基于拉普拉斯变换提高用于修正窄频速度记录的传递函数计算精度

孙艺璇 徐国林

孙艺璇,徐国林. 2022. 基于拉普拉斯变换提高用于修正窄频速度记录的传递函数计算精度. 地震学报,44(0):1−9 doi: 10.11939/jass.20210182
引用本文: 孙艺璇,徐国林. 2022. 基于拉普拉斯变换提高用于修正窄频速度记录的传递函数计算精度. 地震学报,44(0):1−9 doi: 10.11939/jass.20210182
Sun Y X,Xu G L. 2022. A transfer function based on Laplace transform to improve the accuracy of narrow-frequency velocity recording. Acta Seismologica Sinica,44(0):1−9 doi: 10.11939/jass.20210182
Citation: Sun Y X,Xu G L. 2022. A transfer function based on Laplace transform to improve the accuracy of narrow-frequency velocity recording. Acta Seismologica Sinica44(0):1−9 doi: 10.11939/jass.20210182

基于拉普拉斯变换提高用于修正窄频速度记录的传递函数计算精度

doi: 10.11939/jass.20210182
基金项目: 国家自然科学基金项目(51768065)资助
详细信息
    作者简介:

    孙艺璇,在读研究生,主要从事结构地震反应分析方法研究,e-mail:1374714132@qq.com

    通讯作者:

    徐国林,博士,教授,主要从事结构地震反应分析方法研究,e-mail:guolin.xu@swfu.edu.cn

  • 中图分类号: P315.31

A transfer function based on Laplace transform to improve the accuracy of narrow-frequency velocity recording

  • 摘要: 受窄频地震仪平坦响应范围影响,窄频记录存在低频成分失真问题,导致地震记录可用范围受限。针对此问题,本文推导基于拉普拉斯变换和双线性变换的传递函数,实现由窄频地震记录向宽频地震记录校正,并以日本Hi-net速度记录为例进行验证,将校正后速度记录与同台KiK-net加速度积分速度记录对比。结果显示,原始速度记录在低频处存在失真,而校正后的波形与KiK-net加速度积分速度记录波形一致,这表明改进的传递函数能有效地解决原速度记录中低频成分失真问题,有效地拓宽了低频可使用范围,而且相较于Nakata校正速度记录方法,以本文给出的传递函数校正的速度记录在振幅和波形等方面的精度更高。

     

  • 图  1  算例速度频谱图

    (a) 茨城县地震;(b) 宫城地震;(c) 磐城县地震;(d) 福岛县地震

    Figure  1.  Velocity spectrum of examples

    (a) Ibaraki earthquake;(b) Miyagi earthquake;(c) Iwaki earthquake;(d) Fukushima earthquake

    图  2  算例不同频段速度时程图

    (a) 茨城县地震;(b) 宫城地震;(c) 磐城县地震;(d) 福岛县地震

    Figure  2.  Velocity time histories of examples in different frequency bands

    (a) Ibaraki earthquake;(b) Miyagi earthquake;(c) Iwaki earthquake;(d) Fukushima earthquake

    图  3  算例速度反应谱

    (a) 茨城县地震;(b) 宫城地震;(c) 磐城县地震;(d) 福岛县地震

    Figure  3.  Velocity response spectrum of examples

    (a) Ibaraki earthquake;(b) Miyagi earthquake;(c) Iwaki earthquake;(d) Fukushima earthquake

    图  4  利用Nakata方法与本文方法修正所得的福岛县地震结果对比

    (a) 频谱图;(b) 反应谱;(c) 分频段时程图

    Figure  4.  Comparison of the corrected results of the Fukushima earthquake by the Nakata method and the method proposed in this paper

    (a) Spectrum map;(b) Response spectrum;(c) Time histories in different frequency bands

    表  1  传递函数系数

    Table  1.   Transfer function coefficient

    aibi
    i=01.0449841.000370
    i=1−1.998024−1.999999
    i=20.9569900.999629
    下载: 导出CSV

    表  2  日本同台站地震记录

    Table  2.   Earthquake records at the same station in Japan

    编号Hi-net
    站点
    地震动
    名称
    地震时间
    (JST)
    震中经纬度震源深度
    (KM)
    震级方向KiK-net
    站点
    Hi-net速度
    记录信噪比
    KiK-net加速度
    记录信噪比
    1N.TSKH茨城县地震20080508
    01:45:00
    36.227°N
    141.607°E
    51M7.0EWIBRH1972.4548.55
    2N.TSKH宫城地震20110407
    03:54:00
    38.20°N
    141.92°E
    66M7.1EWIBRH1923.9712.10
    3N.TSKH磐城县地震20110731
    03:54:00
    36.90°N
    141.22°E
    57M6.5NSIBRH19102.1652.60
    4N.TSKH福岛县地震20210213
    08:00:00
    37.73°N
    141.70°E
    55M7.3EWIBRH1985.3055.51
    下载: 导出CSV

    表  3  校正速度记录峰值对比(10−3 cm·s−1

    Table  3.   Corrected Speed Records Peak Contrast(10−3 cm·s−1

    地震原始Hi-net速度记录本文方法校正Hi-net速度记录KiK-net积分速度记录
    Nakata方法校正速度记录
    茨城县地震5.08.28.25.5
    宫城地震2.45.15.43.3
    磐城县地震3.94.14.33.5
    福岛县地震5.99.710.26.5
    下载: 导出CSV
  • [1] 冯静,高孟潭,胥广银,陈鲲. 2013. Hi-net速度微分与KiK-net加速度对比研究[J]. 地震学报,35(6):902–913. doi: 10.3969/j.issn.0253-3782.2013.06.013
    [2] Feng J,Gao M T,Xu G Y,Chen K. 2013. A comparative study on Hi-net velocity differential and KiK-net acceleration[J]. Acta Seismologica Sinica,35(6):902–913 (in Chinese).
    [3] 金星,马强,李山有. 2004. 利用数字化速度记录实时仿真位移与加速度时程[J]. 地震工程与工程振动,24(6):9–14. doi: 10.3969/j.issn.1000-1301.2004.06.002
    [4] Jin X,Ma Q,Li S Y. 2004. Real-time simulation of ground displacement and acceleration using digital velocity record[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration,24(6):9–14 (in Chinese).
    [5] 李永振,金震,梁永朵,于沈平,刘琳婷. 2012. 利用数字化加速度记录仿真速度及位移时程应用研究[J]. 防灾减灾学报,28(3):32–36. doi: 10.3969/j.issn.1674-8565.2012.03.006
    [6] Li Y Z,Jin Z,Liang Y D,Yu S P,Liu L T. 2012. Study of simulation speed and displacement time history recorded by digital acceleration[J]. Journal of Disaster Prevention and Reduction,28(3):32–36 (in Chinese).
    [7] 马强,金星,李山有. 2003. 单自由度系统地震动力反应的实时计算方法[J]. 地震工程与工程振动,23(5):61–68. doi: 10.3969/j.issn.1000-1301.2003.05.011
    [8] Ma Q,Jin X,Li S Y. 2003. Real-time algorithm of seismic dynamic response for SDOF system[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration,23(5):61–68 (in Chinese).
    [9] 潘岳怡,牟剑英,谢夜玉,符衡,张清. 2019. 广西地区测震记录与强震动记录一致性分析:以广西北流MS5.2地震为例[J]. 华北地震科学,37(增刊1):38–42.
    [10] Pan Y Y,Mou J Y,Xie Y Y,Fu H,Zhang Q. 2019. Consistency analysis of seismic records and strong motion records in Guangxi:Taking the Guangxi Beiliu Ms5.2 earthquake as an example[J]. North China Earthquake Sciences,37(S1):38–42 (in Chinese).
    [11] 任枭,刘瑞丰,杨辉,徐志国,孙丽,黄志斌,邹立晔. 2009. 中国数字地震台网所使用的仪器及其传递函数的计算方法[J]. 地震地磁观测与研究,30(5):113–119.
    [12] Ren X,Liu R F,Yang H,Xu Z G,Sun L,Huang Z B,Zou L Y. 2009. The status and transfer function of instruments deployed in China Digital Seismological Networks[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research,30(5):113–119 (in Chinese).
    [13] 盛谦,崔臻,刘加进,冷先伦. 2012. 传递函数在地下工程地震响应研究中的应用[J]. 岩土力学,33(8):2253–2258. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2012.08.003
    [14] Sheng Q,Cui Z,Liu J J,Leng X L. 2012. Application study of transfer function for seismic response analysis of underground engineering[J]. Rock and Soil Mechanics,33(8):2253–2258 (in Chinese).
    [15] 文雪康,袁莹,唐建明,刘胜,陈明春. 2020. 速度、加速度检波器在超深层地震勘探中应用效果分析:以川南赤水地区为例[J]. 地球物理学进展,35(4):1489–1496. doi: 10.6038/pg2020DD0343
    [16] Wen X K,Yuan Y,Tang J M,Liu S,Chen M C. 2020. Analysis and application of velocity and acceleration geophone in ultra deep seismic exploration:A case study of Chishui area in south Sichuan basin[J]. Progress in Geophysics,35(4):1489–1496 (in Chinese).
    [17] 谢剑波. 2014. 地震记录的时间域反褶积、仿真及在地震计方位角相对测量中的应用[J]. 地球物理学报,57(1):167–178. doi: 10.6038/cjg20140115
    [18] Xie J B. 2014. Deconvolution,simulation of seismic records in the time domain and application in the relative measurements of seismometer orientation[J]. Chinses Journal of Geophysics,57(1):167–178.
    [19] 杨笑梅,郭钦华. 2007. 二维复杂工程场址设计地震动的修正分析方法[J]. 世界地震工程,23(2):112–117. doi: 10.3969/j.issn.1007-6069.2007.02.018
    [20] Yang X M,Guo Q H. 2007. The modified method for determining design ground motions of 2D complex engineering site[J]. World Earthquake Engineering,23(2):112–117 (in Chinese).
    [21] 杨晓源,王翠芳,戴仕贵,邵玉平. 2010. 地震观测传递函数的精度问题[J]. 地震地磁观测与研究,31(6):32–39. doi: 10.3969/j.issn.1003-3246.2010.06.006
    [22] Yang X Y,Wang C F,Dai S G,Shao Y P. 2010. Precision problem of transfer function in earthquake observation[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research,31(6):32–39 (in Chinese).
    [23] 俞言祥, 汪素云, 胡聿贤. 1999. 用宽频带数字记录计算长周期地震动反应谱[C]//中国地震学会成立20周年纪念文集. 北京: 地震出版社: 113–121.
    [24] Yu Y X, Wang S Y, Hu Y X. 1999. Calculation of long-period ground motion response spectrum using broadband digital records[C]//Celebration of the 20th Anniversary of the Founding of China Seismological Society. Beijing: Seismological Press: 113–121 (in Chinese).
    [25] 周云耀,蔡亚先,吕永清,程骏玲. 2002. CT-1地震计传递函数测试仪的设计[J]. 大地测量与地球动力学,22(3):117–121. doi: 10.14075/j.jgg.2002.03.028
    [26] Zhou Y Y,Cai Y X,Lü Y Q,Cheng J L. 2002. Design of CT-1 transfer function test system of seismometer[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics,22(3):117–121 (in Chinese).
    [27] Maeda T,Obara K,Furumura T,Saito T. 2011. Interference of long-period seismic wavefield observed by the dense Hi-net array in Japan[J]. J Geophys Res:Solid Earth,116(B10):B10303. doi: 10.1029/2011JB008464
    [28] Nakata N. 2013. Combination of Hi-net and KiK-net data for deconvolution interferometry[J]. Bull Seismol Soc Am,103(6):3073–3082. doi: 10.1785/0120130101
    [29] Xie J B,Yang D K,Li X J,Yuan S Y,Tong W L,Ma J M,Xu W W,Ding L S,Ye S S. 2019. New explorations of laboratory and on-site testing of broadband seismographs in China[J]. Earthq Res China,33(1):9–23.
  • 加载中
图(4) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  27
  • HTML全文浏览量:  17
  • PDF下载量:  4
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-29
  • 修回日期:  2022-05-17
  • 网络出版日期:  2022-09-15

目录

    /

    返回文章
    返回