[发明专利]一种地震波加速度积分处理方法及系统

说明书

本发明公开了一种地震波加速度积分处理方法及系统，用于地震模拟实验，该方法包括基线校准步骤、滤波步骤、频域积分步骤和四点插值步骤，该方法所处理地震波为真实地震环境中地震仪采集得到的加速度信号。基线校准防止直接数值积分造成“基线漂移”现象，同时使得地震时程结束加速度、速度数值为0；带通滤波去除地震采集装置放大器的不稳定和周边环境引入的高频噪声；频域积分消除数值积分带来的“累积误差”；四点插值将数据有效扩充到满足地震模拟试验条件；本方法快速准确计算校准后的加速度、速度和位移信号，高效还原真实地震物理环境。

技术领域

本发明属于地震研究技术领域，尤其涉及一种地震波加速度积分处理方法及系统。

背景技术

地震模拟振动台可以在实验室很好地再现地震过程以及进行人工地震波的实验，是目前研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法。按照测试要求使各种结构的比例模型(或足尺寸构件)在振动台平台上模拟再现地震波形振动或者实现某种特定运动，将被测结构的性能表现经一定程度相似换算后，可以作为构件原型在真实振动情况下的参考。随着液压、电子、传感器、信号处理和控制等领域的快速发展，地震模拟振动台实现了从模拟控制到数字控制、从位移PID控制到加速度反馈控制的转变，其后由位移、速度和加速度三参量控制成为振动台控制的基础算法。目前，国内外大多数的电液伺服地震模拟振动台采用了PID控制、三参量控制和离线迭代控制。

目前地震动采集的数据大多以加速度的形式给出，速度和位移时程通常通过加速度数值积分得到。理论上地震结束之后，加速度和速度的数值为0。但是由于地震波采集装置放大器的不稳定以及原始地震采集加速度信号中含有复杂的噪声，其中低频噪音会导致加速度出现基线漂移。基线漂移对加速度波本身影响很小，一般来说不超过加速度的2％，但是通过数值积分带来的“累积误差”会将噪声信号逐渐放大，从而对速度、位移造成严重的漂移，严重影响控制系统跟踪精度。

对于动态信号的积分运算，目前主要有两种主要的方法：一种是通过硬件电路，另外一种是利用软件积分来实现。在实际使用中，硬件积分电路的精度容易受到硬件本身的限制，对信号的频率要求较高，且一般不能够用来测量类似地震波这种包含较多频率成分的信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种地震波加速度积分处理方法及系统，克服传统数值积分方法带来的“基线漂移”、“积分累积误差”的缺点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种地震波加速度积分处理方法，用于地震模拟振动台的三参量控制，该方法包括以下步骤：

步骤1、基线校准：在真实地震环境中通过地震仪采集地震波加速度信号，去除加速度曲线中的线性趋势；

步骤2、滤除基线校准后的加速度信号中的噪音信号；

步骤3、频域积分：在频域内对滤波后的地震波加速度信号进行积分，得到速度和位移信号，消除时域积分带来的“累积误差”；

步骤4、四点插值：将加速度信号，以及频域积分得到的速度信号和位移信号进行插值，输出到三参量控制器中，作为闭环控制的三参量参考信号。

进一步地，步骤1中，通过地震仪采集的地震波的频率范围在1-25Hz，持续时间小于1分钟，强度0.1-0.6g，采样频率为50Hz-200Hz。

进一步地，基线校准步骤通过如下方式实现：

去除加速度曲线中的线性趋势，得到如下公式：

式中，y(t)、是将原始加速度信号采用梯形公式数值积分得到的位移、速度和加速度信号，表示修正后的位移、速度和加速度信号，a₁、a₀表示地震波信号中线性趋势的比例系数和常数项。

利用地震结束时速度时程为0，可以得到：