1、本科毕业论文（20 届）海面风场与陆地地面噪声之间的关系研究所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录目 录中文摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外研究概况 .11.3 研究路线 .2第二章 陆地脉动噪声信号简介 .42.1 脉动噪声信号概述 .42.2 脉动噪声的产生机制 .52.3 脉动噪声信号的应用 .6第三章 信号的处理方法 .73.1 时域分析 .73.1.1 均方根速度分析 .73.2 频域分析 .83.2.1 傅里叶变换 .83.2.2 功率谱分析 .9第四章 陆地脉动噪声信
2、号的处理与分析 .114.1 风场、脉动数据 .114.2 数据处理与分析 .114.2.1 风场数据分析 .114.2.2 脉动信号数据分析 .13第五章 总结 .17参考文献 .18致谢 .19本科毕业论文 中文摘要I海面风场与陆地地面噪声之间的关系研究中文摘要利用功率谱分析，对嵊泗观测台站宽频地震仪记录的 1,4,7,10 月的地震噪声信号进行傅里叶变换，计算其功率谱密度函数。通过对该信号发生期间风场强度的比较，发现在 0-10Hz 之间，7 月的脉动信号能量比其他月份在陆地台站产生的信号要强，有一个明显的跃升。由于风场对脉动噪声信号的影响一般集中在 0-10Hz 之间，这与 7 月风场
3、强度有着显著的联系。风场强度大，风携带的能量强，经过海洋、陆地的相互作用后产生的陆地脉动噪声就相应的变强。功率谱图 0Hz 附近，谱线同样有一个相对的难以清晰辨认的跃升。这表明，海面风暴对陆地地面震颤的卓越周期的存在。得到两者之间的联系为地震观测台站对风场进行某些分析预测提供了可能的借鉴。在今后的研究中，甚至可能通过脉动噪声信号对风暴轨迹进行追踪。这也是本文在今后的研究方向。关键词：脉动噪声信号；风场；均方根分析；傅立叶变换；功率谱分析本科毕业论文 英文摘要IIAbstractUsing the power spectrum analysis in Shengsi observation st
4、ations, the use of broadband seismometers record 1,4,7,10 months of earthquake noise signal Fourier transform, calculates the power spectral density function. Compare the signal during the wind field intensity, found that July pulsing signals in energy than any other month produced terrestrial stati
5、ons between in zero to ten Hz, is a clear signal of stronger jumped. Wind noise signal to ripple effects of general concentration in the zero to ten hz between July wind field intensity with significant contact. Wind field intensity big, resulting in strong energy, wind carried by sea, land after th
6、e interaction of the land produced the strong pulsation of the noise will accordingly. Near zero Hz power spectrum diagram, spectrum line also had a relatively difficult to clearly identify the jumped. This shows that the storm to the terrestrial ground the existence of the predominant period thrill
7、s. Get the contact between, for some analysis and prediction of wind field provided the possibility for reference. In the future, and may even through the pulse noise signal to the storm trajectory tracking. This is based on the future research direction.Keywords: pulse noise signal; wind field; RMS
8、 analysis; Fourier transform; power spectrum analysis本科毕业论文 绪论1第一章 绪论1.1 研究背景在地震台网的观测中，处于非大地震时段内，在背景上也会一直记录有微小的振动。由于科学界缺乏对它的认识，一直以来这方面的研究都没有引起足够的重视。在背景上记录的非大地震时间的这些陆地震荡信号在振幅上远远小于在大地震时间内的振幅，信号的能量相对弱，而且信号的随机性非常强。对于这类震荡信号，由于有效信号的信噪比非常低，应用传统的研究手段无法从中识别出任何有效的信息。它们经常出现在非地震时期，由非地震因素产生，常常将其作为噪声成分舍弃掉。然而近年来，陆
9、地地面噪声信号越来越受到科学家广泛的关注，逐渐成为研究热点，对信号的研究分析方法也有了新的进展。随着科学技术的进步和科学家研究的深入，对于陆地地面噪声的认识在不断地加深。综合前人的认识，陆地噪声在本质上就是地震波。在一般情况下，任何时刻在地球表面的任何地点，都可以用高度灵敏的仪器观测到非地震引起的这种振幅非常小的微弱脉动噪声，其振幅一般只有几微米到几十微米。我们也把这种人体难以察觉到的小振幅震颤和低频的微震动称为地脉动。面对庞大的连续的自由振荡信号，我们如何利用现有的观测手段，如何才能从中找到些许有效的信息，是现实留给我们的难题。在不同地区观测到的脉动噪声信号，由于各种因素的共同影响，信号所表
10、现的特征是截然不同的。比如，由于潮汐运动产生的震颤和由于火山运动产生的震颤在许多特性上都表现出不同的信号特质。因此，我们对陆地地面噪声的研究还处在初级阶段，且正在不断的积累过程中。在低频震颤信号的长期研究中，研究人员从丰富多样的信号中发现其中一些噪声信号与海面热带风场有着很多显著的联系。为了确定陆地地面震颤信号与海面热带风场之间的关联性，本文对西太平洋的热带风场和中国地震台站观测到的地震背景噪声信号进行研究，以期获得初步的结论。1.2 国内外研究概况在十九世纪中叶之前，人们在进行地震的研究分析时，并不关注那些在地震图上反映出来的微小振幅，只是当作误差、噪声删除掉。直到人们发现一种有规律且带有周
11、期性的颤动，才慢慢开始研究这一类的地脉动。意大利的修道士伯太利(Bertelli , T)于 18691872 年曾对脉动作过系统的研究。这是对脉动的早期认识。日本是对地脉动研究最早、最多和最富有成果的国家。在二十世纪初，OMORI 利用高放大倍数的测振仪器放大所记录的脉动信号，发现了周期在 1s 以下的地微动，并指出这个微动周期与地震动的周期是相同的。之后在二十世纪三十年代，本科毕业论文 绪论2ISAHIMOTO 提出场地卓越周期的概念，对后人在场地分类鉴别的研究上做出了卓越的贡献。1957 年，由地震学家 Aki 提出的用地震产生的背景噪声来研究地球内部结构的设想，出于理论和应用上的不成熟
12、，并未引起大家的广泛重视。到了二十世纪七十年代，Otsuka、Tera 和 Kubo 等研究人员开始对周期大于 1s的地脉动进行观测和研究。之后，我国国内的一些研究人员开始重视与此相关方面的课题研究，也开始借助脉动观测来评价场地的特性。2004 年，Shapiro 和 Campillo 等联合发表的著名论文Emergence of broadband Rayleigh waves from correlation of the ambient seismic noise一文，成为了创立地震背景噪声研究的奠基石。我国地脉动的研究是在上世纪 60 年代开始的，场地分类、卓越周期和震害关系的研究及应
13、用是当时研究的主要课题。胡聿贤教授及其领导的研究小组就是当时我国地脉动研究领域的研究先锋之一。他们对地脉动做了大量的测试和研究工作，在确定卓越周期为划分场地类别的重要性研究上得到了丰富的研究成果，并于 1964 年制定了我国抗震建筑设计规范中将地脉动的卓越周期确定为场地分类的参考指标。近年来，地脉动的观测研究在岩土工程领域虽然取得了一些进展。然而，由于地脉动的产生机理及影响因素的复杂性，地脉动的特性在土木工程中的应用仍处在初步研究阶段。对于陆地噪声的研究大都集中在抗震、建筑等等应用领域，对陆地噪声信号的产生机理和原因也不是很清楚。人们更不会想到陆地地面噪声与海面风场之间会有什么关系。直到上个世
14、纪三、四十年代，Gherzi、 Banerrji 等注意到台风对脉动的幅值有很重要的影响，通过对脉动与台风之间联系的相关研究，发现了噪声信号与大气运动之间的相关性。由于台风期间各个陆地台站均能观察到噪声震动的明显增加，因此有很多人就将注意力转向脉动变化与台风的位置、强度、以及中心风速之间的关系研究，希望由此能够揭示脉动源以及脉动的性质。在 1950 年，英国的海洋学家Higgins 提出了应用海浪驻波理论解释海洋引起地脉动的方法。2001 年，Bromirski等人又对十年前发生在西北太平洋上的“完美”风暴所引起的海浪变化以及风暴期间的仪器观测得到的脉动变化进行了研究。他们利用相关分析等数学工
15、具对海上不同测点的特定周期的海浪浪高的变化与大陆上某一固定台站上记录到的特定周期的脉动变化之间进行分析，得到了两者之间很高的相关系数。在国内，金星、康兰池等也利用 2005 年发生的几次对福建省造成重大影响的台风，对期间福建省地震台网记录的脉动信号研究了均方根速度和卓越周期随着台风变化而发生的变化，并建立了均方根速度和卓越周期两个模型。1.3 研究路线本科毕业论文 绪论3本文的研究主要是围绕海面风场数据和地震台站观测的噪声数据的分析处理来展开的。全文共有六章。第一章主要介绍了本文的研究背景以及国内外对相关课题的研究状况，对其做了一个简单的回顾与梳理，并对接下来要做的工作做一个安排。第二章对脉动
16、噪声信号的概念做了一个简单的介绍，了解其定义和分类情况。同时，讲解了目前海洋学界比较认可的脉动噪声信号的产生机制，描述了脉动信号在目前现实中的应用价值。第三章主要介绍脉动信号处理过程中应用到的理论依据。主要包括时域分析技术、均方根速度分析在波形分析上的重要作用；频域分析技术、傅立叶变换应用在功率谱密度函数分析。第四章重在对风场数据和陆地地面脉动噪声信号数据的作图、比较、分析。通过对研究数据的处理分析，来验证发现风场与脉动噪声信号之间的联系。第五章对整篇文章做了最后总结，得出本次研究课题的结论，综述研究成果。本科毕业论文 陆地脉动噪声信号简介4第二章 陆地脉动噪声信号简介2.1 脉动噪声信号概述
17、Peterson 及其研究小组对全球 75 个地震台站记录的数据进行了去噪处理，包括仪器噪声、非典型噪声和地震事件的影响，并且对每一个台站进行噪声功率谱密度曲线分析，得到了其上下界限地球新高背景噪声模型（NHNM）和低背景噪声模型（NLNM） ，如图 2.1 所示。图 2.1 地球背景噪声加速度功率谱密度曲线。其中实线表示新低背景噪声模型（New Low-Noise Model， NLNM） ，虚线表示新高背景噪声模型（New High-Noise Model，NHNM ） 。从图 1 中我们可以看出，在 5-10s 和 10-20s 的周期之间地球背景噪声存在两个明显的峰值，地震学家习惯将这
18、个周期范围内的背景噪声称之为地脉动（Microseim） 。在地震台站观测到的陆地地面脉动噪声信号一般分为两大类：第一类是随机性的噪声信号。其特点有能量的大小难以估量，信号来源的位置不确定，震动传播的方向不明确等等属性。没有发生实质性天然地震时所记录到的在地球内部传播的地震波就属于随机性的噪声信号。第二类是确定性的噪声信号。其特点有能量的大小可以估计，信号来源的位置基本确定，震动传播的方向基本知晓等等属性。使用天然地震仪或人工地震勘探仪器接收到的，诸如汽车火车等的交通工具、工厂里的机器噪声等产生的，通过地球内部传播之后所接收到的地震波，就属于确定性的噪声信号。同时，按周期的长短把陆地地面脉动噪
19、声分为两大类：一是短周期地脉动，即常时微动，一般周期在 0. 11 s 之间 ，波长相对较短，是地脉动信号中反映场地本科毕业论文 陆地脉动噪声信号简介5土动态特性的成分，对同一场地接收到的信号相对稳定。它主要是近距离的人类活动、交通运输、机械振动等人为振动因素引起的；二是长周期地脉动，即脉动，一般周期为一秒至几十秒，波长相对较长，是地脉动中反映振源特性的成分，不同的振源反映的信号不同。它主要是由海浪、风雨、气候、雷电、火山、地震等自然现象变化引起的，由较远距离的振源或海洋波浪、大气环流及地球内部构造运动所激发，可利用这些噪声信号研究地震、台风、火山及地球内部的其它运动，通常可用面波的传播特征理
20、论进行解释。图 2.2 脉动信号分类本文主要对陆地脉动噪声信号与海面风场之间的联系进行研究总结。由海面风场引起的噪声信号由于受到大气、海洋、陆地的多种因素的共同影响，随机性强，其规律难以捉摸，对信号的分析也集中在长周期随机脉动信号的研究上，所以，在信号的分析过程中，将随机性的脉动噪声作为本文的研究对象。对由确定噪声源引起的其它信号，本文不做讨论。2.2 脉动噪声的产生机制国外的海洋研究人员在对地脉动进行研究后认为噪声信号的产生同海浪与海岸的相互作用有着密切的关系。科研人员研究分析了不同周期的噪声信号，在总结众多的成果后，对各周期脉动信号的产生有了一定的初步了解。他们认为周期在10-20s之间的
21、第一类脉动噪声信号一般是由浅海海浪压力驱动下产生的，其周期同全球海浪的主要周期一致；周期在5-10s之间的第二类脉动噪声信号是在近海岸经过非线性耦合的驻波作用下产生的。这两类陆地脉动噪声信号都是在海洋与陆地的相互作用之下产生的。而周期为100s以上的背景噪声，在科学界有两大说法：其一是大气、Earth HumPrimary MicroseismSecondary Microseism本科毕业论文 陆地脉动噪声信号简介6地球相互作用引起的；其二是噪声源于海洋次重力波的驱使，是大气、海洋和海岸三者共同作用耦合的结果。利用分布在全球的18个台阵研究了周期在0.24-2.5s 的噪声成分，发现Lg波是
22、主要的噪声来源，同时也含有Pn、Pg等体波成分。在风力驱动下，甚至可以产生10-60Hz的高频广谱噪声。Stehly 及其研究小组利用美国、欧洲和坦桑尼亚若干个台站一年的数据对不同周期的噪声进行了分析。他们发现，5-10s 的噪声源能量十分稳定，并不随季节变化，其来源集中在海岸线附近。但 10-20s 的噪声则显示了明显的季节性变化，其来源可能并不来自于海岸线，而是起源于大洋深水区的海浪波动。Yang 和 Ritzwoller 用类似的方式选用更多的台站对噪声来源进行了研究后发现，10-20s 以及 5-10s 的噪声来源都表现出了明显的季节性变化，且都源自海岸线。Pedersen 等利用台阵
23、 FK 分析方法对芬兰地区的噪声研究同样认为地脉动频段内的噪声确实起源于海岸线。对陆地脉动噪声信号的产生机理在海洋学界目前还没有一个公认的结果，研究也还在不断的积累之中。而且，对地脉动噪声的认识还非常浅薄，对日后的研究分析提出了更多的挑战。2.3 脉动噪声信号的应用将地震噪声信号作为一种有实际意义的信号来研究，对于发展城市地球物理学，对于在传统震源的禁区开展地震勘探和地震学研究，无疑具有非常重大的现实意义。这不仅是一项理论创新性的研究课题，还是一项颇具经济和社会效益、前景广阔的研究课题。脉动噪声信号是连续的时间函数，观测研究它所携带的大量地球内部构造信息，在较短的时间内完成全球或局部地区地壳、
24、地幔以及地球深部构造的描述，以及深部构造对浅部地质现象形成的耦合机理的认识，无疑是一次研究地球内部环境的新的尝试。研究在为利用地震学探索深层地下构造寻找震源的同时，也为在无干扰环境下开展城市以及人口稠密地区的地球物理探测工作进行了理论和应用技术上的储备。不仅如此，我们还能借助地脉动信号的谱分析，可确定场地的卓越频率，进行场地的土特征鉴别。日本科学家的许多研究表明，地脉动的某些特性与地震震害有关。从这一意义讲，地脉动的研究对进一步探索地面强震特性有积极意义.随着，地脉动将得到越来越广泛的应用。由于地脉动产生的机理和影响因素是十分复杂的，目前它的许多成果仍处于研究阶段，不够成熟，所以对地脉动的研究，尚有大量工作要做。但由于地脉动信号现场观测方便，成本低，加上如今电子计算机和信息分析处理技术的高度发展，以及对地脉动传播机理的进一步研究和信号分析技术的不断完善，相信地脉动将在众多工程领域得到越来越广泛的应用。同样，研究海面风场与脉动噪声之间的关系为研究风场提供了一项新的技术突
