【《地震波信号的特性和采集方法分析》4900字】

地震波信号的特性和采集方法分析目录TOC\o"1-3"\h\u12415地震波信号的特性和采集方法分析 116401.1地震波特性分析 134221.1.1地震波的类型 191171.1.2地震波传播特点 2204611.2地震检波器的合理使用 6277851.3检波器输出信号的滤波电路设计 91.1地震波特性分析弹丸落地时是一个复杂的力学过程会对土壤形成强烈的冲击和侵彻，从而引起周围介质在平衡位置震动并向远处逐步传播形成震动波，也即形成了地震效应[13]。1.1.1地震波的类型根据地震波在传播过程中所表现出来的特点地质研究者将其分为体波和面波[14,15]这两种，其中体波有横波（简称P波）和纵波（简称S波）之分，面波又分瑞雷波（简称R波）和勒夫波（简称L波）。体波是沿着地层较深处向远处传播的，是一种深层波，面波是沿着地层表面进行传播的，是一种浅层波[16]。在面波中，横波是指震动的质点在平衡位置做与波的传播方向相互垂直横向运动，具有周期长、振幅大、使介质发生剪切变形等特点，而纵波是指震动的质点在平衡位置做与波的传播方向相一致的纵向运动，具有传播速度快、振幅小、周期短、使介质发生压缩等特点。面波是由纵波和横波相互干涉和叠加产生的，面波中的瑞雷波运动方向为在波的法向平面内做逆时针椭圆运动，其具有频率低、衰减慢、振幅大的特点。勒夫波的质点在与震动波传播方向垂直的平面内运动，波的各个组成部分在传播时波阵面的震动方向示意图如下所示：图2-1震动波各组份传播示意图Fig2-1Schematicdiagramofeachcomponentofvibrationwavepropagation弹丸落地时形成的地震波就是由这些地震子波分量构成的，由于受到不同的地层结构和自身的传播速度的影响，各个子波的衰减并不一样，在弹丸落点定位的应用中，应该使用地震波中能量最大、传播距离远且衰减小的组分。1.1.2地震波传播特点=1\*GB2⑴地震波在传播过程中，不同子波的速度不同。其中P波最快，R波速度最慢，当达到一定距离以后各个组分由于传播速度不同就会彼此分开，下图2-2所示：图2-2震动波各组份传播特点Fig2-2Propagationcharacteristicsofcomponentsofvibrationwave参考相关文献在传播速度方面论述，纵波传播速度为160m/s~800m/s，横波的传播速度为：90m/s~550m/s，瑞雷波的传播速度大致为：85m/s~530m/s[6,17,18]。=2\*GB2⑵震动波在传播过程中，有两个概念需要先了解清楚，一个是表征震动信号强度的震动速度，它时指震动时质点在平衡位置往复运动的速度。另一个是表征震动波向远处扩散速度的传播速度。=1\*GB3①震动速度：弹丸冲击地面时，一部分冲击能量在土壤介质的弹性变形中消耗，剩下的一部分能量形成地震波不断向远处传播。冲击能量越强形成的地震波的振幅也就越大，对于震动波的震速，M.A.萨达夫斯基有如下经验公式： v=k(α其中v代表震动速度，k代表土壤的介质常数，I代表弹丸落地时的冲量，α代表其固定标度率，r代表弹丸落点到检波器的距离，β为v的衰减指数，实际应用时，工程上一般取1/2，1/3，由于瑞雷波的波阵面是圆柱体，其径向距离和冲量的平方成反比，所以α取1/2，K、β主要于场地有关。=2\*GB3②传播速度：P波的波速为： vp=λS波的波速为： vs=二者传播速度的比值有如下关系： vpv上式中λ是拉梅常数，ρ是土壤的密度，μ是土壤的泊松比，G是土壤的弹性模量[9]。以155mm大口径弹丸为例，弹丸质量m=48kg，弹丸落地瞬间速度v=350m/s，弹丸的材料密度ρ=7.8×103kg/m3，设地表的弹性模量G=2×1010在利用地震波对弹丸落点进行测试时需要使用到地震波在土壤中的传播速度，所以在估计落点位置的测试前还需要进行的一项工作就是对靶场的地质进行标定，这项工作的其中一个目是为了了解震动波在靶场的地质状况下的衰减规律，确定检波器的布设范围和为检波器的灵敏度选择提供依据。另一个目的是对靶场地质条件下的地震波传播速度做修正，得出准确的传播速度，从而提高定位模型的精度。对于地震波传播速度的测算和修正可以在靶场设置如下试验方案：图2-3靶场地震波传播速度修正试验Fig2-3Propagationcharacteristicsofcomponentsofvibrationwave在靶场人为设置一个炸点模拟弹丸落地，在距离模拟点一定距离处设置几个间距相同呈直线分布的地震检波器接收炸点产生的地震动信号，将得到的震动信号使用广义互相关或者高阶累积量进行时延差估计得到各地震检波器之间的时延差，检波器之间的距离是确定的，根据距离时间公式S=vt即可求出地震波再靶场地质条件下的传播速度。由于本次实验由于没有足够长的信号传输线，使用无线传输没有相应的设备，如果自制无线传输设备又会使本文背离了最初的研究问题，所以并没有进行检波器埋置场地的震动波速度测量，只是给出了测速的方案。将弹丸冲击地面的过程简化为重物落地过程，做简化试验。为了更直观的研究震动波的传播特点，本此试验在中北大学东区一片靠近道路和体育场附近的户外开阔地面设置了一个5.2Kg的重物在距离地面1.5米处自然落下，在距离落点10m和20m处分别埋置一个地震检波器采集重物落地时产生的震动信号，如下图所示：图2-4试验布设图Fig2-4Testlayout采集到的震动信号如下图2-5和图2-6所示，通过使用matlab分别求出距离震源10m和20m处采集信号的频谱图如上图2-7和图2-8所示：图2-6图2-6距离20米时的震动信号Fig2-6Vibrationsignalat20meters图2-5距离10米时的震动信号Fig2-5Vibrationsignalat5meters图2-8距离20米图2-8距离20米处信号的频谱图Fig2-8Spectrumofsignalat20m图2-7距离10米处信号的频谱图Fig2-7Spectrumofsignalat10m观察图2-5和图2-6可以看出，相比于近处，落点在远处时接收到的信号震幅明显减小，震动波峰增多，高频毛刺增多，干扰明显增多。观察图2-7和2-8可以看出，震动波信号在土壤中传播时，频率在20Hz以上的子波成份衰减严重，10Hz~20Hz的组成部分衰减较慢，这一频率范围即是瑞雷波的频率范围。震动波信号在传播过程中纵波具有总能量的7%，横波具有总能量的26%，其能量衰减于波阵面半径的平方成正比，而瑞雷波具有大约2/3的总能量[19]，其衰减与波阵面的半径成正比，相比于地震波的其他组份，能量更大，衰减小传播距离更远。也就是说震动波主要依赖瑞雷波向远处传播，因此在进行震源定位研究时应该围绕瑞雷波进行。=3\*GB2⑶影响地震波传播的因素有很多。地层结构、地形特征等都会对其产生影响，诸如裂缝、土壤的密度和含水量等会造成传播速度有所差异，一般来说，地震波在传播过程中经过小孔间隙时比经过大孔间隙时传播的快，在水分充足的土壤中中比在干燥的土壤中传播快，在密度大的介质中主频能量较高，在密度小的介质中主频的能量降低[18]。地震波在土壤中进行传播的过程中遇到障碍物时，就像水波遇到石头一样地震波会将障碍物当作新的震源，形成一系列新的波阵面继续传播从而形成衍生波[20]。当波传播时遇到迎波坡面时，震动会加强，当到达背离波的坡面时体波强度加强，面波强度减弱。地表的覆盖物也会影响地震波的传播特性，茂密的植被覆盖会对面波产生一定的频散作用，形成更多的衍生波。1.2地震检波器的合理使用在弹丸落点定位的过程中，由于靶场范围大，需要的探测距离远，为了能够准确的采集弹丸落点产生的震动信号，地震检波器必须满足灵敏度高、失真小的要求。实际的使用时可以通过串并联组合使用检波器达到提高灵敏度的目的，但是单纯的串联或者并联会对传感器的输出特性造成影响，如何组合既可以提高灵敏度又不会改变检波器的阻尼特性需要研究探讨。目前常用的地震检波器主要有动圈式、涡流型、压电型和数字式等几种型号，各型号的特点可以归结为，涡流型地震检波器有利于探测因为远距离传输衰减严重的高频信号，采集低频信号时输出振幅过小，灵敏度较低[21,22]，这对于以低频瑞雷波为对象进行的弹丸落点定位并不适用，压电式检波器主要用于江、河、湖、海等水下探测不适用于检测弹丸落点定位时产生的震动波[23]，数字式检波器造价昂贵，在国内并未普遍使用[24]。在这几种检波器中使用最多的是动圈式地震检波器[25]，其具有结构简单、造价低廉、不需要外界供电的特点，缺点是灵敏度较低，探测范围小，分为振动系统和磁路系统两个部分，由在中心的永磁体、磁靴和圆柱形铁外壳，以及二者之间的线圈震动系统组成，其外观如下图所示：图2-9动圈式地震检波器Fig2-9Movingcoilgeophone当需要检波器工作时，将其埋在地下，通过检波器的尾椎与大地耦合，当大地受到弹丸的冲击而开始震动时，惯性体线圈由于惯性和内部的弹簧双重作用下会落后于检波器外壳的震动，因此线圈就在永磁体和外壳之间产生了相对运动，有电磁感应可知这时线圈上会产生电动势从而可以形成电压输出，动圈式地震检波器可以用如下电路代替：图2-10动圈地震检波器的等效电路Fig2-10Equivalentcircuitofmovingcoilgeophone上图所示左边的等效电路中，Rz为检波器线圈的自身电阻，Rb为检波器中与线圈并联的电阻，Ui检波器外部引线输出电流i0 i=ioR假设采用的式x*y个检波器的串并联形式，即y个检波器串联成一串，再由x串并联在一起形成一个检波器采集通道，其等效电路如下所示：图2-11检波器组合使用等效电路Fig2-11Geophonearrayusingequivalentcircuit检波器输出的电压为： U=yiRL=参考文献[26]对检波器灵敏度和阻尼系数的计算推导过程，将其中的相关量用上面式（2-1）和式（2-2）进行替换既可以得出组合检波器的灵敏度和阻尼系数如下所示： S=xyRb h=12ω其中，B为检波器中磁体的磁感应强度，L为线圈导线长度，ω0为检波器的自然角频率，m为惯性体质量，μ=1\*GB2⑴当检波器不进行串并联时，即x=1，y=1，此时的灵敏度和阻尼系数为： S1=R h1=1=2\*GB2⑵当检波器只进行串联不进行并联时，即x=1，y=n，此时的灵敏度和阻尼系数为： S=nRb h=12ω从上式中可以看出，当n个检波器串联在一起时，灵敏度扩大了n倍，阻尼系数也变大了。=3\*GB2⑶当检波器只进行并联不进行串联时，即x=n，y=1，此时的灵敏度和阻尼系数为： S=nRb h=12ω从上式中可以看出，当n个检波器并联在一起时，灵敏度几乎不发生变化，阻尼系数变小了。=4\*GB2⑷当检波器每串n个一共n串组合在一起使用时，即x=y=n，此时的灵敏度和阻尼系数为： S=n2R h=12ω从上式可以看出，当采用此种组合方式时，灵敏度既能扩大n倍，阻尼比又可以保持单个检波器的数值，阻尼比不是越大越好也不是越小越好，而是达到一定数值是最佳只需改变单个检波器的阻尼比即可实现对整个串并联系统阻尼比的调节。1.3检波器输出信号的滤波电路设计弹丸落点定位过程中，地震检波器感受到因撞击产生激发的震动信号而输出信号，从上一下节对震动信号的分析可知，弹丸落点定位时应该以瑞雷波为研究对象，瑞雷波的频率在10Hz~20Hz这个范围内，然而信号在采集过程总必然会受到噪声的干扰，因此在信号分析处理前，可以先用硬件对采集到的号进行滤波预处理，将大于20Hz的频率过滤出去，供下一步分析处理使用，本文设计了一个二阶压控电压源型巴特沃斯低通滤波电路，巴特沃斯滤波电路是相当出名的一款滤波器，频率响应顺滑，设计简单容易制造，易实现设计性能，其设计方法简单，电路中的元器件参数均可通过查表计算即可确定，电路中的集成运放可以选择OP07这种运放器件，它产生的噪声低，需要的输入偏置电流低，同时却具有很高的共模抑制比和很高输入阻抗，适合处理检波器产生的这种微弱信号。其设计电路如下图所示：图2-12低通滤波电路Fig2-12Lowpassfiltercircuit电路参数设计如下：=1\*GB2⑴电路给定的截至频率为f=20Hz，参考表2-1[26]选择电容C1的数值：表2-1二阶有源滤波器设计电容选用表Tab2-1Selectiontablefordesigncapacitanceofsecondorderactivepowerfilter参数范围f/Hz<100100~1000(1~10)k(10~100k)>100kC110~0.10.1~0.010.01~0.001(1000~100)×(100~10)×根据表格的截至频率设计范围，20Hz<100Hz，电容的容值应选择C1=2\*GB2⑵计算电路的电阻换标系数：K=100fC1=3\*GB2⑶增益kp=1，参考表