海面風(fēng)場與陸地地面噪聲之間的關(guān)系研究【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　海面風(fēng)場與陸地地面噪聲之間的關(guān)系研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 海

2、洋科學(xué) </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　目 錄</b&

3、gt;</p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究概況1</p><

4、p>　　1.3 研究路線2</p><p>　　第二章 陸地脈動噪聲信號簡介4</p><p>　　2.1 脈動噪聲信號概述4</p><p>　　2.2 脈動噪聲的產(chǎn)生機制5</p><p>　　2.3 脈動噪聲信號的應(yīng)用6</p><p>　　第三章 信號的處理方法7</p><

5、;p><b>　　3.1時域分析7</b></p><p>　　3.1.1均方根速度分析7</p><p>　　3.2 頻域分析8</p><p>　　3.2.1 傅里葉變換8</p><p>　　3.2.2 功率譜分析9</p><p>　　第四章 陸地脈動噪聲信號的處理與分析

6、11</p><p>　　4.1 風(fēng)場、脈動數(shù)據(jù)11</p><p>　　4.2 數(shù)據(jù)處理與分析11</p><p>　　4.2.1風(fēng)場數(shù)據(jù)分析11</p><p>　　4.2.2脈動信號數(shù)據(jù)分析13</p><p><b>　　第五章 總結(jié)17</b></p><p

7、><b>　　參考文獻(xiàn)18</b></p><p><b>　　致謝19</b></p><p>　　海面風(fēng)場與陸地地面噪聲之間的關(guān)系研究</p><p><b>　　中文摘要</b></p><p>　　利用功率譜分析，對嵊泗觀測臺站寬頻地震儀記錄的1,4,7,10

8、月的地震噪聲信號進(jìn)行傅里葉變換，計算其功率譜密度函數(shù)。通過對該信號發(fā)生期間風(fēng)場強度的比較，發(fā)現(xiàn)在0-10Hz之間，7月的脈動信號能量比其他月份在陸地臺站產(chǎn)生的信號要強，有一個明顯的躍升。由于風(fēng)場對脈動噪聲信號的影響一般集中在0-10Hz之間，這與7月風(fēng)場強度有著顯著的聯(lián)系。風(fēng)場強度大，風(fēng)攜帶的能量強，經(jīng)過海洋、陸地的相互作用后產(chǎn)生的陸地脈動噪聲就相應(yīng)的變強。</p><p>　　功率譜圖0Hz附近，譜線同樣有一個

9、相對的難以清晰辨認(rèn)的躍升。這表明，海面風(fēng)暴對陸地地面震顫的卓越周期的存在。得到兩者之間的聯(lián)系為地震觀測臺站對風(fēng)場進(jìn)行某些分析預(yù)測提供了可能的借鑒。在今后的研究中，甚至可能通過脈動噪聲信號對風(fēng)暴軌跡進(jìn)行追蹤。這也是本文在今后的研究方向。</p><p>　　關(guān)鍵詞：脈動噪聲信號；風(fēng)場；均方根分析；傅立葉變換；功率譜分析</p><p><b>　　Abstract</b>

10、;</p><p>　　Using the power spectrum analysis in Shengsi observation stations, the use of broadband seismometers record 1,4,7,10 months of earthquake noise signal Fourier transform, calculates the power spect

11、ral density function. Compare the signal during the wind field intensity, found that July pulsing signals in energy than any other month produced terrestrial stations between in zero to ten Hz, is a clear signal of stron

12、ger jumped. Wind noise signal to ripple effects of general concentration in the zero</p><p>　　Near zero Hz power spectrum diagram, spectrum line also had a relatively difficult to clearly identify the jumped

13、. This shows that the storm to the terrestrial ground the existence of the predominant period thrills. Get the contact between, for some analysis and prediction of wind field provided the possibility for reference. In th

14、e future, and may even through the pulse noise signal to the storm trajectory tracking. This is based on the future research direction.</p><p>　　Keywords: pulse noise signal; wind field; RMS analysis; Fourie

15、r transform; power spectrum analysis</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　在地震臺網(wǎng)的觀測中，處于非大地震時段內(nèi)，在背景上也會一直記錄有微小的振動。由于科學(xué)界缺乏對它的認(rèn)識，一直以來這方面的研究都沒有

16、引起足夠的重視。在背景上記錄的非大地震時間的這些陸地震蕩信號在振幅上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在大地震時間內(nèi)的振幅，信號的能量相對弱，而且信號的隨機性非常強。對于這類震蕩信號，由于有效信號的信噪比非常低，應(yīng)用傳統(tǒng)的研究手段無法從中識別出任何有效的信息。它們經(jīng)常出現(xiàn)在非地震時期，由非地震因素產(chǎn)生，常常將其作為噪聲成分舍棄掉。然而近年來，陸地地面噪聲信號越來越受到科學(xué)家廣泛的關(guān)注，逐漸成為研究熱點，對信號的研究分析方法也有了新的進(jìn)展。</p>

17、<p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和科學(xué)家研究的深入，對于陸地地面噪聲的認(rèn)識在不斷地加深。綜合前人的認(rèn)識，陸地噪聲在本質(zhì)上就是地震波。在一般情況下，任何時刻在地球表面的任何地點，都可以用高度靈敏的儀器觀測到非地震引起的這種振幅非常小的微弱脈動噪聲，其振幅一般只有幾微米到幾十微米。我們也把這種人體難以察覺到的小振幅震顫和低頻的微震動稱為地脈動。</p><p>　　面對龐大的連續(xù)的自由振蕩信號，我們?nèi)绾卫矛F(xiàn)

18、有的觀測手段，如何才能從中找到些許有效的信息，是現(xiàn)實留給我們的難題。在不同地區(qū)觀測到的脈動噪聲信號，由于各種因素的共同影響，信號所表現(xiàn)的特征是截然不同的。比如，由于潮汐運動產(chǎn)生的震顫和由于火山運動產(chǎn)生的震顫在許多特性上都表現(xiàn)出不同的信號特質(zhì)。因此，我們對陸地地面噪聲的研究還處在初級階段，且正在不斷的積累過程中。在低頻震顫信號的長期研究中，研究人員從豐富多樣的信號中發(fā)現(xiàn)其中一些噪聲信號與海面熱帶風(fēng)場有著很多顯著的聯(lián)系。為了確定陸地地面震顫

19、信號與海面熱帶風(fēng)場之間的關(guān)聯(lián)性，本文對西太平洋的熱帶風(fēng)場和中國地震臺站觀測到的地震背景噪聲信號進(jìn)行研究，以期獲得初步的結(jié)論。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究概況</p><p>　　在十九世紀(jì)中葉之前，人們在進(jìn)行地震的研究分析時，并不關(guān)注那些在地震圖上反映出來的微小振幅，只是當(dāng)作誤差、噪聲刪除掉。直到人們發(fā)現(xiàn)一種有規(guī)律且?guī)в兄芷谛缘念潉?，才慢慢開始研究這一類的地脈動。意大利的修道士

20、伯太利(Bertelli , T)于1869～1872年曾對脈動作過系統(tǒng)的研究。這是對脈動的早期認(rèn)識。</p><p>　　日本是對地脈動研究最早、最多和最富有成果的國家。在二十世紀(jì)初，OMORI利用高放大倍數(shù)的測振儀器放大所記錄的脈動信號，發(fā)現(xiàn)了周期在1s以下的地微動，并指出這個微動周期與地震動的周期是相同的。之后在二十世紀(jì)三十年代，ISAHIMOTO提出場地卓越周期的概念，對后人在場地分類鑒別的研究上做出了卓

21、越的貢獻(xiàn)。</p><p>　　1957年，由地震學(xué)家Aki提出的用地震產(chǎn)生的背景噪聲來研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)想，出于理論和應(yīng)用上的不成熟，并未引起大家的廣泛重視。</p><p>　　到了二十世紀(jì)七十年代，Otsuka、Tera和Kubo等研究人員開始對周期大于1s的地脈動進(jìn)行觀測和研究。之后，我國國內(nèi)的一些研究人員開始重視與此相關(guān)方面的課題研究，也開始借助脈動觀測來評價場地的特性。<

22、;/p><p>　　2004年，Shapiro和Campillo等聯(lián)合發(fā)表的著名論文《Emergence of broadband Rayleigh waves from correlation of the ambient seismic noise》一文，成為了創(chuàng)立地震背景噪聲研究的奠基石。</p><p>　　我國地脈動的研究是在上世紀(jì)60年代開始的，場地分類、卓越周期和震害關(guān)系的研究及

23、應(yīng)用是當(dāng)時研究的主要課題。胡聿賢教授及其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就是當(dāng)時我國地脈動研究領(lǐng)域的研究先鋒之一。他們對地脈動做了大量的測試和研究工作，在確定卓越周期為劃分場地類別的重要性研究上得到了豐富的研究成果，并于1964年制定了我國抗震建筑設(shè)計規(guī)范中將地脈動的卓越周期確定為場地分類的參考指標(biāo)。近年來，地脈動的觀測研究在巖土工程領(lǐng)域雖然取得了一些進(jìn)展。然而，由于地脈動的產(chǎn)生機理及影響因素的復(fù)雜性，地脈動的特性在土木工程中的應(yīng)用仍處在初步研究階段。&

24、lt;/p><p>　　對于陸地噪聲的研究大都集中在抗震、建筑等等應(yīng)用領(lǐng)域，對陸地噪聲信號的產(chǎn)生機理和原因也不是很清楚。人們更不會想到陸地地面噪聲與海面風(fēng)場之間會有什么關(guān)系。直到上個世紀(jì)三、四十年代，Gherzi、Banerrji等注意到臺風(fēng)對脈動的幅值有很重要的影響，通過對脈動與臺風(fēng)之間聯(lián)系的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)了噪聲信號與大氣運動之間的相關(guān)性。由于臺風(fēng)期間各個陸地臺站均能觀察到噪聲震動的明顯增加，因此有很多人就將注意力

25、轉(zhuǎn)向脈動變化與臺風(fēng)的位置、強度、以及中心風(fēng)速之間的關(guān)系研究，希望由此能夠揭示脈動源以及脈動的性質(zhì)。在1950年，英國的海洋學(xué)家Higgins提出了應(yīng)用海浪駐波理論解釋海洋引起地脈動的方法。2001年，Bromirski等人又對十年前發(fā)生在西北太平洋上的“完美”風(fēng)暴所引起的海浪變化以及風(fēng)暴期間的儀器觀測得到的脈動變化進(jìn)行了研究。他們利用相關(guān)分析等數(shù)學(xué)工具對海上不同測點的特定周期的海浪浪高的變化與大陸上某一固定臺站上記錄到的特定周期的脈動變

26、化之間進(jìn)行分析，得到了兩者之間很高的相關(guān)系數(shù)。在國內(nèi)，金星、康蘭池等也利用2005年發(fā)生的幾次對福建省造成重大影響的臺風(fēng)，對期間福建省地震臺網(wǎng)記錄的脈動信號研究了均</p><p><b>　　1.3 研究路線</b></p><p>　　本文的研究主要是圍繞海面風(fēng)場數(shù)據(jù)和地震臺站觀測的噪聲數(shù)據(jù)的分析處理來展開的。全文共有六章。</p><p>

27、;　　第一章主要介紹了本文的研究背景以及國內(nèi)外對相關(guān)課題的研究狀況，對其做了一個簡單的回顧與梳理，并對接下來要做的工作做一個安排。</p><p>　　第二章對脈動噪聲信號的概念做了一個簡單的介紹，了解其定義和分類情況。同時，講解了目前海洋學(xué)界比較認(rèn)可的脈動噪聲信號的產(chǎn)生機制，描述了脈動信號在目前現(xiàn)實中的應(yīng)用價值。</p><p>　　第三章主要介紹脈動信號處理過程中應(yīng)用到的理論依據(jù)。主要

28、包括時域分析技術(shù)、均方根速度分析在波形分析上的重要作用；頻域分析技術(shù)、傅立葉變換應(yīng)用在功率譜密度函數(shù)分析。</p><p>　　第四章重在對風(fēng)場數(shù)據(jù)和陸地地面脈動噪聲信號數(shù)據(jù)的作圖、比較、分析。通過對研究數(shù)據(jù)的處理分析，來驗證發(fā)現(xiàn)風(fēng)場與脈動噪聲信號之間的聯(lián)系。</p><p>　　第五章對整篇文章做了最后總結(jié)，得出本次研究課題的結(jié)論，綜述研究成果。</p><p>

29、　　第二章 陸地脈動噪聲信號簡介</p><p>　　2.1 脈動噪聲信號概述</p><p>　　Peterson及其研究小組對全球75個地震臺站記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪處理，包括儀器噪聲、非典型噪聲和地震事件的影響，并且對每一個臺站進(jìn)行噪聲功率譜密度曲線分析，得到了其上下界限——地球新高背景噪聲模型（NHNM）和低背景噪聲模型（NLNM），如圖2.1所示。</p><p

30、>　　圖2.1 地球背景噪聲加速度功率譜密度曲線。其中實線表示新低背景噪聲模型（New Low-Noise Model，NLNM），虛線表示新高背景噪聲模型（New High-Noise Model，NHNM）。</p><p>　　從圖1中我們可以看出，在5-10s和10-20s的周期之間地球背景噪聲存在兩個明顯的峰值，地震學(xué)家習(xí)慣將這個周期范圍內(nèi)的背景噪聲稱之為地脈動（Microseim）。</p

31、><p>　　在地震臺站觀測到的陸地地面脈動噪聲信號一般分為兩大類：第一類是隨機性的噪聲信號。其特點有能量的大小難以估量，信號來源的位置不確定，震動傳播的方向不明確等等屬性。沒有發(fā)生實質(zhì)性天然地震時所記錄到的在地球內(nèi)部傳播的地震波就屬于隨機性的噪聲信號。第二類是確定性的噪聲信號。其特點有能量的大小可以估計，信號來源的位置基本確定，震動傳播的方向基本知曉等等屬性。使用天然地震儀或人工地震勘探儀器接收到的，諸如汽車火車等

32、的交通工具、工廠里的機器噪聲等產(chǎn)生的，通過地球內(nèi)部傳播之后所接收到的地震波，就屬于確定性的噪聲信號。</p><p>　　同時，按周期的長短把陸地地面脈動噪聲分為兩大類：一是短周期地脈動，即常時微動，一般周期在0. 1～1 s之間 ，波長相對較短，是地脈動信號中反映場地土動態(tài)特性的成分，對同一場地接收到的信號相對穩(wěn)定。它主要是近距離的人類活動、交通運輸、機械振動等人為振動因素引起的；二是長周期地脈動，即脈動，一般

33、周期為一秒至幾十秒，波長相對較長，是地脈動中反映振源特性的成分，不同的振源反映的信號不同。它主要是由海浪、風(fēng)雨、氣候、雷電、火山、地震等自然現(xiàn)象變化引起的，由較遠(yuǎn)距離的振源或海洋波浪、大氣環(huán)流及地球內(nèi)部構(gòu)造運動所激發(fā)，可利用這些噪聲信號研究地震、臺風(fēng)、火山及地球內(nèi)部的其它運動，通?？捎妹娌ǖ膫鞑ヌ卣骼碚撨M(jìn)行解釋。</p><p>　　圖2.2 脈動信號分類</p><p>　　本文主要對

34、陸地脈動噪聲信號與海面風(fēng)場之間的聯(lián)系進(jìn)行研究總結(jié)。由海面風(fēng)場引起的噪聲信號由于受到大氣、海洋、陸地的多種因素的共同影響，隨機性強，其規(guī)律難以捉摸，對信號的分析也集中在長周期隨機脈動信號的研究上，所以，在信號的分析過程中，將隨機性的脈動噪聲作為本文的研究對象。對由確定噪聲源引起的其它信號，本文不做討論。</p><p>　　2.2 脈動噪聲的產(chǎn)生機制</p><p>　　國外的海洋研究人員在

35、對地脈動進(jìn)行研究后認(rèn)為噪聲信號的產(chǎn)生同海浪與海岸的相互作用有著密切的關(guān)系?？蒲腥藛T研究分析了不同周期的噪聲信號，在總結(jié)眾多的成果后，對各周期脈動信號的產(chǎn)生有了一定的初步了解。他們認(rèn)為周期在10-20s之間的第一類脈動噪聲信號一般是由淺海海浪壓力驅(qū)動下產(chǎn)生的，其周期同全球海浪的主要周期一致；周期在5-10s之間的第二類脈動噪聲信號是在近海岸經(jīng)過非線性耦合的駐波作用下產(chǎn)生的。這兩類陸地脈動噪聲信號都是在海洋與陸地的相互作用之下產(chǎn)生的。而周期

36、為100s以上的背景噪聲，在科學(xué)界有兩大說法：其一是大氣、地球相互作用引起的；其二是噪聲源于海洋次重力波的驅(qū)使，是大氣、海洋和海岸三者共同作用耦合的結(jié)果。利用分布在全球的18個臺陣研究了周期在0.24-2.5s的噪聲成分，發(fā)現(xiàn)Lg波是主要的噪聲來源，同時也含有Pn、Pg等體波成分。在風(fēng)力驅(qū)動下，甚至可以產(chǎn)生10-60Hz的高頻廣譜噪聲。</p><p>　　Stehly及其研究小組利用美國、歐洲和坦桑尼亞若干個臺

37、站一年的數(shù)據(jù)對不同周期的噪聲進(jìn)行了分析。他們發(fā)現(xiàn)，5-10s的噪聲源能量十分穩(wěn)定，并不隨季節(jié)變化，其來源集中在海岸線附近。但10-20s的噪聲則顯示了明顯的季節(jié)性變化，其來源可能并不來自于海岸線，而是起源于大洋深水區(qū)的海浪波動。Yang和Ritzwoller用類似的方式選用更多的臺站對噪聲來源進(jìn)行了研究后發(fā)現(xiàn)，10-20s以及5-10s的噪聲來源都表現(xiàn)出了明顯的季節(jié)性變化，且都源自海岸線。Pedersen等利用臺陣FK分析方法對芬蘭地區(qū)

38、的噪聲研究同樣認(rèn)為地脈動頻段內(nèi)的噪聲確實起源于海岸線。</p><p>　　對陸地脈動噪聲信號的產(chǎn)生機理在海洋學(xué)界目前還沒有一個公認(rèn)的結(jié)果，研究也還在不斷的積累之中。而且，對地脈動噪聲的認(rèn)識還非常淺薄，對日后的研究分析提出了更多的挑戰(zhàn)。</p><p>　　2.3 脈動噪聲信號的應(yīng)用</p><p>　　將地震噪聲信號作為一種有實際意義的信號來研究，對于發(fā)展城市地球

39、物理學(xué)，對于在傳統(tǒng)震源的禁區(qū)開展地震勘探和地震學(xué)研究，無疑具有非常重大的現(xiàn)實意義。這不僅是一項理論創(chuàng)新性的研究課題，還是一項頗具經(jīng)濟(jì)和社會效益、前景廣闊的研究課題。</p><p>　　脈動噪聲信號是連續(xù)的時間函數(shù)，觀測研究它所攜帶的大量地球內(nèi)部構(gòu)造信息，在較短的時間內(nèi)完成全球或局部地區(qū)地殼、地幔以及地球深部構(gòu)造的描述，以及深部構(gòu)造對淺部地質(zhì)現(xiàn)象形成的耦合機理的認(rèn)識，無疑是一次研究地球內(nèi)部環(huán)境的新的嘗試。研究在為

40、利用地震學(xué)探索深層地下構(gòu)造尋找震源的同時，也為在無干擾環(huán)境下開展城市以及人口稠密地區(qū)的地球物理探測工作進(jìn)行了理論和應(yīng)用技術(shù)上的儲備。</p><p>　　不僅如此，我們還能借助地脈動信號的譜分析，可確定場地的卓越頻率，進(jìn)行場地的土特征鑒別。日本科學(xué)家的許多研究表明，地脈動的某些特性與地震震害有關(guān)。從這一意義講，地脈動的研究對進(jìn)一步探索地面強震特性有積極意義.</p><p>　　隨著，地脈

41、動將得到越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　由于地脈動產(chǎn)生的機理和影響因素是十分復(fù)雜的，目前它的許多成果仍處于研究階段，不夠成熟，所以對地脈動的研究，尚有大量工作要做。但由于地脈動信號現(xiàn)場觀測方便，成本低，加上如今電子計算機和信息分析處理技術(shù)的高度發(fā)展，以及對地脈動傳播機理的進(jìn)一步研究和信號分析技術(shù)的不斷完善，相信地脈動將在眾多工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　同樣，

42、研究海面風(fēng)場與脈動噪聲之間的關(guān)系為研究風(fēng)場提供了一項新的技術(shù)突破口。通過對風(fēng)場變化期間脈動的響應(yīng)，對研究風(fēng)場的物理特性提供了可能的借鑒意義，甚至用以對臺風(fēng)等強熱帶風(fēng)暴進(jìn)行追蹤。</p><p>　　第三章 信號的處理方法</p><p><b>　　3.1時域分析</b></p><p>　　對觀測信號進(jìn)行波形分析主要利用時域分析技術(shù)。時域分析

43、通過信號隨時間的波形來計算信號的均方根、峰值等等統(tǒng)計參數(shù)。通過統(tǒng)計分析學(xué)來研究陸地噪聲信號的統(tǒng)計特征。時域分析的波形是記錄信號的各種頻率在背景上的疊加，反映了陸地臺站所記錄的信號的振動特性。均方根是時域分析的一種，它與信號的能量相關(guān)，其值的變化反映的是能量的變化，在地脈動的研究方法中具有不可取代的優(yōu)越性。</p><p>　　3.1.1均方根速度分析</p><p>　　以過程的觀點來分析

44、信號，隨時間變化的速度v(t)是一個連續(xù)隨機變量，我們通過計算某一時間窗內(nèi)的均方根值來凸顯出信號的統(tǒng)計學(xué)特征。我們選定為時間窗長，則均方根速度的計算表達(dá)式為：</p><p>　　. 3-1</p><p>　　上式是均方根的連續(xù)方程，將3-1式離散化，得到了均方根離散方程。設(shè)時間間隔為，陸地臺站記錄到的速度為v(t)，為時間窗長，則該時間窗長內(nèi)

45、所包含的速度值有那么均方根速度為：</p><p><b>　　3-2</b></p><p>　　其中n為該時間段內(nèi)的采樣個數(shù)，</p><p>　　假設(shè)觀測點某一質(zhì)點的能量為E，且 E~ 3-3</p><p>　　則在時間窗長內(nèi)的總能量為： 3-4<

46、;/p><p>　　其平均能量為： 3-5</p><p>　　即： 3-6</p><p>　　從3-6式我們可以看出，在時間窗長內(nèi)的信號的平均能量是與均方根速度的二次方成正比的。所以我們認(rèn)為，均方根速度是平均能量的一種度量，以均方根速

47、度的變化來反映能量的變化，從而在不同的時間窗長內(nèi)對陸地臺站接收到的噪聲信號的變化進(jìn)行追蹤研究。</p><p><b>　　3.2 頻域分析</b></p><p>　　由巴塞伐爾定理(時域中計算的信號總能量等于在頻域中計算的信號總能量)得知，頻域分析與時域分析一樣，是分析信號攜帶完整信息的有效方法。但是與時域分析不同的是，頻域分析是將隨時間連續(xù)變化的信號分解成不同頻

48、率的信號成分。我們在前面說到，時域分析是不同頻率信號在背景上的疊加，而頻域分析就是將信號都有些什么頻率的波動、哪些頻率的波動最強烈直觀地表現(xiàn)出來，是對信號各頻率成分幅值變化的情況的反映，即反映信號頻率結(jié)構(gòu)組成。這就是頻域分析在信號分析中的不可替代的優(yōu)越性。它對信號本身進(jìn)行分解，通過剖解信號來認(rèn)識信號的組成。</p><p>　　3.2.1 傅里葉變換</p><p>　　假設(shè)f(t)是定義

49、于的非周期函數(shù)，它滿足如下兩個條件：(i)在t的任何有限區(qū)間上，f(t)是分段光滑的，且至多具有第一類間斷點；(ii)積分存在；</p><p><b>　　則有</b></p><p><b>　　3-7</b></p><p>　　上式就是f(t)的傅里葉變換式，而f(t)和f(w)分別稱為傅里葉變換的原函數(shù)和像函數(shù)，

50、記為，而對于的式子，稱之為傅里葉逆變換。</p><p>　　對于陸地臺站觀測到的實自變量連續(xù)信號f(t)，其時域到頻域的傅里葉變換為</p><p><b>　　3-8</b></p><p>　　如果對該積分對的任何實數(shù)值都存在，即</p><p>　　<0

51、 3-9</p><p>　　則稱為f(t)的傅里葉變換。</p><p>　　一般是復(fù)數(shù)，即 3-10</p><p>　　其中就是f(t)的幅值譜，就是f(t)的能量譜，就是f(t)的相位譜。</p><p>　　傅里葉變換是對信號從時域到頻域的變換，其頻譜是各種頻率成分的幅值變化圖。由3-8式可以知道，傅里葉變換是在整

52、個時間域上的變換，它對信號的反映是在整個時間域上的頻率體現(xiàn)。應(yīng)注意到，傅里葉變換是研究整個時域和頻域的關(guān)系。在對信號的分析過程中，我們也許需要進(jìn)行頻譜和波形的雙重分析，利用傅里葉變換和其逆變換可以對信號在時域和頻域的雙向轉(zhuǎn)換，這就是傅里葉變換具有的特定優(yōu)勢。但是，傅里葉變換也有它的不足之處。由于其變換是在整個時間域上進(jìn)行的，所以傅里葉變換并不是局域的。像函數(shù)必須由整個時域上的原函數(shù)f(t)才能決定，而且它沒有顯示頻率隨時間的變化，因此它

53、不能滿足信號分析研究的實際需要。</p><p>　　我們一般對信號的頻譜分析主要有幅值譜、相位譜、功率譜的分析。嚴(yán)格來說，我們在分析信號的過程中，如果只有幅值譜的分析，并沒有完整地分析出信號所攜帶的全部信息。在幅值譜的分析時，還必須加上相位譜分析，我們才算是對信號進(jìn)行了完整地讀取。</p><p>　　3.2.2 功率譜分析</p><p>　　對于隨機信號，由于

54、其樣本曲線的波形具有隨機性，而且是時域上的無限信號，難以滿足傅里葉變換條件，因而從理論上講，隨機信號不太適合直接進(jìn)行傅里葉變換作幅值譜和相位譜分析，而是應(yīng)用具有統(tǒng)計特征的功率譜密度函數(shù)在頻域內(nèi)對隨機信號作頻譜分析，它是研究平穩(wěn)隨機過程的重要方法。</p><p>　　對于平穩(wěn)隨機信號x(t)，若其均值為零且不含周期成分，則其自相關(guān)函數(shù)Rx(→∞)=0, 滿足傅里葉變換條件</p><p>

55、<b>　　3-11</b></p><p>　　于是存在如下關(guān)于Rx()的傅里葉變換對：</p><p><b>　　3-12</b></p><p><b>　　3-13</b></p><p>　　定義Sx(jf)為隨機信號x(t)的功率譜密度函數(shù)，簡稱功率譜。Rx()是

56、對信號x(t)的時延域分析，Sx(jf)是在頻域分析，它們所包含的信息是完全相同的。</p><p>　　Rx()為實偶函數(shù)，故Sx(jf)也為實偶函數(shù)。Sx(jf)是(，)頻率范圍內(nèi)的功率譜。由于Sx(jf)為實偶函數(shù)，而在實際應(yīng)用中頻率不能為負(fù)值，因此，用在(0，)頻率范圍內(nèi)的單邊功率譜Gx(jf)表示信號的全部功率譜(見圖2)，即</p><p><b>　　3-14<

57、;/b></p><p>　　圖3.1 單邊功率譜和雙邊功率譜</p><p>　　當(dāng)=0時，根據(jù)式(3-13)，有</p><p><b>　　3-15</b></p><p>　　而根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的定義式，則</p><p><b>　　3-16</b><

58、/p><p><b>　　比較上述兩式，則</b></p><p><b>　　3-17</b></p><p>　　在整個系統(tǒng)中，如果x(t)是位移-時間歷程，x2(t)就反映蓄積在脈動源上的勢能；而如果x(t)是速度-時間歷程，x2(t)就反映系統(tǒng)運動的動能。因此，x2(t)可以看作脈動信號的能量，x2(t)/T表示脈動噪

59、聲信號x(t)的功率，而則為脈動噪聲信號x(t)的總功率。由式(3-11)可知，Sx(jf)曲線下的總面積與x2(t)/T曲線下的總面積相等。故Sx(jf )曲線下的總面積就是脈動噪聲信號的總功率。它是由無數(shù)不同頻率上的功率元Sx(jf )df組成，Sx(jf )的大小表示總功率在不同頻率處的功率分布。因此，Sx(jf )表示信號的功率密度沿頻率軸的分布，故又稱Sx(jf)為功率譜密度函數(shù)。<

60、;/p><p>　　與幅值譜相似，功率譜也反映信號的頻率結(jié)構(gòu)。由于功率譜反映的是脈動噪聲信號幅值的平方，因而其頻率結(jié)構(gòu)特性在譜圖上更為明顯。然而，功率譜分析同樣丟掉了相位信息，利用功率譜分析僅僅能獲得信號的幅頻特性，而不能得到信號的相頻特性。</p><p>　　第四章 陸地脈動噪聲信號的處理與分析</p><p>　　4.1 風(fēng)場、脈動數(shù)據(jù)</p>&l

61、t;p>　　本文旨在研究海面風(fēng)場與陸地地面噪聲之間的聯(lián)系，選取2010年1，4，7，10月風(fēng)速變化差距較大的西太平洋風(fēng)場，其所需的風(fēng)場數(shù)據(jù)下載自http://dss.ucar.edu/datasets/ds337.0/，數(shù)據(jù)由美國國家環(huán)境監(jiān)測中心（NECP）收集，主要輸入到全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（GDAS）用于最終分析。數(shù)據(jù)報告的時間間隔在1小時到12小時之間，包含大氣溫度、壓強，位高，海溫，海壓，風(fēng)向，風(fēng)速。數(shù)據(jù)格式為NetCDF，大

62、小為26.38G。</p><p>　　選取嵊泗地震觀測臺站（SHS）1，4，7，10月00：20~3：15這一時間段內(nèi)寬頻地震儀記錄的脈動觀測數(shù)據(jù)。由于在這一時間段，嵊泗的脈動信號受到人為影響的可能性相對較小，數(shù)據(jù)的可靠性相對較高。數(shù)據(jù)格式為.dat格式，大小為4.03G。</p><p>　　4.2 數(shù)據(jù)處理與分析</p><p>　　4.2.1風(fēng)場數(shù)據(jù)分析&l

63、t;/p><p>　　對2010年1，4，7，10月的風(fēng)場數(shù)據(jù)，按經(jīng)緯度以風(fēng)速風(fēng)向變量畫出西太平洋區(qū)域的月平均圖（如圖4.1-4.6）。比較四幅圖在嵊泗列島的風(fēng)速大小可知，7月份的風(fēng)速明顯比1，4，10月的大，而1，4，10月之間風(fēng)速相差無幾，且4個月的風(fēng)速均小于1m/s。1月吹北風(fēng)，4月吹東北風(fēng)，7月吹東南風(fēng)，10月吹東北風(fēng)。</p><p><b>　　圖4.1</b>

64、;</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p><b>　　圖4.3</b></p><p><b>　　圖4.4</b></p><p>　　4.2.2脈動信號數(shù)據(jù)分析</p><p>　　按照脈動信號的原始數(shù)據(jù)，不做任何處理，選取1

65、，4，7，10月的同一天進(jìn)行畫圖分析。以17號為例，其波形如圖4.5。我們利用功率譜密度函數(shù)分析四個月這一天的信號（如圖4.6，橫軸為頻率，縱軸為功率譜密度函數(shù)值），可以看出四個月的信號頻率成分都在0~50Hz之間，且從0至50Hz函數(shù)值在逐漸下降，即能量在逐漸遞減，0~5Hz和40~50Hz是衰減最快的頻段。這說明噪聲信號是由頻率成分在0~50Hz之間的脈動組成的，且脈動成分中，0~5Hz的脈動所攜帶的能量最強，而40~50Hz的能量

66、最弱。同時，從圖上可以看出，在22~27Hz之間，四個月的功率譜都有一個卓越，這在四個月的其他幾天都能顯著地觀察到。</p><p>　　圖4.5 1，4，7，10月17號數(shù)據(jù)波形分析</p><p>　　圖4.6 1，4，7，10月的功率譜密度函數(shù)圖</p><p>　　下面，我們對這四個月分別兩兩比較，得到圖4.7。</p><p>　

67、　圖4.7 1，4，7，10月功率譜密度函數(shù)比較。</p><p>　　從圖4.7的四幅圖的比較來看，我們發(fā)現(xiàn)，1，4，10月在功率譜上非常相似，三者基本在背景上較好吻合。而7月和1，10月的功率譜密度的比較中，我們可以從背景上看出，在0~10Hz之間7月的功率譜明顯高于1，10月的功率譜。在這段頻率域內(nèi)的躍升，我們認(rèn)為是由于海面風(fēng)場的變化引起的。海面風(fēng)場的變化引起海浪的起伏變化，在淺海地區(qū)，由于海水較淺，海浪

68、的起伏產(chǎn)生的海底壓力的化明顯。由此，海底在風(fēng)場變化期間不斷產(chǎn)生壓力的變化引起了震顫，傳導(dǎo)到陸地，被陸地地震臺站接收到。多數(shù)研究表明，風(fēng)場變化引起的脈動噪聲信號的變化范圍就在0~10Hz的頻段內(nèi)。本文也得到了相同的結(jié)果。</p><p>　　由于本文選取的數(shù)據(jù)測點太少，不能進(jìn)行更細(xì)致的分析，難以對0~5Hz頻段內(nèi)的信號成分有更明顯的表征，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真的情況，這也困擾了我們繼續(xù)深入研究。但是，我們從圖4.6中還是隱

69、約可以看出，在接近0Hz的微小頻段內(nèi)，同樣有一個小小的譜線躍升情況。研究指出，在臺風(fēng)產(chǎn)生，發(fā)展，消亡的生命過程中，陸地地面臺站記錄的信號在0.13~0.3Hz之間是信號的卓越頻率。在這個頻率域內(nèi)，脈動信號的能量很強，顯著高于其周圍水平。而圖4.6的這個不明顯的躍升是否就是因為風(fēng)場的變化引起的卓越頻率本文還無法給出確切的答案，有待更深入的研究。</p><p>　　圖4.8 1，4，7，10月功率譜密度函數(shù)比較。

70、</p><p>　　圖4.8與圖4.7完全不同，是12號的功率譜密度函數(shù)分析圖。圖4.8中，4，7月的脈動信號顯示出很強的規(guī)律性，且7月份的功率譜高于4月份，更高于1，10月的值；1，10月的功率譜值相近，只在43~50Hz之間有差別。信號在圖4.8上的不同，本文認(rèn)為其規(guī)律性可能是由于受到機械噪聲等的人為因素的影響，覆蓋了原來的微小脈動，能量也隨之增加，遠(yuǎn)大于平常的噪聲水平。</p><p&

71、gt;　　在地震背景噪聲信號的研究上，關(guān)于確定性人為噪聲的研究目前已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。在記錄噪聲信號，對信號進(jìn)行分析后，研究人員完全可以辨認(rèn)出信號中的人為機械因素的影響，對這方面的研究也在不斷的發(fā)展進(jìn)步。</p><p><b>　　第五章 總結(jié)</b></p><p>　　隨機性陸地地面噪聲由于其微小的振幅難以用傳統(tǒng)的分析方法進(jìn)行處理，增加了對噪聲信號的認(rèn)識難度。寬

72、頻地震觀測技術(shù)提供了前所未有的豐富的地球物理信號，對其觀測中的新信息和未知信息的探索、挖掘是一個正在展開的領(lǐng)域。目前寬頻地震觀測中的小振幅震顫和低頻的微震動越來越受到廣泛關(guān)注，逐漸成為研究熱點。這些多樣化的信號中一部分噪聲信號是由海面風(fēng)場的變化引起。本文對海面風(fēng)場與脈動噪聲之間的關(guān)系做了一個比較完整的梳理，對前人的研究結(jié)果進(jìn)行了部分驗證。</p><p>　　對脈動噪聲信號的研究一般都要分析其波形特征、成分特征、

73、能量特征等等。本文總結(jié)了信號分析中的時域頻域的理論基礎(chǔ)，對均方根分析、傅立葉變換、功率譜分析做了重要的介紹，以期達(dá)到完善處理分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)知識。</p><p>　　在脈動噪聲信號的分析過程中，本文沒有對原始信號進(jìn)行必要的預(yù)處理，但是，同樣得到了期待的結(jié)果。一方面，這說明陸地地面噪聲與海面風(fēng)場的聯(lián)系相當(dāng)深刻，受到強烈的干擾還能表現(xiàn)出相關(guān)性；另一方面，由于沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到的結(jié)果不是很清晰，受到了白噪聲等等

74、其他因素的影響。這對研究或多或少都產(chǎn)生了一定的可靠性影響。</p><p>　　在對噪聲信號進(jìn)行功率譜分析后，得出7月份脈動噪聲信號相比其他3月要強，而7月份風(fēng)場最強。通過不同時間段風(fēng)場的變化與陸地脈動響應(yīng)的頻率在0~10Hz之間，定性地認(rèn)為兩者之間存在著某些相關(guān)性，驗證了前人的研究成果。同時，還從圖中看出信號微弱的卓越頻率現(xiàn)象。還有待繼續(xù)深入研究。與此同時，本文還對受到強烈人為干擾因素影響的信號進(jìn)行功率譜分析，

75、發(fā)現(xiàn)了明顯規(guī)律性和高能量覆蓋的可能性。</p><p>　　研究陸地地面脈動噪聲信號與海面風(fēng)場之間的聯(lián)系還是一項目前比較前沿的課題，有關(guān)于兩者之間的聯(lián)系，科學(xué)界還沒有一個明確的定論，對其分類也還比較粗淺，就其產(chǎn)生機制也還未明確。同樣，它也對我們的認(rèn)識提出了新的挑戰(zhàn)，在研究方法、技術(shù)上，還要求研究人員推陳出新，發(fā)現(xiàn)更好更快更精確的方法。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)<

76、/b></p><p>　　[1] 金星, 康蘭池．利用寬頻帶速度記錄的頻域特征研究臺風(fēng)[J ]．自然災(zāi)害學(xué)報, 2007, 16(4):27-35.</p><p>　　[2] 王梅, 季愛東, 鄭建常. 臺風(fēng)引起的重力擾動現(xiàn)象[J ]. 地震學(xué)報, 2009, 31(6): 641-649.</p><p>　　[3] 張雁濱, 蔣駿, 李勝樂, 陳德璁,

77、 楊輝, 李暢. 熱帶氣旋引起的震顫波[J ]. 地球物理學(xué)報, 2010, 53(2): 335-341.</p><p>　　[4] 敖威, 趙明輝, 阮愛國, 丘學(xué)林. 利用海底地震儀數(shù)據(jù)分析臺風(fēng)對海底環(huán)境噪音的影響[J ]. 熱帶海洋學(xué)報, 2009, 28(6).</p><p>　　[5] 雷建設(shè). 從脈動應(yīng)力討論臺風(fēng)與地震的遙聯(lián)性[J ]. 西北地震學(xué)報, 1997, 19(

78、3): 86-93.</p><p>　　[6] 黃蕾, 方云, 嚴(yán)紹軍, 劉建輝. 地脈動測試測定場地的卓越周期[J ]. 水利與建筑工程學(xué)報, 2009.3, 7(1): 122-124.</p><p>　　[7] 許建聰, 簡文彬, 尚岳全. 福建沿海地區(qū)場地土對地脈動動力響應(yīng)的研究[J ]. 巖土力學(xué), 2003.10, 24: 606-610.</p><p

79、>　　[8] 胡小剛, 郝曉光. 強臺風(fēng)對汶川大地震和昆侖山大地震“震前擾動”影響的分析[J ]. 地球物理學(xué)報, 2009.5, 52(5): 1363-1375.</p><p>　　[9] 楊學(xué)林, 吳世明. 關(guān)于地脈動信號及其工程應(yīng)用[J ]. 中國學(xué)術(shù)期刊, 661-664.</p><p>　　[10] 劉志坤, 黃金莉. 利用背景噪聲互相關(guān)研 究汶川地震震源區(qū)地震波速度

80、變化[J ]. 地球物理學(xué)報, 2010.4, 53(4): 853~863.</p><p>　　[11] RALPH F. MILLIFF, JAN MORZEL, DUDLEY B. CHELTON, MICHAEL H. FREILICH. Wind Stress Curl and Wind Stress Divergence Biases from Rain Effects on QSCAT Surfa

81、ce Wind Retrievals[J ]. JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND OCEANIC TECHNOLOGY, 2004, 21: 1216-1231.</p><p>　　[12] Karim G. Sabra, Peter Gerstoft, Philippe Roux, W. A. Kuperman, Michael C. Fehler. Surface wave tomogr

82、aphy from microseisms in Southern California[J ]. GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, 2005, 32, L14311, doi:10.1029/2005GL023155.</p><p>　　[13] Rhie, J., and B. Romanowicz (2006), A study of the relation between o

83、cean storms and the Earth’s hum, Geochem. Geophys. Geosyst., 7, Q10004, doi:10.1029/2006GC001274.</p><p>　　[14] Laura A. Brooks , John Townend , Peter Gerstoft , Stephen Bannister and Lionel Carter . Charact

84、erising the New Zealand ambient seismic noise ?eld: an oceanographic interpretation of western North Island spectra and beamforming results[J ]. Australian Acoustical Society, 2009.11.</p><p>　　[15] Yang, Y.