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1、地震观测基础知识,CDSN,地震观测发展情况,我国地震观测以模拟观测为主：400多有人值守台站 200个区域遥测子台,我国数字地震观测迅速发展：1000个数据传输台站 200套应急流动观测设备 600套科学观测台阵,数字地震观测起步,数字观测快速发展,模拟观测台网,区域电信传输地震台网观测分析处理系统(768工程),1975年启动六大区域电信传输地震台网建设国家地震局于1976年8月发出76震发台字第043号文关于组织电信传输地震台网专用仪器设备试制攻关小组的通知，决定地震部门派出44名技术人员参加仪器设备试制攻关小组。在该文中正式明确：为简化名称，今后电信传输地震台网专用仪器设备的试制生产任
2、务简称为768工程。,768工程的主要功能,能为中长期、短期，特别是临震预报快速提供连续可靠的地震前兆和测震观测数据，并能对这些数据进行快速自动处理，提供给分析预报人员，为及时地作出地震预报意见提供依据。国内外一旦发生破坏破坏性地震后，在震波掠过整个台网的观测点后十分钟能快速地、较准确地初步定出所发生地震的基本参数，并提供完整的地震记录。给地震预报的研究工作提供有关的基本数据和资料。,768工程的七大分系统,地震前兆观测分系统地震观测分系统三分向短周期、中长周期、长周期、中强震 无线传输地震观测分系统数字化地震观测分系统具有前放、滤波、瞬时浮点增益控制的多路数字化地震遥测设备 电子计算机数据处
3、理分系统快速初定地震基木参数、常规处理、遥控和标定 遥控和标定系统 供电系统太阳电池供电装置、大容量空气电池,768工程研制的专用设备,768技术系统采用了国内外先进技术，自行设计和研制了多种专用设备和专用软件。在国内外地震观测系统中居先进地位，技术上有独到之处。768技术系统是根据我国大震速报和地震预报工作的需要研制的，具有多种观测内容，系统功能也比较完善。观测内容既有测震、又有前兆。测震的短、中、长周期和各种放大倍数配套齐全。768技术系统在我国有可靠的技术基础。768工程研制的设备不仅主导了我国此后近二十年的模拟遥测地震台网设计、建设与运行，它创建的总体联调与考核运行模式一直影响到我国的
4、数字地震台网工程的实施。,768工程是我国模拟地震观测的顶峰,全国地震数据分析处理系统（837工程）,全国大震速报系统全国范围超大孔径数字化地震台网 京津唐张地震数据传输和处理系统釆用了768工程的成熟技术 主要承担京津唐张地区的地震速报、预报和震情监视全国地震数据库,数字地震观测,“八五”期间：数字地震观测技术系统科技攻关研究“九五”期间：中国数字地震观测系统建设国家数字地震台网（48个台站）20个区域数字遥测地震台网（267个台站）100套流动数字地震仪首都圈数字遥测地震台网（107个台站）“十五”期间：中国数字地震观测网络,地震观测的目的和任务,为大震速报和快速响应提供实时观测数据和依据
5、实现动态监测震情，为地震预报提供基本信息监测地下核试验为地震学基础研究提供基础数据,全球每年发生地震的数量,现代地震学的频率范围，以及有关研究对象的带宽和动态范围。,影响地震观测的环境因素,台站背景噪声地震观测台站的背景噪声限制了台站地震观测能力的提高风、寒潮、海浪、交通运输、人和动物的活动等地球背景噪声谱美国USGS的J.Peterson及其研究小组观测和研究了全球正常地球背景噪声，确定地球高噪声新模型NHNM和地球低噪声新模型NLNM,J.Peterson 1993,海拉尔地震台(CDSN)台基噪声谱（J.Peterson 1993）,白家疃地震台(CDSN)台基噪声谱（J.Peterso
6、n 1993）,乌鲁木齐地震台(CDSN)台基噪声谱（J.Peterson 1993）,地球噪声模型,NLNM J.Peterson 1993,NHNM J.Peterson 1993,德国Gorleben附近在地表（上）和井下300米处（下）的噪声记录所得的速度功率谱密度,环境背景噪声（包括海洋噪声）主要表现为面波，其幅度随深度呈现指数衰减的特点。,在地表以及井下不同深度的地震计阵列所得到的短周期地震噪声记录（左）和信号记录（右）,地震台站观测环境技术要求GB/T 19531-2004,台基噪声水平分级观测点与干扰源之间的距离台基噪声测试与计算,宽频带或甚宽频带观测台站设计示意图 主体建设在
7、地下，并采用了双层保温措施，具有风干扰小、温度变化小的特点,观测频带对记录信号的影响与速度成正比的宽带数字记录波形，为MOX台站记录的内华达核试验场的一次地下核试验。正的初动位移在记录BB中清晰可见，尽管信噪比很低。,地震数据的采集,相对于模拟地震观测来说，数字地震观测的关键是数据采集，完成数据采集任务的设备就是地震数据采集器。,数字地震观测台站设备配置,数据采集器,EDAS-24IP功能框图,DAC ADC,命令转发,EDAS-24IP信号处理流程图,模拟信号采样示意图,频域,时域,频率混叠示意图,ADC,逐次比较式模数转换器,Delta-Sigma ADC,1bit 码频谱与数字滤波器频率
8、特性,差分非线性,积分非线性,零位漂移,增益误差,ADC非量化误差,地震观测系统的时间特性,地震数据采集需要计时时钟来驱动，保证在采集数据中有时间标识一般采用协调世界时（UTC）现代的地震数据采集器都配置了内部的计时时钟，以及标准授时信号输入接口或内置GPS接收机GPS接收机或外置的其他标准时间设备用来提供标准时间信号，以便随时修订数据采集器内部的计时误差,地震观测系统,模拟地震观测系统人工值守地震台电信传输遥测地震台网数字地震观测系统数字地震观测台站数字地震观测台网,人工值守地震台设备配置示意图,模拟遥测地震台设备配置示意图,电信传输遥测台网中心设备配置示意图,电信传输遥测台网中心自动数据采
9、集系统示意图,数字地震观测台网示意图,数字地震观测台站示意图,国家地震台网台站设备配置示意图,线性动态系统和传递函数,线性动态系统的概念傅立叶变换与拉普拉斯变换线性动态系统传递函数离散时间系统Z变换线性、时不变离散时间系统的传递函数,线性动态系统的概念,动态系统即时系统，无记忆系统线性系统叠加性放大性时不变特性时不变线性动态系统的特征微分特性因果性,傅立叶变换,如果f(t)在区间（0，）上满足狄利克里条件（即f(t)存在有限个间断点和极限值），并且积分 收敛（或称f(t)绝对可积），则为f(t)的傅立叶变换。并有式中为角频率，傅立叶变换建立了时域和频域的对应关系。,在连续点在间断点,拉普拉斯变
10、换,正变换,逆变换,线性动态系统传递函数,对于一个稳定的线性动态系统，它的传递函数可以用一个有理分式形式的函数来表达：,传递函数的分子多项式的根称为它的零点，分母多项式的根称为它的极点。传递函数零点、极点的分布表征了系统的动态特征。一个稳定系统的传递函数的非实极点和非实零点可能成对出现，互为共轭复数，极点位于s平面的左半平面。,D=0.3D=0.707D=1.5,归一化的摆的二阶传递函数示例,D=0.3D=0.707D=1.5,归一化的摆的二阶传递函数示例,离散时间系统,时间离散信号：模拟信号经过采样后的序列离散时间系统：将输入序列变换成输出序列的一种运算 时不变系统：系统的变换关系不随时间变
11、化线性性质：满足叠加原理 因果性：系统n时刻的输出仅取决于n时刻和n时刻以前的输入,Z变换,序列x(n)的z变换定义为,收敛的充分必要条件为,线性、时不变离散时间系统的传递函数,用常系数线性差分方程来表示系统的输入输出关系：,当系统初始状态为零时，取z变换：,系统的传递函数为：,传递函数的零极点表达：,离散时间线性时不变系统的传递函数完全由它的零点、极点及常数A来决定。对于一个稳定系统，其极点应全部位于z平面单位圆内部。,传递函数示例,FIR数字滤波器：,上图为线性相位系统；下图为最小相位系统。,FIR数字滤波器示例,传递函数示例（机械摆传递函数的z域表达）,冲激响应不变法摆的自振频率：20H
12、z摆的阻尼：0.15采样率：20000,fr,幅频特性,dB,Hz,Hz,dB,传递函数的表达方式与频率特性计算,线性动态系统传递函数的表达方式根据线性动态系统传递函数计算频率特性线性时不变离散时间系统传递函数的表达方式根据线性时不变离散时间系统的传递函数计算频率特性,线性动态系统传递函数的表达方式,示例：JCZ-1型超宽频带地震计BB通道的传递函数,式中，K=1000Vs/m，m=2.42061020，K11=0.024682，K12=0.00030462，K21=533.15，K22=142122，K31=667.60，K41=488.72，K51=178.88，K32=K42=K52=119422。,传递函数的零点、极点表达：,根据线性动态系统传递函数计算频率特性,已知系统的传递函数H(s)可以直接令s=j代入H(s)来计算频率特性：,幅频特性：,相频特性：,线性时不变离散时间系统传递函数的表达方式,IIR数字滤波器传递函数的一般表达：,FIR数字滤波器传递函数的一般表达：,根据线性时不变离散时间系统的传递函数计算频率特性,数字滤波器频率特性的计算在z平面的单位圆上进行：,幅频特性：,相频特性：,
