EDAS格式地震数据实时仿真方法研究

林存东 和跃时

（1.黑龙江省黑河市地震局,黑龙江黑河 164300；2.黑龙江省地震局,哈尔滨 150090）

目前,数字地震仪已经广泛应用于地震台站中.在实时监视地震事件过程中,多采用无仿真技术的原始数据绘图,主要是为了回避复杂的实时仿真技术,达到监视仪器系统工作状态的目的.数字仪器以宽频带、大动态著称,记录地震事件的数量和质量明显高于模拟仪器,但目前软件实时监视系统中没有仿真功能,以原始数据（数字数）记录的弱小地震事件波形被淹没在噪声之中,监测分析人员无法发现这些地震事件.若能在软件实时监视系统中增加实时仿真功能,就可解决此问题,使数字仪器的先进功能得以充分发挥.因此实时仿真是地震监测领域内的重要功能之一,对于它的研究已经受到了广泛的关注[1-2].

CDSN中美合作项目的软件供应单位——美国地质调查局阿尔布开克地震实验室（ASL）针对我国第一批数字化观测台CDSN台站提供了对SEED格式的地震数据进行仿真的方法.

本文参考ASL方法,剖析我国自己研发建设的国家数字台——EDAS台站数据特点后,再编程应用于EDAS格式数据实时仿真,可广泛应用于国家数字EDAS台站,解决目前EDAS台站不能进行实时仿真的问题,有实际应用价值.

1 方 法

在一般的地震仿真算法中涉及到复数运算和快速傅氏计算,由于计算量大、程序复杂、计算时间长,而将其放在了地震分析处理的软件中,这主要是因为后期分析处理地震波形时仿真准确,对于数据深加工有着实际意义.如果将其应用到实时仿真中来,则可能因为计算量大而导致不能准实时绘出图形.前者处理的是历史数据记录,后者处理的是实时数据记录,不能采用同一种方法进行仿真计算.

美国阿尔伯开克地震实验室（ASL）开发出一种利用简单算术运算进行实时仿真的方法,可以仿真的地震计有伍德·安得森（Wood Anderson 20）、世界标准台网的短周期（Spwwss 20）、世界标准台网长周期（Lpww ss20）、中周期（Lpwwss01）以及高通滤波器（High pass）等5种.每种仪器都有10个参数,选择不同的仿真仪器,使用不同的参数（见表1）.计算5种仿真的方法使用的是同一个公式,易于软件实现.本文主要通过计算机语言来说明具体的计算方法,在程序中没有使用复变量计算和快速傅氏变换,只是使用了简单的加减和乘法,极大地提高了运算速度,非常适合实时仿真计算.使用该方法仿真,只是在每一次开始运行时都对波形造成一次污染,因为X[0]、X[1]、Y[0]、Y[1]变量开始没有被赋值,所以它们的数值可能很大,对于波形的第一个点必然要引入干扰,造成突跳；但紧接着正常的数据就会被赋到这些变量中来,突跳马上就会被压制下来,波形受干扰的程度也越来越小.Udata[i]中的数据是原始波形数据,将其经过选中的仿真类型的参数运算后,得到的Z[2]就是需要的仿真数据,再将其对应的时间做一处理,就得到了x时间轴的数据,最后利用绘图语句将波形准确地绘出；实时数据的依次读入,依次将其处理成仿真数据,就达到了实时数据仿真的目的.

表1 5种地震仪的仿真参数

2 实用化

2.1 实时数据存储方法

在使用国产数字地震仪的台站,一般采用EDAS-24数据采集器,数据记录格式为EDAS格式,每小时生成一个文件,通过对该文件解读分析发现数据包含头段信息和3600s的三分向数据.头段信息的结构如下:

三分向数据编排为:每个采样点记录字长为4字节,每秒钟采样率100点,那么每个分向在1s内为记录数据的长度为400字节.数据文件的记录格式为第1s的 UD 、EW、NS,共3个分向；然后是第2 s的3个分向,……,最后是第3600 s的三分向数据,见表2.

表2 地震数据文件结构表

2.2 软件实现

软件编程可实现的功能有:实时仿真、任意浏览过去的波形、大震幅度报警等,如图1所示.

图1 流程图

若要灵活使用数据文件中的数据,可以按文件的头段信息定义一个文件头结构,包括 1个事件头EVT_HEAD结构、1个台站参数STN_PAR结构和3个分向的CHA_PAR结构,共计 37332个字节.在每秒数据开始前有4个字节全部为0的数据,需要跳过.由于数据部分非常整齐,每个样本为4个字节,不涉及位运算,容易软件编程实现.

在数据文件中,每秒钟存储300个样本点共计1200个字节,为了减少I/O操作,加快速度,每次读入1 s三分向300个采样点的1200字节,如:

更多的操作在内存中进行,可避免频繁的磁盘输入输出操作,提高计算速度.如遇到地震事件需要回览波形,可修改回览（Review）时间栏内的数值,默认为当前时间的前5 min；如果回览的时间超出了当前文件的开始时间,可自动修改文件名,找到前一个文件,并将文件指针指到恰当的位置,从而极大地方便监测分析工作；在回览任意时间段的波形时,也可以根据需要实时仿真成需要的仪器波形,实现一边回览一边实时仿真的功能.如:

如果要回览的数据仍在当前的文件内,则可以直接把文件中的数据指针定位于适当的地方.当前的文件仿真、绘图处理完毕后,可以自动寻找到下一个文件.

软件中可采用大震幅度报警,警报器设置在3个分向内,只要其中任意一个分向振幅超标,软件自动报警.设置的方法为:因实时仿真计算要把每个分向的数据进行归零计算,这样的数据在一个屏幕绘出时将导致波形叠加,需把3个分向的数据各加一个常数,使其在波形绘制时自动分开,不至于叠加在一起,UD分向在上方+100处、EW分向保持在中间+0处、NS分向在下部-100处,设定报警范围为:每个分向的中间数值±高度值（Height=20,见图2右下角）,高度值可以调整；波形幅度可以通过衰减因子Mag（图2中右下角）来调整,各台站根据具体情况自行决定Mag参数的数值,使其保持在一个适当的幅度,不至于漏报并且也不要虚报,波形幅度太小,则漏报,反之,虚报；具体的报警范围为:80＞UD幅度＞120、-20＞EW 幅度＞20、-80＜NS幅度＜-120.该软件报警可以调整两个参数,或者调整报警高度范围（Height）,或者调整衰减因子（Mag）,简单、直观、易操作、反应快.

在软件内主要采用Steema Software的TeeChat控件,可较好地解决多线程问题,实现在实时监视和大震报警工作的同时能够响应用户其它操作而不必重新启机,如在线修改报警参数（Height）、在线选择实时仿真类型、在线修改衰减因子（Mag）等,图2为实时仿真软件界面,图3为之前的历史记录回览界面（Review）.

图2 软件界面

图3 回览界面（注意Review的勾选）

3 结 语

依据本文所述EDAS格式地震数据实时仿真方法所设计的软件已在黑河台试运行,反映较好.在不增加硬件投资的条件下,可准实时地监视三分向波形,直观地看到地震波形流入的情况,既可以监视数字地震监测系统工作状态,又可提供大震速报准实时仿真波形,还避免了反复调用数据的操作；如果同时打开两个软件,一个设置为短周期地震仪,负责近震地方震报警,另一个设置为长周期地震仪,负责远震报警,只要合理地选择实时仿真滤波器,科学地设置参数,就可以提高速报效率.

[1]和跃时,孟宪森,孙文斌.CDSN台实时监视数字波形[J].地震,2002,22（3）:58-64.

[2]金 星,马 强,李山有.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,2004,24（6）:9-15.