數據處理不能取代儀器的標定*

劉序儼

(福建省地震局，福州 350003)

數據處理不能取代儀器的標定*

劉序儼

(福建省地震局，福州 350003)

對四分量鉆孔應變觀測的實地相對標定、絕對標定問題的分析得出:通過“四分量自檢”的數據處理，僅能得到3條測線元件的實地格值分別與作為常數項的測線元件的實地格值的比值，不能得到實地標定格值，無法解決四分量應變觀測的實地相對標定。“加襯模型”利用理論固體潮與分量應變觀測值之間的關系可以計算得到耦合系數，但并不能對彈性參數進行標定，無法解決分量應變的絕對標定問題。

四分量鉆孔應變觀測;格值;相對標定;絕對標定;數據處理

1 引言

數據處理可以解決鉆孔應變觀測的實地標定的論點，先后出現在文獻［1－3］中，筆者反復閱讀了這三篇論文，發現文中提出的方法解決不了儀器的實地標定問題，為說明這一問題，筆者特寫此文與作者商榷。

文獻［1，3］所討論的問題，實際上是一種數據擬合方法，以達到兩組相互正交的兩條測線的應變觀測值之和的殘差的平方和為最小。根據彈性力學理論，平面上某一質點處的面應變等于任意兩條通過該質點的相互正交的兩個方向上的線應變之和，而面應變是一個與坐標系選擇無關的不變量，因此，可以作為4分量應變觀測值的自檢條件。在此基礎上，該文就4分量傳感器讀數的所謂“相對標定的歸一化新方法”展開了討論。

如果文獻［1］要告訴人們“室內標定結果在鉆孔中是否可用，需要進行怎樣的改正”的話，筆者認為僅需要把文獻［1，3］中傳感器輸出Ri(i=1，2，3，4)換成4分量應變觀測值si，si為測線i的傳感器讀數乘以相應室內標定格值后得到的。此時ki則不再為傳感器的實地標定格值，而是對下井后對室內格值的一個校正系數，由于實地標定格值除以相應的室內標定格值就等于校正系數，同理該校正系數也是不能確定的，否則，是與前文實地標定格值不能確定相矛盾。

在文獻［2］中，把利用理論固體潮等依據對與鉆孔周圍介質的彈性有關的參數進行標定，稱之為絕對標定。在文獻［3］中，卻在把根據4分量應變觀測值計算得到的面應變與最大剪應變以及由應變固體潮理論值所得到的相應的面應變與最大剪應變時間序列的基礎上，把分別對兩者采用線性相關所得到的加襯模型中的兩個待定常數A與B作為絕對標定。筆者認為這兩種說法都不妥。一是絕對標定是以具體技術標準作為參考，或者說是將傳感器的輸出與真實的固定輸入值相比較［5］;二是由文獻［2］式(1)所示的s=A(ε1+ε2)+B(ε1－ε2)cos2(θ－φ)所計算得到的A與B，也沒有給出如何由A與B來對鉆孔周圍介質的彈性有關的參數進行所謂的標定。該文通篇所討論的，是如何計算應變固體潮理論值，如何根據應變固體潮理論值計算主應變ε1與ε2，以及如何反演耦合系數A、B的方法。但如何利用A和B來對鉆孔周圍的彈性參數做標定卻沒有給出具體的操作方法，容易造成概念的混淆。眾所周知，除有絕對重力測量外，其他地形變測量，例如地傾斜、體應變以及跨斷層位移測量都是相對測量，顯然，鉆孔應變也不例外。如果鉆孔應變有所謂的絕對標定，就一定存在絕對應變，也必然存在絕對應力。絕對應變是絕對應力為0時的長度與絕對應力不為零時刻測量的長度相減，其差值除以長度則為絕對應變。“絕對”一詞具有不依賴或不相對于任何一種東西之意［6］，例如有絕對重力測量，絕對零度，絕對一詞一般是不能隨意使用的。如果要想取得絕對應變，勢必要在鉆孔周圍進行應力解除，應力解除后，這口鉆井就再不能進行應變觀測了。

文獻［1，2］是姐妹篇，文獻［3］則是［1，2］的綜合，這三篇論文都試圖采用數據處理方法來解決標定問題，但前兩篇還是有所差別的。文獻［1，3］所討論的是如何使4分量的面應變的閉合差為最小，其計算方法實際上就是測量平差所用到的相關間接平差，平差的實質在于對觀測值做微調整，使之殘差平方和最小。采用式(8)～(11)可以改善4分量傳感器讀數之間的擬合精度，卻無法改善4分量應變觀測值之間的擬合精度，其原因是我們無法獲知4分量傳感器的實地標定格值;文獻［2，3］則是介紹如何進行應變固體潮理論值及其主應變計算以及如何對A、B進行反演問題，在文獻［3］中卻增加了由4分量應變觀測值計算主應變和主方向的5組觀測組合計算公式和一些計算結果的圖件，沒有涉及也不可能涉及如何對彈性參數進行標定的，在這里，如果把“標定”改為“測定”更貼切。

顯然，實地標定格值或室內標定格值的校正系數客觀上是存在的，但對于數據處理而言，是解決不了儀器實地標定問題。但這三篇文章都告訴人們，4分量應變觀測蘊含了許多信息，如何進行數據挖掘，是值得大家重視的。

雖然這三篇文章所采用數據處理方法不能解決鉆孔應變觀測的實地標定難題，但這種嘗試還是值得贊賞的。這種嘗試揭示了采用數據處理方法是無法解決實地標定難題，就像數據處理方法既不能給觀測數據帶來額外的信息，也不能提高觀測精度一樣，因為反映儀器觀測頻域的傳遞函數、觀測精度、格值及其標定等都是由儀器本身的性能與技術指標決定的。歸根結底，儀器的標定問題最終只能由儀器研制者或廠家解決。由于該類型儀器研制者提供了一個冗余觀測，這就給用戶對應變觀測的可靠性進行檢核提供了可能性，不但可用面應變，而且可用上下端面由觀測組合公式計算得到的共10組主應變及主方向進行檢核。對于鉆孔而言，這些量是唯一的，彼此必須相等。不容置疑，這些檢核是非常苛刻的，但說回來，既然研制出了4分量鉆孔應變儀，就不得不攻關克難，在一定允許的誤差范圍內，盡量滿足這些自檢要求。如果說實地標定是該類地下儀器的內在缺陷的話，那么至少目前要在儀器與巖壁耦合、測線定向與儀器穩定性方面攻克難關，這也是儀器使用者所期待的。雖然，目前鉆孔應變未能解決實地標定問題，但是只要儀器性能穩定，還是可以由應變的相對變化來研究震前、震時、震后應變演變圖像。

最后，筆者認為，雖然這三篇論文在某些方面存在不足，但文中所傳遞的信息量是十分豐富的，給人許多有益的啟示。筆者此文，既是出于商榷，又是出于期待，期待儀器研制者早日解決實地標定問題，并期待如何從4分量鉆孔應變觀測資料中挖掘更多的地應變信息等方面進行更深入的探索。

1 邱澤華，等.四分量應變觀測的實地相對標定［J］.大地測量與地球動力學，2005，(1):118 －122.(Qiu Zehua，et al.Relative in-situ calibration of 4-component borehole strain observation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(1):118－122).

2 邱澤華，等.四分量應變觀測的實地絕對標定［J］.地震，2005，25(3):27 － 34(Qiu Zehua，et al.Absolute calibration of 4-component borehole strainmeters［J］.Earthquake，2005，25(3):27－34)

3 Qiu Zehu，et al.In situ calibration of and algorithm for strain monitoring using four-gauge borehole strainmeters(FGBS)［J］.Journal of Geophysical Research，2013，118:doi:10.1002/jgrb.50112

4 熊其求.英漢傳動技術與機電一體化詞典［M］.北京:機械出版社，2007.(Xiong Qiqiu.English-Chinese dictionary of drives and Mechatronics［M］.Beijing:China Machine Press，2007)

5 段正澄.光機電一體化技術手冊(上冊)［M］.北京:機械工業出版社，2010.(Duan Zhengcheng.Photo-mechanic-electronic technical manuals(First volume)［M］.Beijing:China Machine Press，2010)

6 Isaacs A.Oxford concise colour science dictionary［M］.Oxford University Press，1997.

INSTRUMENT SITE CALIBRATION CAN NOT BE REPLACED BY DATA PROCESSING

Liu Xuyan
(Earthquake Administration of Fujian Province，Fuzhou350003)

The paper analyzed the relative calibration and absolute calibration of four component borehole strain observation.By the theorem“sum of vertical components must be equal”，we can only obtain the ratio of site scale value of 3 sensors and the sensor which is as a constant element，but we cannot get site scale value，so it cannot solve relative calibration.By the relationship between tides and component strain observation value，the coupling coefficient can be calculated，but calibration of the elastic parameters cannot solve the problem of the absolute calibration of strain.

four-component borehole strainmeter;scale value;relative calibration;absolute calibration;data processing

TH76;P315.72+5

A

1671-5942(2013)04-0151-04

2012-10-23

中國地震局老專家科研基金(201313)

劉序儼，男，1939年生，研究員，長期從事固體潮與地形變觀測研究.E－mail:xuyanliu@126.com