王利兵，李細(xì)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(zhǔn)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(yīng)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(shù)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(chǔ)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(zhǔn)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(yù)測服務(wù)。

國內(nèi)外已開展大地電場觀測用于地震預(yù)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(xué)實驗的結(jié)果出發(fā)，不少地震學(xué)家預(yù)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(yù)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(yù)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(chǔ)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(yīng)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(zhǔn)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(shè)計與開發(fā)

2.1 軟件設(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)果，存儲結(jié)果數(shù)據(jù)。變換結(jié)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(yīng)的幅值（見表2）。

表2 傅里葉變換結(jié)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(jié)果文件中的某一指定頻率對應(yīng)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(yīng)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(jié)果文件中的某一指定頻率對應(yīng)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(biāo)，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(biāo)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(jié)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(jié)果數(shù)據(jù)進行對比分析，從同步形態(tài)或其差分?jǐn)?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(jié)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(fù)雜，只有某些電信號成分對地震孕育過程反應(yīng)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(yīng)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(shù)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(xué)恭，等.大地電場觀測地震前兆異常提取技術(shù)研究［J］.地震學(xué)報，2009，31（4）：424－431.

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