CN112083481A - 一种通过加速度获取速度和位移的方法 - Google Patents

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陈尚武
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Abstract

本发明提供一种通过加速度获取速度和位移的方法，按照先后顺序分别包括以下5个部分：先获取加速度记录A的震前时长t(1)，对加速度记录A进行基线校正处理得到加速度记录A1(2)，对加速度记录A1进行巴特沃斯带通滤波处理得到加速度记录A2(3)，对加速度记录A2积分计算速度时程V(4)，以及对速度时程积分计算位移时程S(5)。采用本发明的技术方案，通过波形图对比，明显看出经过本发明方法计算之后，速度漂移和位移漂移效果不明显，基线漂移优化效果明显。

Description

一种通过加速度获取速度和位移的方法
技术领域
本发明涉及地震动数据处理技术领域，具体涉及一种通过加速度获取速度和位移的方法。
背景技术
强震仪是记录强烈地震近地面运动的自动触发式地震仪，被广泛的用于地震台网、流动台、核电站、大坝、水库等地方。强震仪记录的是三个方向(垂直、东西、南北)的加速度数据，记录时不仅包含了地震时地面运动信息，还包含有复杂的噪音，其中的低频噪音会导致加速度时程出现基线漂移。
基线漂移对加速度时程本身可能影响很小(一般不超过峰值加速度的2％)，但通过积分求速度时程时，基线漂移被放大；而通过积分求位移时程时，基线漂移被进一步放大，往往与真实的位移时程相差甚远。因此，在使用加速度时程计算速度时程和位移时程，一般需要对基线漂移进行处理。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是提供一种通过加速度获取速度和位移的方法，采用基线校正和巴特沃斯带通滤波加速度原始记录进行处理，然后对处理的加速度记录进行积分得到速度时程，再对速度时程进行积分得到位移时程。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种通过加速度获取速度和位移的方法，按照先后顺序分别包括以下5个部分：先获取加速度记录A的震前时长t(1)，对加速度记录A进行基线校正处理得到加速度记录A1(2)，对加速度记录A1进行巴特沃斯带通滤波处理得到加速度记录A2(3)，对加速度记录A2积分计算速度时程V(4)，以及对速度时程积分计算位移时程S(5)。
优选地，获取加速度记录A的震前时长t(1)的具体步骤如下：一般而言，一台强震仪的记录下来的加速度记录的震前时长t是固定的，这样将每台强震仪的震前时长存储到配置中，该配置可以存储在文件中、数据中或者内存中。从配置中获取震前时长t，如果震前时长t不存在，则需要根据加速度记录A计算出震前时长，然后将震前时长t存储到配置中,以方便下次计算时使用。
优选地，对加速度记录A进行基线校正处理得到加速度记录A1(2)的具体步骤如下：根据震前时长t计算出震前记录平均值avg，再将加速度记录A减去该平均值avg，得到加速度记录A1；
Figure BDA0002677223190000021
式中，fs为加速度记录的采样率，n为震前记录长度。
优选地，对加速度记录A1进行巴特沃斯带通滤波处理得到加速度记录A2(3)的具体步骤如下：为了过滤掉加速度记录中的低频噪音，这里采用巴特沃斯滤波算法对加速度记录A1进行0.01Hz至20Hz的带通滤波，滤波的阶数为4，得到加速度记录A2。
优选地，对加速度记录A2积分计算速度时程V(4)的具体步骤如下：
加速度记录A2是离散的数据，基于时间上是等间隔，强震仪的采样频率为100Hz、200H z，时间间隔为0.01s、0.005s，相邻数据之间时间间隔足够小，所以这里采用二阶龙格-库塔法(Runge-Kutta methods)，对加速度记录A2进行计算得到速度时程V；
其差分方程为：
Figure BDA0002677223190000022
优选地，对速度时程积分计算位移时程S(5)的具体步骤如下：同上述步骤(4)一样使用二阶龙格-库塔法，对速度时程V计算得到位移时程S。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，通过加速度、速度以及位移的波形图对比，明显看出经过本发明方法计算之后，速度漂移和位移漂移效果不明显，基线漂移优化效果明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1本发明的整体方法中流程示意图；
图2采用本发明整体方法对应加速度时程波形图；
图3作为图2对照组的加速度时程波形图；
图4采用本发明整体方法对应速度时程波形图；
图5作为图4对照组的速度时程波形图；
图6采用本发明整体方法对位移时程波形图；
图7作为图6对照组的位移时程波形图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1～7所示，本发明提供一种通过加速度获取速度和位移的方法，按照先后顺序分别包括以下5个部分：先获取加速度记录A的震前时长t(1)，对加速度记录A进行基线校正处理得到加速度记录A1(2)，对加速度记录A1进行巴特沃斯带通滤波处理得到加速度记录A2(3)，对加速度记录A2积分计算速度时程V(4)，以及对速度时程积分计算位移时程S(5)。
其中，获取加速度记录A的震前时长t(1)的具体步骤如下：一般而言，一台强震仪的记录下来的加速度记录的震前时长t是固定的，这样将每台强震仪的震前时长存储到配置中，该配置可以存储在文件中、数据中或者内存中。从配置中获取震前时长t，如果震前时长t不存在，则需要根据加速度记录A计算出震前时长，然后将震前时长t存储到配置中,以方便下次计算时使用。
对加速度记录A进行基线校正处理得到加速度记录A1(2)的具体步骤如下：根据震前时长t计算出震前记录平均值avg，再将加速度记录A减去该平均值avg，得到加速度记录A1；
Figure BDA0002677223190000031
式中，fs为加速度记录的采样率，n为震前记录长度。
对加速度记录A1进行巴特沃斯带通滤波处理得到加速度记录A2(3)的具体步骤如下：为了过滤掉加速度记录中的低频噪音，这里采用巴特沃斯滤波算法对加速度记录A1进行0.01Hz至20Hz的带通滤波，滤波的阶数为4，得到加速度记录A2。
对加速度记录A2积分计算速度时程V(4)的具体步骤如下：
加速度记录A2是离散的数据，基于时间上是等间隔，强震仪的采样频率为100Hz、200H z，时间间隔为0.01s、0.005s，相邻数据之间时间间隔足够小，所以这里采用二阶龙格-库塔法(Runge-Kutta methods)，对加速度记录A2进行计算得到速度时程V；
其差分方程为：
Figure BDA0002677223190000041
对速度时程积分计算位移时程S(5)的具体步骤如下：同上述步骤(4)一样使用二阶龙格-库塔法，对速度时程V计算得到位移时程S。
采用本发明的技术方案，通过波形图对比，明显看出经过本发明方法计算之后，速度漂移和位移漂移效果不明显，基线漂移优化效果明显。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种通过加速度获取速度和位移的方法，其特征在于，按照先后顺序分别包括以下5个部分：先获取加速度记录A的震前时长t(1)，对加速度记录A进行基线校正处理得到加速度记录A1(2)，对加速度记录A1进行巴特沃斯带通滤波处理得到加速度记录A2(3)，对加速度记录A2积分计算速度时程V(4)，以及对速度时程积分计算位移时程S(5)。
2.根据权利要求1中所述的一种通过加速度获取速度和位移的方法，其特征在于，获取加速度记录A的震前时长t(1)的具体步骤如下：
一般而言，一台强震仪的记录下来的加速度记录的震前时长t是固定的，这样将每台强震仪的震前时长存储到配置中，该配置存储在文件中、数据中或者内存中；从配置中获取震前时长t，如果震前时长t不存在，则需要根据加速度记录A计算出震前时长，然后将震前时长t存储到配置中,以方便下次计算时使用。
3.根据权利要求2中所述的一种通过加速度获取速度和位移的方法，其特征在于，对加速度记录A进行基线校正处理得到加速度记录A1(2)的具体步骤如下：根据震前时长t计算出震前记录平均值avg，再将加速度记录A减去该平均值avg，得到加速度记录A1；
Figure FDA0002677223180000011
式中，fs为加速度记录的采样率，n为震前记录长度。
4.根据权利要求3中所述的一种通过加速度获取速度和位移的方法，其特征在于，对加速度记录A1进行巴特沃斯带通滤波处理得到加速度记录A2(3)的具体步骤如下：为了过滤掉加速度记录中的低频噪音，这里采用巴特沃斯滤波算法对加速度记录A1进行0.01Hz至20Hz的带通滤波，滤波的阶数为4，得到加速度记录A2。
5.根据权利要求4中所述的一种通过加速度获取速度和位移的方法，其特征在于，对加速度记录A2积分计算速度时程V(4)的具体步骤如下：
加速度记录A2是离散的数据，基于时间上是等间隔，强震仪的采样频率为100Hz、200Hz，时间间隔为0.01s、0.005s，相邻数据之间时间间隔足够小，所以这里采用二阶龙格-库塔法(Runge-Kutta methods)，对加速度记录A2进行计算得到速度时程V；
其差分方程为：
Figure FDA0002677223180000012
6.根据权利要求5中所述的一种通过加速度获取速度和位移的方法，其特征在于，
对速度时程积分计算位移时程S(5)的具体步骤如下：同上述步骤(4)一样使用二阶龙格-库塔法，对速度时程V计算得到位移时程S。
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