一种甚宽频带地震计动态校准中振动台导轨不平顺的补偿方法与流程

本发明涉及一种甚宽频带地震计动态校准中振动台导轨不平顺的补偿方法。

背景技术：

地震计是一种常见的测振传感器，其广泛运用于地震预测和地面脉动的测量等领域，对地球物理、天文物理等基础学科的发展都具有重要的实际意义。由于地震计是一个复杂的机电一体化系统，其中机械结构的零部件与控制电路的元器件在使用一段时间后，其性能可能会发生变化，所以，在使用地震计之前，需要对其特性进行校准。

甚宽频带地震计具有频率下限低、灵敏度高的特点，在对其进行超低频校准时，振动台气浮导轨的不平顺、弹性元件的非线性和漏磁等因素都会对其校准结果产生影响。对于基于惯性原理的加速度传感器，其灵敏度在低于固有频率的部分基本为一常数，故在补偿加速度传感器校准中的振动台导轨不平顺因素影响时，往往用较高频率校准得到的灵敏度平均值作为超低频补偿的参考灵敏度，但是对于速度型的地震计，其幅频特性只有在中间段频率部分是平坦的，在较高频率和较低频率均是下跌的，所以无法估计出一个较为准确的参考灵敏度，即一般的振动台导轨不平顺因素的补偿方法不适用于速度型超低频地震计。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种甚宽频带地震计动态校准中振动台导轨不平顺的补偿方法。

一种甚宽频带地震计动态校准中振动台导轨不平顺的补偿方法，包括以下步骤：

(1)测出振动台导轨不平顺的程度，采用滑台与水平面的倾斜角表示，并将倾斜角度与振动台位移建立对应关系θ(x)；

(2)安装好地震计，并启动振动台在指定频率和振幅下振动；

(3)测量振动台的位移信号x(t)和地震计的输出信号use(t)；

(4)将步骤(3)测得的位移信号x(t)代入到θ(x)中，得出对应的导轨倾角变化信号θ(t)；

(5)重力加速度在地震计灵敏轴方向上的分量为ag(x)＝gsinθ(x)，由θ趋于无穷小，得到ag(x)＝gsinθ(x)≈gθ(x)，将步骤(4)中得到的导轨倾角变化信号θ(t)代入，得到由于导轨不平顺引起的附加加速度信号ag(t)；

(6)对步骤(5)得出的附加加速度信号ag(t)进行积分得到相应的速度信号vg(t)；

(7)将步骤(3)测出的振动台位移信号x(t)微分得到振动台主振动速度信号v(t)；

(8)将步骤(7)得出的振动台主振动速度信号v(t)和步骤(6)得出的附加速度信号vg(t)相加得到地震计实际感受的速度信号vre(t)＝v(t)+vg(t)；

(9)将步骤(3)测出的地震计输出信号use(t)和步骤(8)得出的地震计实际感受的速度信号vre(t)相除得到地震计在该频率点补偿后的灵敏度，

其中，Scomp为地震计补偿后的灵敏度，use(t)为未经处理的地震计输出电压信号，vre(t)表示地震计实际感受到的速度信号，符号<>表示取信号中主振动频率的幅值。

进一步，步骤(3)中，得出振动台的位移信号x(t)：

其中，A为振动台的振动位移幅值，f为主振动频率，φ为振动的相位，x为振动台的位移。

进一步，步骤(6)中，采用基于幅相调整重构的积分处理方法，对附加加速度信号ag(t)进行积分：

(6.1)将任意周期信号f(t)均看作若干个正弦信号叠加，

其中，n的取值范围为1，2，3，…；

(6.2)对单频正弦信号进行积分，

上式表示单频正弦信号的积分结果就是把原信号的幅值除以2πnf，相位减去π/2，再减去一个常量Cn，且由于灵敏度的计算分别取地震计输出电压信号和振动台速度信号的主振动频率分量幅值相除，所以高阶谐波分量和直流分量对灵敏度的计算没有影响，故在后续计算中都令Cn为零。

(6.3)对直流信号进行积分，

其中，Cn置零，积分后所得项为零，对计算不会产生影响。

用离散傅里叶变换得到被积分信号的幅值谱和相位谱，按照步骤(6.1)及(6.2)中的公式将被积分信号中的每个正弦信号分量分别进行积分，即将原信号的幅值除以2πnf作为积分后信号的幅值，相位减去π/2作为积分后信号的相位，根据步骤(6.3)中的公式对被积分信号中的直流分量进行积分，然后将积分后的信号叠加起来即可得到原信号的积分信号。

进一步，步骤(7)中，得出振动台主振动速度信号v(t)：

其中，A为振动台的振动位移幅值，f为主振动频率，φ为振动的相位，x为振动台的位移。

进一步，利用软件对振动台导轨不平顺因素补偿，具体包括以下步骤：

(1)采集地震计和光栅位移传感器的信号，并对其信号进行处理；

(2)计算出补偿前的灵敏度和补偿后的灵敏度；

(3)用表格记录补偿前的灵敏度和补偿后的灵敏度，将结果数据保存成Excel文件。

本发明的工作原理：先测出振动台位移与导轨不平顺程度的对应关系，在校准时同时采集振动台的位移和地震计的输出信号，根据振动台的位移可以得到由于导轨不平顺地震计感受到的重力加速度分量信号，接着将该信号积分后补偿到振动台的速度信号上即可得到地震计实际感受到的振动信号，分别计算地震计的输出信号和该振动信号的单频幅值并相除即可得到补偿后的灵敏度。

本发明的有益效果：

1、采用软件的方法补偿振动台导轨不平顺对地震计校准的影响，开发成本较低，且相对于提高硬件加工精度的方法更加容易实现。

2、本方法针对速度型地震计对导轨不平顺的补偿方法做出改进，实现甚宽频带地震计动态校准中振动台导轨不平顺的补偿。

3、本发明提供了一种基于幅相调整重构的积分方法，通过DFT(离散傅里叶变换)求待积分信号的幅度谱和相位谱，对每个频率分量进行积分，再将每个频率的积分叠加得到原信号的积分信号，采用这种方法可以避免时域积分容易受噪声和直流分量的影响而引入的趋势项，也可以避免频域积分容易受低频段误差的影响，可以方便的减小低频误差和直流量对积分结果的影响。

附图说明

图1为地震计工作原理框图。

图2为地震计在不平顺导轨上的加速度分析图。

图3为地震计超低频校准中导轨不平顺因素的补偿步骤流程图。

图4为基于幅相调整重构的积分方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1-4所示，一种甚宽频带地震计动态校准中振动台导轨不平顺的补偿方法，包括以下步骤：

(1)测出振动台导轨不平顺的程度，采用滑台与水平面的倾斜角表示，并将倾斜角度与振动台位移建立对应关系θ(x)；

(2)安装好地震计，并启动振动台在指定频率和振幅下振动；

(3)测量振动台的位移信号x(t)和地震计的输出信号use(t)；

(4)将步骤(3)测得的位移信号x(t)代入到θ(x)中，得出对应的导轨倾角变化信号θ(t)；

(5)重力加速度在地震计灵敏轴方向上的分量为ag(x)＝gsinθ(x)，由θ趋于无穷小，得到ag(x)＝gsinθ(x)≈gθ(x)，将步骤(4)中得到的导轨倾角变化信号θ(t)代入，得到由于导轨不平顺引起的附加加速度信号ag(t)；

(6)对步骤(5)得出的附加加速度信号ag(t)进行积分得到相应的速度信号vg(t)；

(7)将步骤(3)测出的振动台位移信号x(t)微分得到振动台主振动速度信号v(t)；

(8)将步骤(7)得出的振动台主振动速度信号v(t)和步骤(6)得出的附加速度信号vg(t)相加得到地震计实际感受的速度信号vre(t)＝v(t)+vg(t)；

(9)将步骤(3)测出的地震计输出信号use(t)和步骤(8)得出的地震计实际感受的速度信号vre(t)相除得到地震计在该频率点补偿后的灵敏度，

其中，Scomp为地震计补偿后的灵敏度，use(t)为未经处理的地震计输出电压信号，vre(t)表示地震计实际感受到的速度信号，符号< >表示取信号中主振动频率的幅值。

步骤(3)中，得出振动台的位移信号x(t)：

其中，A为振动台的振动位移幅值，f为主振动频率，φ为振动的相位，x为振动台的位移。

步骤(6)中，采用基于幅相调整重构的积分处理方法，对附加加速度信号ag(t)进行积分：

(6.1)将任意周期信号f(t)均看作若干个正弦信号叠加，

其中，n的取值范围为1，2，3，…；

(6.2)对单频正弦信号进行积分，

上式表示单频正弦信号的积分结果就是把原信号的幅值除以2πnf，相位减去π/2，再减去一个常量Cn，且由于灵敏度的计算分别取地震计输出电压信号和振动台速度信号的主振动频率分量幅值相除，所以高阶谐波分量和直流分量对灵敏度的计算没有影响，故在后续计算中都令Cn为零。

(6.3)对直流信号进行积分，

由上式可知，Cn置零，积分后所得项为零，对计算不会产生影响。

用离散傅里叶变换得到被积分信号的幅值谱和相位谱，按照步骤(6.1)及(6.2)中的公式将被积分信号中的每个正弦信号分量分别进行积分，即将原信号的幅值除以2πnf作为积分后信号的幅值，相位减去π/2作为积分后信号的相位，根据步骤(6.3)中的公式对被积分信号中的直流分量进行积分，然后将积分后的信号叠加起来即可得到原信号的积分信号。

步骤(7)中，得出振动台主振动速度信号v(t)：

其中，A为振动台的振动位移幅值，f为主振动频率，φ为振动的相位，x为振动台的位移。

利用软件对振动台导轨不平顺因素补偿，具体包括以下步骤：

(1)采集地震计和光栅位移传感器的信号，并对其信号进行处理；

(2)计算出补偿前的灵敏度和补偿后的灵敏度；

(3)用表格记录补偿前的灵敏度和补偿后的灵敏度，将结果数据保存成Excel文件。

本发明的工作原理：先测出振动台位移与导轨不平顺程度的对应关系，在校准时同时采集振动台的位移和地震计的输出信号，根据振动台的位移可以得到由于导轨不平顺地震计感受到的重力加速度分量信号，接着将该信号积分后补偿到振动台的速度信号上即可得到地震计实际感受到的振动信号，分别计算地震计的输出信号和该振动信号的单频幅值并相除即可得到补偿后的灵敏度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。