高采樣率下不同供電方式對地震波形記錄影響的對比分析

李冬圣，李文軍，李小軍，蔡玲玲

(1.河北省地震局，河北　石家莊　050021；2.河北承德中心地震臺，河北　承德　067000)

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高采樣率下不同供電方式對地震波形記錄影響的對比分析

李冬圣1，李文軍2，李小軍1，蔡玲玲1

(1.河北省地震局，河北石家莊050021；2.河北承德中心地震臺，河北承德067000)

摘要：目前，測震臺站設備的供電組合方式多種多樣，采樣率在不斷提高，同時也混雜進了一些干擾信號。文章論述了使用同一套測震設備，在高采樣率下不同供電方式對地震波形的記錄影響情況。試驗表明，供電方式和屏蔽措施的改變可以有效地減少由供電設備輸出耦合到儀器記錄中的干擾信號。

關鍵詞：地震波形；供電方式；信噪比

0引言

地震觀測是地震速報、地震應急、地震科學研究等的首要環節，地震觀測波形的記錄質量直接關系到數據使用的可靠性及便捷性[1]。隨著研究的深入，地震觀測中的采樣率由過去的50 Hz提高到現在100 Hz，并有逐步提高的趨勢。伴隨采樣率的提高，一些頻率的干擾信號也混雜到了觀測數據當中，在一定程度上對觀測資料的使用造成不便。在地震專業設備(如地震計、數據采集器等)和觀測技術相對較成熟的情況下，該文通過對比高采樣率下，采用不同供電對地震計波形記錄影響的分析，就如何進一步提高地震波形記錄質量，在供電方式的選擇與屏蔽措施的改進等方面提出參考依據。

1研究方法

1.1實驗技術系統及電源供電方式

專業設備技術系統由FBS-3B寬頻帶地震計與EDAS-24IP數據采集器構成(見圖1)。

參與對比研究的供電方式有：開關電源供電、加屏蔽措施的開關電源、線性直流穩壓電源供電、加屏蔽措施的線性直流穩壓電源、蓄電池供電、加裝屏蔽的蓄電池供電。

屏蔽措施：在數采的供電端和電源輸出端加裝扣式消磁環。

1.2實驗設計及數據處理方法

在不同的供電方式下，用一臺六通道的EDAS-24IP數據采集器同時長時間采集FBS-3B地震計的輸出信號及供電設備的直流輸出信號，六通道采樣頻率均為500 Hz，對不同供電模式選取相同時段記錄數據分別計算功率譜密度，采用相關性分析得出地震計各方向記錄信號與電源輸出之間的平方相關函數。

圖1　實驗技術系統構成示意圖Fig.1　Constitution of experimental technology system

功率譜密度估計是使用有限長度的數據，給出信號隨機過程的頻率成分分布的描述。Rx(τ)為隨機信號x(t)的自相關函數，Sx(f)是Rx(τ)的Fourier變換，稱Sx(f)為x(t)的自功率譜密度(自功率譜)，Sx(f)是信號x(t)的平均功率相對頻率的分布函數，具體見公式(1)。

(1)

平方相關函數又稱為相關函數(coherence function)，如公式(2)：

(2)

式中：Pxy(ω)是x(t)和y(t)的互功率譜密度；Pxx(ω)、Pyy(ω)分別為x(t)、y(t)的自功率譜密度。相關函數Cxy(ω)為0～1的實數，用Cxy(ω)來檢測信號x(t)和y(t)在頻域內的相關程度。若y(t)為x(t)的線性響應，則和Cxy(ω)=1；若x(t)和y(t)完全不相關，則Cxy(ω)=0。通常的測試過程中，0

2實驗過程及數據處理

2.1采用開關電源直接供電

近年來，開關電源以其頻率高、效率高、體積小、輸出穩定等特征被廣泛應用，但由于開關電源工作在高頻狀態及其存在高di/dt和高dv/dt，使得開關電源容易產生比較強的電磁干擾(EMI)信號。EMI信號不但具有很寬的頻率范圍，還具有一定的幅度，經傳導和輻射會污染電磁環境，對通信設備和電子產品造成干擾[4]。在測震地動噪聲中經常看到的波形粗且不清晰現象，很多就是由于開關電源的MOSFET功率開關在關斷時產生的尖峰脈沖導致[5-6]。

從圖2a中可以看出，在開關電源供電方式下，觀測系統記錄的波形及開關電源的輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時出現凸起，說明在這些頻率點上的頻譜能量較高。圖2b中，在開關電源供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環后，觀測系統記錄的波形及開關電源的輸出在100 Hz、150 Hz都同時出現凸起，說明在這些頻率點上的頻譜能量較高，但在50 Hz、200 Hz的頻點上只有開關電源的輸出出現凸起，且頻譜能量較不加扣式屏蔽磁環時降低。

圖2　開關電源供電方式下各檢測量功率譜密度曲線Fig.2　Power spectral density of each test item under the mode of switching power supply

第39頁圖3a中，在開關電源供電方式下，觀測系統記錄的波形及開關電源的輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz的相關系數都較高，說明在這些頻率點上，觀測系統記錄的波形與開關電源的輸出之前存在較強的耦合關系。圖3b中，在開關電源供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環后，觀測系統記錄的波形及開關電源的輸出在100 Hz、150 Hz、200 Hz的相關系數都較高，說明在這些頻率點上，觀測系統記錄的波形與開關電源的輸出之前仍存在較強聯系，但是較加扣式屏蔽磁環之前，在50 Hz頻點上的相關系數明顯降低，說明通過加裝屏蔽磁環，有效地降低了觀測系統記錄波形與開關電源輸出之間的耦合程度。

2.2采用線性直流穩壓電源供電

線性直流穩壓電源的特點是：輸出電壓比輸入電壓低，反應速度快，輸出紋波較小，工作產生的噪聲低，效率較低，發熱量大(尤其是大功率電源)，間接地給系統增加熱噪聲。本次試驗采用的線性直流穩壓電源是茂迪(寧波)電子有限公司生產的LPS-305線性直流電源。

第39頁圖4a中，在線性直流穩壓電源供電方式下，觀測系統記錄的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz、200 Hz都同時出現凸起，說明觀測系統記錄的波形在這些頻率點上的頻譜能量較高。線性直流穩壓電源的輸出在150 Hz、210 Hz的頻點出現凸起，說明該電源輸出在此頻點上的頻譜能量較高。圖4b中，在線性直流穩壓電源供電方式下，加裝屏蔽設施后，觀測系統記錄的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz、200 Hz、215 Hz都同時出現明顯凸起，說明觀測系統記錄的波形在這些頻率點上的頻譜能量較高。線性直流穩壓電源的輸出在150 Hz、210 Hz頻點出現凸起，說明該電源輸出在這些頻點上的頻譜能量較高。

圖3　開關電源供電與三通道記錄相關函數Fig.3　Correlation function of switching power supply and three channel recording

圖4　線性直流穩壓電源供電方式下各檢測量功率譜密度曲線Fig.4　Power spectral density of each test item under the mode of linear DC power supply

第40頁圖5a中，在線性直流穩壓電源供電方式下，觀測系統記錄的波形及開關電源的輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、215 Hz的相關系數都較高，說明在這些頻率點上，觀測系統記錄的波形與開關電源的輸出之前存在較強的耦合關系。圖5b中，在線性直流穩壓電源供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環后，觀測系統記錄的波形及開關電源的輸出在100 Hz、150 Hz、200 Hz、215 Hz的相關系數都較高，說明在這些頻率點上，觀測系統記錄的波形與開關電源的輸出之前存在較強的耦合關系，但是較安裝消磁環之前，在50 Hz頻點上的相關系數明顯降低，說明通過加裝屏蔽磁環，有效地降低了觀測系統記錄的波形與開關電源輸出之間的耦合程度。

2.3蓄電池供電

用一塊80 AH、12 V的蓄電池對數據采集器供電，由數據采集器采集FBS-3B寬頻帶地震計三分向信號及蓄電池電壓信號。

第40頁圖6a中，在蓄電池供電方式下，觀測系統記錄的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時出現凸起，說明觀測系統記錄的波形在這些頻率點上的頻譜能量較高。蓄電池輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時出現凸起，說明蓄電池的輸出在這些頻率點上的頻譜能量較高。圖6b中，在蓄電池供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環后，觀測系統記錄的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時出現凸起，說明觀測系統記錄的波形在這些頻率點上的頻譜能量較高。蓄電池輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時出現凸起，說明蓄電池的輸出在這些頻率點上的頻譜能量較高。

圖5　線性直流穩壓電源供電與三分向相關分析Fig.5　Correlation analysis of linear DC power supply and three components

圖6　蓄電池供電模式下各檢測量的功率譜密度Fig.6　Power spectral density of each test item under the mode of battery power supply

圖7a中，在蓄電池供電方式下，觀測系統記錄的波形及開關電源的輸出在100 Hz的相關系數較高，說明在這個頻率點上，觀測系統記錄的波形與開關電源的輸出之前存在較強的耦合關系。圖7b中，在蓄電池供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環后，在100 Hz頻點上的相關系數明顯降低，說明通過加裝屏蔽磁環，有效地降低了觀測系統記錄的波形與開關電源輸出之間在該頻點的耦合程度。

圖7　蓄電池供電與三分向相關函數Fig.7　Correlation function of battery power supply and three components

2.4實驗結果分析

根據實驗數據計算的功率譜密度結果，在500 Hz采樣頻率下，在不同供電模式中，加裝屏蔽裝置前后的地震專業技術系統三分向記錄的功率譜密度形態，基本一致。4種電源輸出的功率譜密度，在工頻及工頻奇次諧波都有較高的能量，其中線性直流穩壓電源在工頻偶次頻率相較其他供電方式，能量值明顯偏低。

根據相關函數結果可看出，開關電源供電模式下，未加屏蔽裝置時，在50 Hz、100 Hz、150 Hz及200 Hz處三分向記錄與電源輸出信號之間出現比較高的相關系數。加裝屏蔽裝置后，50 Hz處相關程度明顯降低；線性直流穩壓電源供電模式下，未加屏蔽裝置時，在50 Hz、100 Hz、150 Hz及200 Hz處三分向記錄與電源輸出信號之間出現比較高的相關系數。加裝屏蔽裝置后，50 Hz處相關程度明顯降低；蓄電池供電模式下，未加屏蔽裝置時，在100 Hz處三分向記錄與電源輸出信號之間出現比較高的相關系數。加裝屏蔽裝置后，100 Hz處相關程度明顯降低。

3結論

測震技術系統信號記錄與觀測環境的電場及磁場分布有很大的關系，供電設備輸出信號噪聲的高低不能完全體現供電設備優劣，還應與用電設備組合來分析實用效果。本文通過比較分析發現，通過采用交直流隔離、直流隔離、適當加裝電磁屏蔽的供電方式，能夠有效減少由電源輸出傳到和耦合到觀測系統中的工頻干擾成分，尤其是在數據應用要求采樣率不斷提高的趨勢下，奈奎斯特頻率也在成正比的提高，如何抑制高頻、工頻干擾對觀測記錄的影響，也成為一個重要的研究方向，該研究結果可為地震觀測資料的使用者辨別、使用、分析數據提供一定的參考和幫助。

參考文獻：

[1]李小軍，李慶武，李冬圣，等.UPS設備對測震臺站信號影響的分析[J].華北地震科學，2012，30(3)：19-21.

[2]萬永革.數字信號處理的MATLAB實現[M].北京：科學出版社，2007.

[3]郝春月，鄭重.信號相關性方法在西藏那曲臺陣設計中的應用[J].中國地震，2006，22(1)：34-42.

[4]朱鵬濤，王大偉.開關電源中開關管及二極管EMI抑制方法分析研究[J].電源世界，2009(10)：40-42，33.

[5]甘明，李曉莉.同步Buck型開關電源紋波電壓抑制方法[J].電力電子技術,2007，41(5)：51-52.

[6]威浩，夏仕安，張炳，等.省級測震臺網系統維護新方法的研究[J].華北地震科學，2012，30(3)：48-50.

Comparison of The Influence of Different Power Supply Modes on Seismic Waveform Records under High Sampling Rate

LI Dong-sheng1, LI Wen-jun2, LI Xiao-jun1, CAI Ling-ling1

(1.Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050021, China;2.Hebei Chengde Central Seismological Station, Chengde, Hebei 067000, China)

Abstract:Power Supply modes of equipment at seismic station are in varied forms and the sampling rate continues to increase. It also introduces some other interferences. The influences of different power supply modes on seismic waveform records by using the same set of seismic equipment under high sampling rate are discussed . The test shows that the change of power supply modes and shielding measures can effectively reduce the output coupled interference signal from the power supply devices.

Key words:Seismic waveform; Power supply mode; Signal to noise ratio(SNR)

中圖分類號：P315.61

文獻標志碼：A

作者簡介：第一李冬圣(1982—)，女，河北省冀州人。2003年畢業于防災技術高等專科學校，工程師。

基金項目：河北省地震局青年基金項目(DZ20150423060)。

收稿日期：2015-05-07

文章編號：1000-6265(2016)01-0037-05