《基于MATLAB的地震数据的分析》.doc

基于MATLAB的地震数据的分析

孙玉柱 冯光 房桂梅

摘要：地震波原始数据中存在的干扰信号，会影响震相分析的准确性。为了滤除干扰信号，对地震波原始信号进行了频谱分析，给出了一种基于MATLAB的FIR数字滤波器的优化设计方案，将其用于地震波数据的分析中，并进行了仿真分析。仿真结果表明，FIR数字滤波器对地震波原始信号进行滤波处理后，提高了震相分析的准确性，得到了理想的效果，达到了预期的目的。

4 基于MATLAB的地震数据的分析

下面以汕头台受到距台站300m处的汽车干扰的波形记录图的数字地震记录资料为例，进行基于MATLAB的地震数据的分析。该地震台采用的是频带范围为0.05~20Hz 的FBS-3A型宽频带数字地震记录仪和EDAS-C24型数据采集器，系统的采样频率为50Hz。

将该地震波原始数据保存在MATLAB的work文件夹中，并对其进行地频谱分析，如图1所示。从图1中可以很清楚的看出地震波原始记录中地震信号的优势频率为0.25Hz，频段范围在0~1Hz之间；干扰的优势频率为12.5Hz，频段范围在10~15Hz之间。

图1 地震波原始数据的时域波形图和频谱分析图

Figure 1 the original time-domain and spectrum analysis of the earthquake data

为了滤除干扰信号，最大限度的保留其中的有用信号，选取的FIR滤波器为带阻滤波器，其参数选定为：通带上截止频率Fp1=7，阻带下截止频率Fs1=7.1，阻带上截止频率Fs1=18.9，通带下截止频率Fp2=19，通带波纹峰值dp=0.01，阻带波纹峰值ds=0.01。则设计的带阻FIR滤波器的频率特性曲线如图2所示。

图2 带阻FIR滤波器的频率特性曲线

Figure 2 the frequency characteristic of band-stop FIR filter

由图2可以看出设计的FIR滤波器的特性满足设计要求。利用该滤波器对地震波原始记录信号进行滤波处理，滤波前后的时域波形图如图3所示，图4为滤波前后频域图的对比。

图3 滤波前后地震波时域波形图的比较

Figure 3 the comparison of time-domain between before and after filter processing

图4 滤波前后频域波形图的比较

Figure 4 the comparison of frequency-domain between before and after filter processing

由图3和图4可以看出，地震波原始记录信号经FIR滤波器处理后，干扰波信号被滤除了，而地震波信号很好的显示了出来。

由于FIR滤波器具有相位滞后的特点，所以滤波后的信号和原信号相比有了一定程度的相位延迟。为了不产生相位延迟，使滤波后的波形图能更好的与原始信号进行比较，可以对程序2(见附件)进行修改：

第38行后加 m=(M-1)/2/Fs; %计算相位延迟

第50行后加 t=t-m; %计算相位延迟

第53行后加 xlim([0,max(t)]);

然后再对地震波原始记录信号进行处理，则滤波前后地震波时域波形图如图5所示，该图形非常明显的反映出了滤波前后地震波的特征，得到了理想的效果，达到了预期设计的目的。

图5滤波前后时域波形图的比较

Figure 5 the comparison of time-domain between before and after filter processing

5 结束语

地震数据中包含了很多干扰信号，直接影响分析的准确性。干扰信号的处理虽然已经有很多方法，但本文采用目前非常流行的MATLAB软件，使用数字信号处理中的快速Fourier变换和最优滤波器的设计方法，对采集到的地震数据进行频谱分析和滤波处理，去除干扰并最大限度地保留有用的频率成份，并使信号无失真，提高了震相分析的准确度。该方法可用于结构地震动力分析、地震台等领域，对地震的观测、分析、预报和研究有着极其重要的作用。

附 件

程序1 对地震记录数据进行频谱分析的实现程序

load i.txt %调入原始数据文件(加载地震波数据)

Xt=i; %得到原始信号序列

Fs=50; %采样频率为50Hz

dt=1/Fs; %采样间隔(单位为s)

N=length(Xt);