大地电场数据频谱分析及幅值提取软件的研发

王利兵，李细顺，王 静，胡秀娟，罗 娜，畅国平，贾 华，于春颂

（1.河北省地震局红山基准地震台，河北 邢台 054000；2.河北省地震局秦皇岛中心地震台，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

地电场是地球物理基本场之一，分布于地表的地电场可分为大地电场和自然电场［1］。大地电场是由电离层（高约100km）中的电流体系在地下感应产生的电场，强度在地面上随时间、地点而异。它的变化周期有11年、1年、1月、24小时、12小时、8小时、6小时以及更短的周期，幅度一般以毫伏／千米计算。近十几年来，电极技术的改善，为地电场观测的发展创造了有利条件。在此基础上，实施“九五”、首都圈示范工程及“十五”计划，已建成数字化地电场观测网。

红山基准地震台ZD9A－II地电场仪是2007年1月开始试运行，2008年正式运行并参加评比。ZD9AII地电场仪是用于观测地表地电场强度的专用仪器，具有高灵敏度、大动态范围及良好的抗干扰能力和较高的可靠性等特点。主要用来观测地电场强度及其时空变化，为地球物理场研究和地震监测预测服务。

国内外已开展大地电场观测用于地震预测的研究多年，并记录到部分地震电信号。从理论研究和室内岩石力学实验的结果出发，不少地震学家预言地震前有异常电信号存在，但这些信号混杂于正常大地电场变化的背景中不易识别。显然，寻找并分离正常变化与异常信号的方法是大地电场法预报地震的一项重要研究内容［2］。充分利用数字化观测资料，开展地电场预测地震的研究，对于推动我国地电场观测与研究，具有重要的意义［3］。对观测数据进行傅立叶变换可以提取电信号中各频率成分的幅值，可对大地电场的强度、频率分布进行研究。在此基础上，对数据进行分时间段处理，提取不同时间段同一频率的幅值，可对大地电场的某一频率信号强度随时间的变化进行分析，研究其震前异常信息。为此，研发“大地电场数据频谱分析及幅值提取软件”。

1 观测数据文件格式

ZD9A－II地电场仪观测数据为文本格式，分两列，为时间和其对应的观测值（见表1）。时间序列数据前四位数字代表年，之后每两位数字分别代表月、日、时、分。ZD9A－II地电场仪采样率为1次／（分钟·通道），测量准确度优于±（0.1%读数＋0.02%满度），测量分辨力优于10μV，频带范围为DC～0.005Hz，测量范围为±1 000.000mV，动态范围不小于100dB。

表1 ZD9A－Ⅱ地电场仪观测数据格式Table.1 Observational data format of ZD9A－Ⅱgeoelectric meter

2 软件设计与开发

2.1 软件设计

软件需要有一个良好的用户界面，通过一些选项来进行数据路径及必要功能的设置，可以方便、大量地进行数据运算及处理。

软件的功能主要包括：

（1）观测数据分段频谱分析。

（2）各段数据频谱同频幅值提取。

2.2 软件开发

Matlab是一门计算机编程语言，取名来源于Matrix Laboratory，本意是专门以矩阵的方式来处理计算机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供大量的函数，工具箱越来越多，应用范围也越来越广。

利用Matlab语言可方便地建立软件图形用户界面（见图1）。图中各个按钮功能如下：

（1）“数据文件名”按钮用于指定数据文件的名称。

（2）“数据载入”按钮用于加载观测数据，主要由“textread”函数完成。

（3）“傅氏变换”按钮用于数据分段频谱分析并存储，主要由“fft”函数和“fprintf”函数完成。

（4）“数据提取”按钮用于从各段频谱数据文件中提取某一频率对应的幅值并存储，主要由“dir”函数、“textread”函数、“fprintf”函数完成。

（5）“退出”按钮用于退出软件。

图1 软件图形用户界面Fig.1 Graphical user interface of the software

2.3 软件运行环境

此软件由 Matlab7.0语言研发，其运行需要有Matlab7.0或以上版本语言平台；程序运行处理大量的观测数据，需要有足够的内存，至少1G以上。

2.4 软件操作步骤及注意事项

（1）在程序目录下双击“waveFormAnalysis.fig”文件或在Matlab命令行中输入字符“waveFormAnalysis”回车，软件运行显示用户界面。软件运行时，图形界面文件（＊.fig）和各功能文件（＊.m）应在同一目录中。

（2）单击“数据文件名”按钮，打开数据文件选择窗口，指定要处理的原始观测数据文件。

（3）单击“数据载入”按钮，加载观测数据，并在图形显示区显示数据波形。

（4）单击“傅氏变换”按钮，对加载的数据进行分段傅里叶变换，在图形显示区显示变换结果，存储结果数据。变换结果数据文件名前3个字符为“fft”，其后为数据段的起始日期，年为4位数，月、日均为2位数，如，“fft20121221.txt”。文件数据分两列，分别为频率值及其对应的幅值（见表2）。

表2 傅里叶变换结果文件数据格式Table.2 File data format of Fourier transform results

（5）单击“数据提取”按钮，将各段数据的傅氏变换结果文件中的某一指定频率对应的幅值提取出来，与其时间一起存入数据文件中（见表3）。数据文件名以频率代码字符开头，其后为观测数据文件名，如，“FHW20110101－20120111.txt”。“DW”为日波数据，“HDW”为半日波数据，“EHW”为8小时波数据，“SHW”为6小时波数据，“FHW”为4小时波数据。

（6）单击“退出”按钮，退出软件。

3 软件数据应用

利用EXCEL办公软件，打开此软件提取的各段数据傅氏变换结果文件中的某一指定频率对应的幅值，所形成的数据文件（以“固定宽度”方式打开），则第1列为日期值，第2列为幅值。以日期值为横坐标，以某一频率幅值或同一测道不同频率幅值的比值为纵坐标画图（见图2）。图中，图2a为高邮台原始数据波形图，图2b为同一测道的半日波与日波幅值的比值曲线图。从图中可以清楚地看到，比值随时间的变化曲线，从曲线形态上可直观地分析研究大地电场背景信号与异常信号，总结异常信号的特点及规律。同时，也可对同一频率不同测道的结果数据进行对比分析，从同步形态或其差分数值上找出异常信号。

表3 同一频率幅值数据文件格式Table.3 Data format of the same frequency amplitude

4 结语

该软件作为地电场仪观测数据的一个处理工具，在大地电场数据分析、研究过程中，可起到一定的辅助作用。大地电场信号成分复杂，只有某些电信号成分对地震孕育过程反应敏感，利用此软件可以完成信号频率的抽取，方便工作人员和分析研究人员针对性地对电信号进行辨别、分析、研究，有利于大地电场前兆异常信号的研究工作，提高数据的利用价值。由于数据分析是相通的，利用此软件还可以对具有相同格式的其他观测仪器数据进行分析处理，得到相似的研究成果。如有需要，对软件稍做修改，可以处理多道数据，并进行对比分析，得到推广应用。

图2 同测道半日波与日波幅值比变化曲线Fig.2 Amplitude ratio variation of semidiurnal wave and daily wave at the same trace

［1］高玉芬，钱家栋.地震及前兆数字观测技术规范（电磁观测）［M］.北京：地震出版社，2002：20－70.

［2］田 山，王建国，徐学恭，等.大地电场观测地震前兆异常提取技术研究［J］.地震学报，2009，31（4）：424－431.

［3］马君钊，张 磊，关华平，等.大地电场观测各类干扰源的调研与分析［J］.地震地磁观测与研究，2010，31（5）：65－72.