GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀事件數(shù)據(jù)格式解析

2021-03-04 03:34:00何榮帥白立新成云輝

高原地震 2021年4期

何榮帥，白立新，成云輝

(北京市地震局，北京 100080)

0 引言

北京市強震動觀測臺網(wǎng)于“十五”項目期間購置了22臺瑞士GEOSIG公司生產(chǎn)的GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀。迄今為止，該儀器在北京市強震動臺網(wǎng)一直處于正常運行狀態(tài)，并多次獲得地震事件數(shù)據(jù)記錄。由于廠商提供儀器文檔中未提供事件數(shù)據(jù)格式說明，工作人員在獲取地震記錄后，需通過GEOSIG公司提供的格式轉(zhuǎn)換軟件進行轉(zhuǎn)換，然后才能進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，使用上存在諸多不便。為減少工作人員的工作強度，作者根據(jù)GEOSIG公司提供的GSR-24強震動記錄儀頭文件說明和SEISAN地震處理軟件作為參考，對GSR-18型強震動記錄儀事件數(shù)據(jù)格式進行了解析，以便工作人員能夠順利編寫讀取該設(shè)備事件數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)軟件和科研工作。

1 記錄文件概要

GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀記錄事件數(shù)據(jù)文件有兩種格式，一種為文件名擴展名為GSR，另一種文件擴展名為GBR文件格式。以GSR為擴展名的文件是由GBR為擴展名的文件解壓而得到的，兩種文件均為二進制文件。采用GEOSIG公司自帶的軟件從強震動觀測臺站遠程下載后獲得的記錄文件以GSR為文件擴展名，而由中國地震局工程力學研究所組織開發(fā)的InHand QuakeSense數(shù)字強震動臺網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺獲得的記錄事件數(shù)據(jù)文件則以GBR為擴展名。GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀記錄事件由頭段和數(shù)據(jù)段構(gòu)成，本文對這兩種數(shù)據(jù)格式分別進行了分析。

2 記錄文件頭段信息

GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀的事件數(shù)據(jù)頭段分為四個部分，分別為事件信息、時間信息、儀器狀態(tài)信息和通道信息部分。由于文件頭段項目較多，因文章篇幅限制，并結(jié)合強震動觀測處理數(shù)據(jù)的實際需求，本文僅對文件頭段主要字段進行了分析(表1)。

事件信息部分包括記錄事件的事前、事后事件、觸發(fā)方式和總采樣數(shù)等。時間信息部分主要包括觸發(fā)時間，同步時間等。儀器狀態(tài)信息部分主要包括儀器生產(chǎn)廠商、儀器名稱、儀器序列號、固件版本號、儀器分辨率、臺站經(jīng)緯度和儀器狀態(tài)信息等。通道信息主要包括通道名稱、通道單位、通道方向、傳感器類型和通道峰值等。

GBR和GSR文件在頭段文件格中各字段位置差別不大，主要區(qū)別表現(xiàn)在：GBR頭段文件中對整型數(shù)據(jù)讀取需采用大字節(jié)序讀取，而GSR文件則需采用小字節(jié)序讀取。另外GBR文件群延遲字段從第129個字節(jié)位置讀取，而GSR文件則需從第128個字節(jié)位置讀取。

從事件數(shù)據(jù)讀取事件起始時間一直是令人困惑的問題，在SEISAN8.1版本之前，這個問題一直沒有解決[1]，原因可能與廠商一直沒有提供具體的GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀事件格式說明有關(guān)。參考GSR-24型強震動記錄儀事件數(shù)據(jù)頭文件說明和SEISAN源程序，GSR-24型強震動記錄儀事件觸發(fā)時間采用BCD編碼方式。通過對GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀文件頭段分析表明，頭段中事件觸發(fā)時間采用的也是BCD編碼方式。GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀事件記錄起始時間與觸發(fā)時間、千分位觸發(fā)時間和群延遲有關(guān)，獲取記錄事件的起始時間=觸發(fā)時間+千分位觸發(fā)時間/1000-群延遲/1000-事前時間。

另外，從文件頭段上可以看出，臺站編碼由兩個字段相加組成，第一個字段起始于第270個字節(jié)，由3個字符組成，第二個字段起始于第280個字節(jié)，由2個字符組成。這可能為適應(yīng)與我國“十五”強震動臺站建設(shè)規(guī)范而做出的修改有關(guān)。

表1 GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀事件數(shù)據(jù)文件頭內(nèi)容

圖1 GBR和GSR數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)存儲

3 記錄文件數(shù)據(jù)段信息

GBR和GSR文件在數(shù)據(jù)段上存在較大差別，這可能與GBR文件采取壓縮方式存儲，而GSR文件采取非壓縮方式存儲有關(guān)。分析表明，GBR和GSR數(shù)據(jù)段起始位置不同，GBR有效數(shù)據(jù)段起始于第1 027個字節(jié)位置，而GSR有效數(shù)據(jù)段起始于第1 024個字節(jié)位置。GBR數(shù)據(jù)段由大小為504個字節(jié)的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊間隔8個字節(jié)。每個數(shù)據(jù)塊由56個字段組成，每個字段占9個字節(jié)，每個字段存儲了3個通道的數(shù)據(jù)，分布為x，y，z通道。每個通道占3個字節(jié)，由3個字節(jié)構(gòu)成一個有符號整數(shù)，數(shù)據(jù)記錄為count值。GSR數(shù)據(jù)段由大小為12個字節(jié)的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊間隔4個字節(jié)，每個數(shù)據(jù)塊由1個字段組成，每個字段存儲了3個通道的數(shù)據(jù)，分布為x，y，z通道。每個通道占4個字節(jié)，由4個字節(jié)構(gòu)成一個有符號整數(shù)，數(shù)據(jù)記錄為count值。

4 讀取記錄文件實例

本文采用Python語言編寫的程序?qū)崿F(xiàn)了對北京市強震動觀測臺網(wǎng)GSR-18型數(shù)字強震動記錄儀的事件數(shù)據(jù)的讀取。Python是一種面向?qū)ο?、解釋型計算機程序設(shè)計語言,由Python語言編寫的程序，基本不經(jīng)修改即可跨平臺使用。Python語言提供的struct模塊能夠構(gòu)造并解析打包的二進制數(shù)據(jù)，可用于處理諸如將二進制數(shù)據(jù)從文件中讀取的操作。

本程序主要僅顯示了如何讀取GBR事件記錄的采樣數(shù)、起始時間和數(shù)據(jù)塊等內(nèi)容，如需要讀取GSR文件或其他字段，通過表1所給各字段字節(jié)位置，采取類似的方式即可讀取。

class GbrFile:

def __init__(self,filename):

self.filename=filename

def __bcd_code(self,a):

a=(0x0F&(a>>4))*10+(0x0F & a)

return a

#signal process data

def __to_int(self,chunk):

data_fmt="<3b"

number = struct.unpack(data_fmt,chunk)

return number[0]<<16 | (number[1]<<8 & 0x0FF00) | (number[2]&0x000FF)

def get_evt_info(self):

gbr_evt=open(self.filename,"rb")

gbr_evt.seek(16)

data_fmt="