Wave -site软件开发及强震数据分析

赵希磊 张学应 龙剑锋 李 发（中国合肥230031安徽省地震局）



Wave -site软件开发及强震数据分析

赵希磊 张学应 龙剑锋 李 发
（中国合肥230031安徽省地震局）

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

E-mail：zhaoxilei2008@163.com

本文收到日期：2015-05-25

0 引言

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，Matlab GUI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50 cm/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。

图1　Wave-site软件主界面Fig.1 The main interface of Wave-site software

表1　软件参数及配置Table1 Software parameter and con fi guration

图2　采用基线法(左图)、Iwan法(右图)得到的加速度曲线Fig.2 Acceleration curves obtained by baseline calibration (left) and Iwan method (right), respectively

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。

Nakamura（1989）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，谱比值定义如下

式中：SUD、SNS、SEW分别为三分向傅氏谱振幅分量。

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15 s），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0.1 Hz平滑窗，即200个采样点的平均进行平滑。

采用origin 7.0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。

图3　三山台谱比曲线Fig.3 Spectral ratio curve of Sanshan Seismic Station

（1）三山台地脉动和S波谱比曲线一致性好，在0.5—5 s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。

表2　三山台场地类型及其在0.5—5 s平坦频段放大因子平均值Table 2 Site type of Sanshan Seismic Station and the average value of the ampli fi cation factor in the 0.5—5 s fl at band

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M 4.9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.

David M Boore, Christopher D Stephens and William B Joyner. Comments on Baseline Correction of Digital Strong-Motion Data: Examples from the 1999 Hector Mine, California, Earthquake[J]. Bulletin of Seismological Society of America, 2002, 92: 1 543-1 560.

Hiroshi Arai, Kohji Tokimatsu. S-Wave Velocity Pro fi ling by Inversion of Microtremor H/V Spectrum [J]. BSSA, 2004, 94: 53-63.

Lermo J and Chavez-Garcia J. Site effect evaluation using spectral rations with only one station [J]. BSSA, 1993, 83: 1 574-1 594.

Nakamura Y. A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface[J]. Q Rep Railway Tech Res Inst, 1989, 30: 25-33.

Wave-site software development and analysis of strong motion data

Zhao Xilei，Zhang Xueying，Long Jianfeng and Li Fa
(Earthquake Administration of Anhui Province， Hefei 230031， China)

Abstract

Using Matlab platform， Wave-site software was designed to process strong motion record. Compared with the existing software， it increases site response calculation and other functions，and provides multiple methods of site response calculation and baseline calibration for comparison. In this paper， the software was used to calculate the site response relations with magnitude of Sanshan Seismic Station. The data show that the ampli fi cation factor of seismic S wave is larger than that of ground pulse， and it increases with the increasing of magnitude.

Key words：Matlab，Wave-site software，strong motion record，baseline calibration，site response

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 026

基金项目：2015年安徽省地震科研基金青年项目资助(20150407)

作者简介：赵希磊（1985—），男，河南濮阳人，硕士，工程师，从事强震动观测研究工作。