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地震计传递函数精确测定研究

李海亮  
【摘要】:数字地震观测系统中地震计传递函数的测定对于观测数据在地震学中的解释和应用是 非常重要的。本文详细地研究了对地震计传递函数测定的一些基本问题。具体的内容和结果如 下: 分析了FBS-3A型等宽频带反馈地震计的基本原理、零极点的分布和频率特性。结果表明 FBS-3A地震计的低频段的频率特性主要由机械结构和反馈电路共同决定,高频段主要由电子 电路来决定。本文对宽频带地震计的频率特性测试是在地震计的低频段进行,对于地震计高频 段的频率特性采用理论分析计算获得。 比较了常用的测试信号,如稳态正弦信号、阶跃信号、脉冲信号、高阶脉冲信号和白噪声 等,分析了这些信号的特性,阐述了将这些信号作为地震计的激励信号的特点,分析计算得到 地震计频率特性信噪比的特征,以及实际测试过程中存在的问题。 阶跃信号标定是地震观测系统中最简单、最常用的一种方法。本文利用地震观测系统中的 阶跃标定响应记录,提出在频域基于阶跃响应信号的幅频特性来确定地震计的阻尼常数和自振 周期,阐述了该方法的基本原理以及采用的非线性最小二乘拟合方法,并给出了该方法在JCV- 100地震计和FBS-3A宽频带地震计上的实际应用结果。在应用该方法时,可以利用多次测试 结果的幅频特性直接取平均以提高测试精度。本文也介绍了在时域确定地震计的阻尼常数和自 振周期的原理和方法,给出了具体在FBS-3A地震计上的应用实例。 白噪声是一种理想的信号,该信号具有功率谱密度为一常数,是测试地震计频率特性的一 种理想信号。但是白噪声信号在实际应用中存在问题,一是产生困难。另外是需要无限长的周 期才具有白噪声的特性。为了利用白噪声的优良特性,采用伪随机二进制信号作为地震计测试 的激励信号。伪随机二进制信号具有类似白噪声的功率谱特性,但是具有有限长的周期和容易 产生。本文介绍了伪随机信号的产生方法和基本特性,用伪随机二进制信号测试线性系统的频 率特性所具有的抗噪声干扰能力的基本原理,最后对其它伪随机序列,如逆重复M序列和M3 序列的特性和产生方法进行了简单讨论。本文用计算机产生了解10级和11级M序列,10级和11 级逆重复M序列代码,固化在EDAS-C24型数据采集器中,可以非常方便地由数据采集器产生 伪随机二进制激励信号。 地震计系统特性的可以有多种描述形式,各种形式之间可以相互转换,其中传递函数是最 常用和最方便的系统描述形式。通过测试信号及其响应分析得到的一般是系统的频率特性,并 且该频率特性受到噪声的污染。为了得到系统的传递函数,需要由系统的频率特性求传递函数。 LEVY方法是由频率特性求传递函数常用的方法、由于FBS-3A地震计传递函数的结构形式特 殊性,LEVY方法不能直接应用。本文在LEVY方法基础上推导出特定结构的传递函数的拟合 方法,并讨论了系统延迟时间未知时传递函数参数的估计和采用测试数据的加权拟合方法。为 了验证该方法的效果,本文进行了数字仿真实验并给出仿真结果. 在地运计传递函数测试过程中的存在多中噪声,本文分析了主要的噪声来源;介绍了用互谱 分析方法测试地震计频率特性的基本原理和方法;给出采用该方法确定地震计传递函数的算法 流程图;并对计算过程中采用的低通滤波器、地震计传递函数的初值确定方法、卷积运算方法、 自谱和互谱估计、采用的窗函数和测试数据的预处理进行了详细讨论。 最后在实验室和野外采用伪随机二进制信号作为激励信号对FBS-3A宽频带地震计进行了 测试实验,对测试数据采用互谱分析方法进行处理,得到了FBS-3A宽频带地震计低频段的传 递函数。所得结果的福频特性与稳态正弦信号作为测试信号的幅频特性的结果一致。对测试结 果分析表明:在0.007Hz~l.6HZ频率范围内,幅频特性测试精度为1%,相频特性的测试精度为 1°。


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