具有推广价值。利用该软件计算安徽地区强震台站场地响应数据，并作为一项基础资料加入强震台站建台报告。近期考虑将此软件计算结果与手动计算结果进行对比，对软件计算过程进行优化，以期获得更准确的场地响应数据。

参考文献

曹加良.用Matlab软件内部函数校正强震记录的探讨[J].华南地震，2009，29（2）：88-94.

詹小艳，等.2012年7月20日江苏宝应M4.9地震加速度场的计算[J].地震地磁观测与研究，2014，35（3/4）：47-50.

郑水明，等.强震加速度记录基线校正问题探讨[J].大地测量与地球动力学，2010，30（3）：47-50.

作者：赵希磊 张学应 龙剑锋 李发 单位：安徽省地震局