大地電場數(shù)據(jù)頻譜分析及幅值提取軟件的研發(fā)

王利兵，李細順，王 靜，胡秀娟，羅 娜，暢國平，賈 華，于春頌

（1.河北省地震局紅山基準地震臺，河北 邢臺 054000；2.河北省地震局秦皇島中心地震臺，河北 秦皇島 066000）

0 引言

地電場是地球物理基本場之一，分布于地表的地電場可分為大地電場和自然電場［1］。大地電場是由電離層（高約100km）中的電流體系在地下感應產(chǎn)生的電場，強度在地面上隨時間、地點而異。它的變化周期有11年、1年、1月、24小時、12小時、8小時、6小時以及更短的周期，幅度一般以毫伏／千米計算。近十幾年來，電極技術的改善，為地電場觀測的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。在此基礎上，實施“九五”、首都圈示范工程及“十五”計劃，已建成數(shù)字化地電場觀測網(wǎng)。

紅山基準地震臺ZD9A－II地電場儀是2007年1月開始試運行，2008年正式運行并參加評比。ZD9AII地電場儀是用于觀測地表地電場強度的專用儀器，具有高靈敏度、大動態(tài)范圍及良好的抗干擾能力和較高的可靠性等特點。主要用來觀測地電場強度及其時空變化，為地球物理場研究和地震監(jiān)測預測服務。

國內(nèi)外已開展大地電場觀測用于地震預測的研究多年，并記錄到部分地震電信號。從理論研究和室內(nèi)巖石力學實驗的結果出發(fā)，不少地震學家預言地震前有異常電信號存在，但這些信號混雜于正常大地電場變化的背景中不易識別。顯然，尋找并分離正常變化與異常信號的方法是大地電場法預報地震的一項重要研究內(nèi)容［2］。充分利用數(shù)字化觀測資料，開展地電場預測地震的研究，對于推動我國地電場觀測與研究，具有重要的意義［3］。對觀測數(shù)據(jù)進行傅立葉變換可以提取電信號中各頻率成分的幅值，可對大地電場的強度、頻率分布進行研究。在此基礎上，對數(shù)據(jù)進行分時間段處理，提取不同時間段同一頻率的幅值，可對大地電場的某一頻率信號強度隨時間的變化進行分析，研究其震前異常信息。為此，研發(fā)“大地電場數(shù)據(jù)頻譜分析及幅值提取軟件”。

1 觀測數(shù)據(jù)文件格式

ZD9A－II地電場儀觀測數(shù)據(jù)為文本格式，分兩列，為時間和其對應的觀測值（見表1）。時間序列數(shù)據(jù)前四位數(shù)字代表年，之后每兩位數(shù)字分別代表月、日、時、分。ZD9A－II地電場儀采樣率為1次／（分鐘·通道），測量準確度優(yōu)于±（0.1%讀數(shù)＋0.02%滿度），測量分辨力優(yōu)于10μV，頻帶范圍為DC～0.005Hz，測量范圍為±1 000.000mV，動態(tài)范圍不小于100dB。

表1 ZD9A－Ⅱ地電場儀觀測數(shù)據(jù)格式Table.1 Observational data format of ZD9A－Ⅱgeoelectric meter

2 軟件設計與開發(fā)

2.1 軟件設計

軟件需要有一個良好的用戶界面，通過一些選項來進行數(shù)據(jù)路徑及必要功能的設置，可以方便、大量地進行數(shù)據(jù)運算及處理。

軟件的功能主要包括：

（1）觀測數(shù)據(jù)分段頻譜分析。

（2）各段數(shù)據(jù)頻譜同頻幅值提取。

2.2 軟件開發(fā)

Matlab是一門計算機編程語言，取名來源于Matrix Laboratory，本意是專門以矩陣的方式來處理計算機數(shù)據(jù)，它把數(shù)值計算和可視化環(huán)境集成到一起，非常直觀，而且提供大量的函數(shù)，工具箱越來越多，應用范圍也越來越廣。

利用Matlab語言可方便地建立軟件圖形用戶界面（見圖1）。圖中各個按鈕功能如下：

（1）“數(shù)據(jù)文件名”按鈕用于指定數(shù)據(jù)文件的名稱。

（2）“數(shù)據(jù)載入”按鈕用于加載觀測數(shù)據(jù)，主要由“textread”函數(shù)完成。

（3）“傅氏變換”按鈕用于數(shù)據(jù)分段頻譜分析并存儲，主要由“fft”函數(shù)和“fprintf”函數(shù)完成。

（4）“數(shù)據(jù)提取”按鈕用于從各段頻譜數(shù)據(jù)文件中提取某一頻率對應的幅值并存儲，主要由“dir”函數(shù)、“textread”函數(shù)、“fprintf”函數(shù)完成。

（5）“退出”按鈕用于退出軟件。

圖1 軟件圖形用戶界面Fig.1 Graphical user interface of the software

2.3 軟件運行環(huán)境

此軟件由 Matlab7.0語言研發(fā)，其運行需要有Matlab7.0或以上版本語言平臺；程序運行處理大量的觀測數(shù)據(jù)，需要有足夠的內(nèi)存，至少1G以上。

2.4 軟件操作步驟及注意事項

（1）在程序目錄下雙擊“waveFormAnalysis.fig”文件或在Matlab命令行中輸入字符“waveFormAnalysis”回車，軟件運行顯示用戶界面。軟件運行時，圖形界面文件（＊.fig）和各功能文件（＊.m）應在同一目錄中。

（2）單擊“數(shù)據(jù)文件名”按鈕，打開數(shù)據(jù)文件選擇窗口，指定要處理的原始觀測數(shù)據(jù)文件。

（3）單擊“數(shù)據(jù)載入”按鈕，加載觀測數(shù)據(jù)，并在圖形顯示區(qū)顯示數(shù)據(jù)波形。

（4）單擊“傅氏變換”按鈕，對加載的數(shù)據(jù)進行分段傅里葉變換，在圖形顯示區(qū)顯示變換結果，存儲結果數(shù)據(jù)。變換結果數(shù)據(jù)文件名前3個字符為“fft”，其后為數(shù)據(jù)段的起始日期，年為4位數(shù)，月、日均為2位數(shù)，如，“fft20121221.txt”。文件數(shù)據(jù)分兩列，分別為頻率值及其對應的幅值（見表2）。

表2 傅里葉變換結果文件數(shù)據(jù)格式Table.2 File data format of Fourier transform results

（5）單擊“數(shù)據(jù)提取”按鈕，將各段數(shù)據(jù)的傅氏變換結果文件中的某一指定頻率對應的幅值提取出來，與其時間一起存入數(shù)據(jù)文件中（見表3）。數(shù)據(jù)文件名以頻率代碼字符開頭，其后為觀測數(shù)據(jù)文件名，如，“FHW20110101－20120111.txt”?！癉W”為日波數(shù)據(jù)，“HDW”為半日波數(shù)據(jù)，“EHW”為8小時波數(shù)據(jù)，“SHW”為6小時波數(shù)據(jù)，“FHW”為4小時波數(shù)據(jù)。

（6）單擊“退出”按鈕，退出軟件。

3 軟件數(shù)據(jù)應用

利用EXCEL辦公軟件，打開此軟件提取的各段數(shù)據(jù)傅氏變換結果文件中的某一指定頻率對應的幅值，所形成的數(shù)據(jù)文件（以“固定寬度”方式打開），則第1列為日期值，第2列為幅值。以日期值為橫坐標，以某一頻率幅值或同一測道不同頻率幅值的比值為縱坐標畫圖（見圖2）。圖中，圖2a為高郵臺原始數(shù)據(jù)波形圖，圖2b為同一測道的半日波與日波幅值的比值曲線圖。從圖中可以清楚地看到，比值隨時間的變化曲線，從曲線形態(tài)上可直觀地分析研究大地電場背景信號與異常信號，總結異常信號的特點及規(guī)律。同時，也可對同一頻率不同測道的結果數(shù)據(jù)進行對比分析，從同步形態(tài)或其差分數(shù)值上找出異常信號。

表3 同一頻率幅值數(shù)據(jù)文件格式Table.3 Data format of the same frequency amplitude

4 結語

該軟件作為地電場儀觀測數(shù)據(jù)的一個處理工具，在大地電場數(shù)據(jù)分析、研究過程中，可起到一定的輔助作用。大地電場信號成分復雜，只有某些電信號成分對地震孕育過程反應敏感，利用此軟件可以完成信號頻率的抽取，方便工作人員和分析研究人員針對性地對電信號進行辨別、分析、研究，有利于大地電場前兆異常信號的研究工作，提高數(shù)據(jù)的利用價值。由于數(shù)據(jù)分析是相通的，利用此軟件還可以對具有相同格式的其他觀測儀器數(shù)據(jù)進行分析處理，得到相似的研究成果。如有需要，對軟件稍做修改，可以處理多道數(shù)據(jù)，并進行對比分析，得到推廣應用。

圖2 同測道半日波與日波幅值比變化曲線Fig.2 Amplitude ratio variation of semidiurnal wave and daily wave at the same trace

［1］高玉芬，錢家棟.地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范（電磁觀測）［M］.北京：地震出版社，2002：20－70.

［2］田 山，王建國，徐學恭，等.大地電場觀測地震前兆異常提取技術研究［J］.地震學報，2009，31（4）：424－431.

［3］馬君釗，張 磊，關華平，等.大地電場觀測各類干擾源的調研與分析［J］.地震地磁觀測與研究，2010，31（5）：65－72.