title | date | lastmod | author | categories | tags | mathjax | slug | ||
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地震学的仪器响应 |
2013-06-23 |
2014-07-06 |
SeisMan |
|
|
true |
instrumental-response |
地震仪观测到的地面运动记录可以表示为
其中
翻译成中文就是
地面运动记录是震源项、路径项以及仪器响应三者卷积得到的。
四个量中:
-
$u(t)$ 是仪器记录的结果,已知; -
$i(t)$ 在仪器设计的时候会给出各种参数,已知; -
$s(t)$ 为震源项,包括震源机制、震源时间函数等,未知; -
$g(t)$ 为地球内部结构,未知。
震源和结构是地震学研究的两个主要内容。因而理解仪器响应
有很多因素可以导致地面发生运动,比如地震波、长周期潮汐波、背景噪声,因而
实际的地面运动是很复杂的。下图给出了 COLA 台站 Z 分量记录到的持续时间为22000秒左右的
地面原始运动记录,即
整个地面运动最明显的地方是弯弯曲曲类似正弦的波形,其周期大概是6000秒,
也就是两个小时,这是潮汐波引起的地面运动。波形的最大振幅大概是
这就是真实的地面运动,即便是如此大的地震,其引起的地面运动相对来说也是很小的。 这样的记录因为有太多其它类型的地面运动的干扰,因而对于地震学来说是没有用处的, 所以就需要设计合适的仪器尽量去除其它类型地面运动的干扰,也就是地震仪。
从信号处理的角度来看,仪器本质上就是一个滤波器。每个仪器在出厂时都会提供准确的 响应参数,但随着仪器的使用,可能会出现老化或其它偏差,因而仪器的实际响应参数 需要定期测定、修改。
图1中的波形中包含了地震波、潮汐波以及背景噪声的信息,因而从低频到高频都有信号。
而低频的潮汐波能量太强,正所谓功高盖主,压制一下还是有必要的。常见的地震仪是一个
带通滤波器,可以有效压制超高频和超低频的信息。下图给出了该台站的仪器响应,即
从图2中振幅谱可以看出,频率在 0.02 Hz 到 8 Hz 内的信号具有相同的振幅增益(被增强),而小于 0.02 Hz、大于 8 Hz 的信号则被压制。图1中的周期为1000秒量级的信号被压制到了原来的千分之一。
图1中的原始地面运动
与图1相比,长周期的正弦信号没了,地震信号被凸显出来了,最大振幅约为
原始的地面运动
实际在使用地震数据的时候,我们直接从seed文件中解压得到的是类似图3的波形。由于不同台站的仪器响应 可能不同,比如有长周期、短周期、宽频带等等。为了使得波形数据具有可比性,所有台站需要将各自的仪器响应 去除(有时候需要将所有台站再卷积上某个特定的仪器响应)。
去仪器响应一般使用SAC的 transfer
命令,形式为 transfer from xxx to none
。显然,直接
从地震仪的真实记录 transfer
命令时通常指定 freq
选项,给定一个地震学所关注的频率段,形如 transfer from xxx to none freq 0.05 0.1 10.0 15.0
。
在去仪器响应时,应尽量选择一个较宽的频段,在后期数据处理时可以使用 bandpass
命令进行更窄的滤波。
最终得到的地震图如下:
- 现实情况下,是很难获取地面的原始运动情况的。图1所谓的地面原始记录是通过地震记录图3直接去仪器响应 得到的。说图1是地面原始记录只是为了帮助理解,实际上其应该不是真正的地面运动,而是仪器所能感知到 的地面运动。
- 一般
transfer
的时候freq
选项都会给一个很宽的频带,在后期处理数据的时候可能需要不断的调整 滤波频段范围,所以把transfer
之后的结果做一个备份是很重要的。
- 2013-06-23:初稿;
- 2013-07-05:修改了备注中关于“地面原始运动记录”的说明;
- 2014-02-17:修订了一些语句;
- 2014-07-06:修订了一些描述;