Seismosignal在煤矿产区地震波信号处理中的应用

[摘 要] 由于误差以及噪声对试验结构模型的影响，使得振动信号的加速度时程曲线产生了微小偏移。由于连续两次积分的累积效应，使得积分得到的速度和位移时程在最后时刻产生了明显的零线漂移的现象。本文运用Seismosignal软件和Butterworth滤波器，对零线漂移的现象进行校正，使时程曲线漂移现象减小乃至消失，以便得到真实可靠的试验结果。

[关键词] 时程分析； 零线漂移； 校正；Butterworth滤波器

Abstract： Due to the effect of errors and noises on the structural model， there is some small offset in the acceleration time-history curve of the vibration signal. Because of double integration of acceleration records， there is some obvious baseline drift in the end of the velocity and displacement time-history curve. The paper proposes to correct the problem of baseline drift through the Seismosignal and Butterworth filter so that the offset phenomenon is reduced and even disappeared. Therefore， we can obtain the true and reliable result.

Keywords： Time-history analysis； Baseline drift； Correction； Butterworth filter

1 引言

目前，结构模型抗震试验的结果多是以加速度时程的形式给出[1]，通过对加速度进行两次积分，可分别得到速度和位移时程曲线。当地震荷载停止输入时，理想中的加速度、速度和位移时程曲线应最后趋向于零线。但由于在实际试验过程中夹杂着噪音、试验过程中存在初始加速度和机械滞后等原因[2]，使得最后的加速度时程曲线存在微小偏移，在连续对加速度进行两次积分后，由于这些偏移的积累效应，使最后时刻的速度和位移时程曲线存在明显的偏移现象，即零线飘移[3]。

通过对抗震试验结果进行分析，可得到结构的动力特性参数和地震波的频谱特性等，为结构的设计提供参考依据。但是由于零线飘移现象的存在，使试验数据的准确性大大降低，甚至背离真实的试验结果。因此，对时程曲线进行校正，使零线不再漂移是非常必要的。

2 试验概况

2.1 结构模型概述

本试验采用6层钢框架模型，层高0.3m，基本柱网1.5m×2.4m，结构横向三跨，跨度分别为0.6m、0.3m、0.6m，共1.5m；纵向柱距0.6m，4个柱距，共2.4m。结构模型见图1，主要结构构件参数见表1。

2.2 地震波加载

地震波的加载采用结构试验室的单自由度地震台，地震加速度采用适用与邯郸地区的加速度。地震波参数详见表2。

2.3 试验数据采集及汇总

试验数据的采集主要是通过在结构模型具有代表性的梁柱节点粘贴加速度传感器，采集各个楼层所对应的加速度。加速度传感器在结构模型中的布置如图2。

对加速度传感器所采集的数据进行试验结果分析，为下一步分析得到结构的自振周期等动力特性做好准备。每个加速度传感器得到的数据为一列加速度数值的txt文件，其中加速度的单位为重力加速度常量g。

3 试验数据分析及处理

3.1 分析步骤

将加速度传感器采集的加速度数值文件编辑并且整理，另存为以列对齐方式的新txt文件。加速度试验数据的分析主要以Seismosignal为主。

打开Seismosignal软件，从File导入需要分析的地震波txt文件，出现下图3参数设置对话框。其中First Line与Last Line是指定导入加速度数值文件的首行与末行；Time Step dt是指定时间步长，通常是地震波采样频率的倒数（本试验采样频率为512，因此步长取为0.002）；其余如图3进行设置。

点击图3中的Change Units按钮，设置试验数据的单位，出现图4更改单位对话框，加速度、速度和位移的单位设置如下图4，连续点击OK，参数设置完成。

通过加速度数值文件，可以得到加速度的时程曲线，如图5。再通过对加速度进行连续两次积分，可得到速度和位移时程曲线，如图6和图7。

通过以上数据分析可知，由于存在误差以及噪声的影响，在振动即将结束时， 速度和位移时程曲线表现零线漂移现象[4]，位移偏移量多达19mm。这种偏移对结构动力特性的分析是不利的，乃至使分析结果背离客观真实的实验结果。所以有必要进行基线校正，以保证试验结果的准确性[5]。

3.2 零线漂移校正

3.2.1 Butterworth滤波器的介绍

巴特沃斯滤波器（Butterworth）的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬・巴特沃斯（Stephen Butterworth）在英国《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的。低通巴特沃斯滤波器的特性函数为：

式中：n为滤波器的阶数； 为滤波器的截至频率。

3.2.2 Butterworth滤波器的设计

借助Matlab的自带信号处理工具箱中的巴特沃斯滤波器函数，对滤波器进行设计。可以选择buttap 函数设计归一化的巴特沃斯低通滤波器系数[6]。

基于 ，可得低通滤波器原型，传递函数为：

根据相关函数在Matlab中设计相关的巴特沃斯滤波器的计算机语言，保存为拓展名为.m的文件，此处不再赘述。

3.2.3 处理结果

经过巴特沃斯滤波器，将原有的三个时程曲线进行过滤，得到三个新的加速度、速度和位移的时程曲线，如下图8、图9和图10。

处理后的时程曲线不再漂移，最后时刻的偏移量仅为0.00023mm，符合要求。

4 结论

综上所述，时程曲线在校正之前有较大的偏移量，对分析结构的动力特性容易造成误导。通过巴特沃斯滤波器对加速度记录进行校正，可以很好的去除外界不利因素对试验的影响，消除了零线漂移现象，使时程曲线趋于客观实事，为进一步分析结构的动力特性提供了可靠的试验结果。

[参考文献]

[1] 李吉涛，杨庆山.地震波基线飘移的处理方法[J].北京交通大学学报，2010，2.

[2] Li Heng， Wu Jianchao， Yang Yunsheng and Qin Xiaojun. Baseline Correction for Near-Fault Ground Motion Records of 2008 Wenchuan Ms8.0 Earthquake [J]. Geodesy and Geodynamics， 2012，3.

[3] Hung-Chiu. Stable Baseline Correction of Digital Strong-Motion Data [J]. Bulletin of Seismological Society of America， 1997，8.

[4] 范流明，李 宁，黄润秋.人造地振动合成中的位移误差分析[J].工程地质学报，2003，11.

[5] 魏 来，刘马群，李 奎.信号分析方法及其在地震波处理中的应用[J].洛阳大学学报，2007，12.

[6] 李钟慎. 基于MATLAB设计巴特沃斯低通滤波器[J].信息技术，2003，3.