烏加河數字測震臺的臺基背景噪聲分析①

王鑫++海峰++趙鐵鎖++王樹波

摘 要：該文以位于內蒙古西部山區的烏加河地震臺山洞臺基為基礎，利用臺站架設的超寬帶速度信號記錄儀器和加速度信號記錄儀器，在一定時間范圍內以其記錄的夜間噪聲數據為計算資料，使用改進的周期圖方法，在1～20 Hz觀測頻帶范圍內計算臺基噪聲功率譜密度及臺基噪聲有效值RMS值，在考慮臺站臺基條件和周圍干擾因素的情況下，綜合分析了烏加河地震臺的臺基噪聲水平，得到的臺基噪聲水平總體較為理想，按照臺基噪聲有效值劃分為Ⅰ級臺基條件，臺基噪聲功率譜較好地反映了臺基噪聲水平和分布特征，該臺站噪聲水平較低，計算的頻帶范圍內均在全球噪聲模型下限水平甚至超過低噪聲模型NLNM以下，噪聲功率譜低頻段垂直向明顯小于水平向，而兩水平向基本水平一致，這是因為對長周期而言，水平噪聲功率譜可能明顯大于垂直噪聲，主要原因是由于傾斜，重力耦合到了水平分量中，而不耦合到垂直分量中，傾斜可能是由交通、風或者當地大氣壓力的波動引起的。另外加速度儀器由于自身噪聲水平高的原因，計算結果不能有效反映臺基噪聲水平，但其記錄大地震同樣出色。

關鍵詞：臺基背景噪聲 功率譜密度 RMS 烏加河地震臺

中圖分類號：P31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（c）-0011-05

地震記錄本身是一個疊加信號，包含儀器自噪聲、地脈動噪聲、地震信號等，當地震波的振幅大于臺基噪聲的振幅時，才能夠識別并處理地震波的觀測數據。記錄信噪比指的是地震波的振幅與臺基噪聲振幅之比。應用地震學的一個主要研究問題是如何保證地震記錄高信噪比，在背景噪聲水平高的地區進行地震觀測，有時地震信號完全被噪聲信號淹沒。對于寬頻帶地震觀測來說，無法使用一個簡單的信噪比值來描述，需要在頻率域中來描述噪聲譜的分布。對地震臺站的臺基噪聲記錄進行功率譜分析，是了解臺基噪聲頻譜特征、評價臺站對地震波觀測能力的重要手段，臺站的臺基噪聲水平差別較大，各自特征也不盡相同，該文主要研究烏加河測震觀測臺址的背景噪聲特征，并進行綜合分析，通過研究對于提高測震臺站觀測質量具有實際意義。

1 臺址概況

烏加河地震臺位于內蒙古自治區西部巴彥淖爾市境內的陰山山脈南麓，測震觀測山洞約130 m，臺基為古生代花崗巖，觀測洞室自然干擾背景小且較為穩定，周圍無鐵路、公路、河流、廠礦企業等干擾源，觀測室溫度日變小于0.02℃，年變小于0.5℃。該臺站是目前內蒙古測震臺網子臺中觀測條件最好的臺站，緣于良好的臺基條件，“十五”項目裝配了JCZ-1超寬帶地震計和BBAS-2加速度計，以及大動態范圍的24位數據采集器。JCZ-1地震計頻帶范圍為360 s～50 Hz，采樣率為100 sps，動態范圍大于140 dB；BBAS-2加速度計頻帶范圍為DC～80 Hz，采樣率為200 sps，動態范圍大于130 dB。臺站數字地震儀器自2007年運行以來，積累了大量波形數據，地震事件記錄信噪比高，連續多年資料評比第一名，在地震監測與科學研究方面發揮了極其重要作用。大地震發生時，震中附近速度型地震計記錄地震信號往往會限幅，新一代的加速度計，既具有標準的短周期地震計那樣高的靈敏度，又具有大動態范圍的特性，所以加速度計可以應用于短周期臺網，可以工作得像短周期地震計一樣出色，同時安裝兩套傳感器才可以保證信號不會限幅，具有6個數據記錄通道（3個用來記錄微震動，3個用來記錄強震動）的產品無疑是最前沿的技術，他們可以覆蓋整個大小地震事件的動態范圍，從最低點地震噪聲到最強烈的破壞性地震事件都能記錄到。

2 資料選取

對于某個特定的測震臺站，其臺基噪聲的影響因素相對固定，且變化不大，臺基噪聲具有相對穩定的分布和幅度[1]。臺基噪聲是隨時間不斷變化的，白天和夜間的噪聲水平由于環境因素的變化而不同，除地震事件或者大風外，測震臺站的臺基噪聲水平受到天氣的影響有一定的起伏變化，日間時段多人為干擾因素存在，夜間時段為最安靜時段，基本代表了該測震臺站噪聲水平和分布特征的統計量，從時域到頻域范圍研究噪聲水平能夠反映臺基噪聲譜在各個頻點的幅值分布。數據一般選取無地震事件或其他干擾的時間段，該文選取該臺站2016年9月以來00時至05時的多個樣本數據，通過瀏覽確保無地震事件和顯著干擾記錄后采用計算，當然9月內蒙古西部地區臺站區域無大風天氣，風力較為穩定。

3 計算方法與步驟

3.1 計算方法

噪聲數據是一個疊加各種頻率波的隨機信號，功率譜密度可以表示隨機信號的頻率成分及其相對強弱，功率譜密度計算基于有限長度的數據，功率譜的估算通常使用的方法有周期圖法、自相關法、參數模型法。該文使用Welch方法，該方法為改進的周期圖法[2]，屬于功率譜密度的非參數估計方法。

Welch方法由噪聲信號的采樣序列估算，使用快速傅立葉變換FFT，首先將輸入數據分段，數據分段是為了保證頻譜分辨率，數據分段數量越多，則計算結果的方差越小，數據分段的長度越長，頻譜分辨率越高，越能反映長周期頻段的情況。各分段數據之間可以有部分重疊，一般重疊數據50%，然后對每一段數據應用窗函數進行加權處理計算周期圖，對分段數據使用漢寧窗函數，降低了FFT計算過程中的頻譜泄露，最后對各分段周期圖進行平均后得到功率譜，對各分段周期圖進行平均可以降低FFT功率譜計算結果的抖動，也就是降低了噪聲功率譜結果的標準差。Matlab中提供了可以直接使用的函數pwelch，計算效率高且編程簡單，一般為了得到較好的估算結果，我們一般采用整小時連續記錄數據進行計算。噪聲功率譜采用通用的地脈動噪聲加速度功率譜密度Pa（ω）描繪地動背景噪聲功率譜，單位為分貝（db），1 db對應1（m/s2）2/Hz，并繪制出在一定頻段內的記錄臺基地動噪聲加速度功率譜密度曲線圖[3]。

3.2 計算步驟

3.2.1 直流偏移去除

在數字地震記錄中往往會出現直流偏移，這個信號不表示真實的地面運動，在實際計算過程中必須消除這一直流分量[4]。具體操作方法是對選取的整個記錄點數據取平均，平均值就作為直流偏移量，然后對每個點減去平均值作為該點記錄值，這一過程就是直流偏移去除過程，表達式為：

式中為每個采樣點的值；N為記錄長度的總采樣數。

3.2.2 儀器響應扣除

需要將以數字數表示的采樣幅值使用地震計靈敏度值和數據采集器的轉化因子組成的觀測系統靈敏度轉換為地動速度值，為獲得地動噪聲的絕對量值，需要扣除掉儀器的影響，觀測系統的傳遞函數一般表達式為：

式中為系統靈敏度；為歸一化常數；和分別代表傳遞函數的零點和極點。

3.2.3 計算臺基噪聲功率譜

以時間函數f（t）為處理后的噪聲記錄信號，進行快速傅立葉變換，取其頻域結果絕對值的平方得到噪聲功率譜：

式中N的取值為2的冪次，實函數通常稱為功率譜或能量譜，更確切地說，叫功率譜密度PSD或能量譜密度[5]。

3.2.4 計算臺基噪聲有效值

臺基噪聲有效值即均方跟振幅值RMS，在一定程度表征臺基噪聲水平，由功率譜密度PSD可計算噪聲有效值RMS：

式中為分度倍頻程中心頻率，為中心頻率，根據標準的規定[6]，用1/3倍頻程濾波器計算RMS值：

4 計算結果

利用北京港震公司的數字地震儀參數測定系統軟件對數據進行了處理，圖1為2016年9月4日夜間時段JCZ-1速度記錄的三分向噪聲功率譜曲線，圖2為2016年9月4日夜間時段BBAS-2加速度記錄的三分向噪聲功率譜曲線，由于篇幅有限，這里僅對臺站9月份最具代表性功率譜進行分析，其余時間段除個別時段有干擾外計算結果基本與圖1相類似。夜間為平靜期，噪聲水平基本一致但也不盡完全相同，該文在1～20 Hz觀測頻帶范圍內計算功率譜密度及RMS值。表1為夜間00點至05點各個時段的噪聲有效值，分別以速度和加速度表示的噪聲有效值，二者因噪聲功率譜可換算，所以這里也可以換算。表1中系統靈敏度數值偏大是因為選取數據是從EDAS-24GN數采存儲中下載，所以存在16倍增益關系，如若是數采實時輸出數據便不存在此問題，在實際數據應用中注意了此問題。

地面運動速度記錄的功率譜密度（PSD）在1～20 Hz頻帶范圍的均方根（rms）值代表環境地噪聲水平，表1中各時段的三分向地噪聲水平的平均值分別為2.08×10-8 m/s（UD向），2.12×10-8 m/s（EW向），1.94×10-8 m/s（NS向），按照環境地噪聲水平等級劃分為Ⅰ級臺基條件[7]。

5 分析與結論

由于該次計算數據選取在無其他干擾的較理想時段，計算結果基本反映了臺站夜間噪聲水平和分布特征，也即最安靜時段噪聲水平。從速度記錄計算得到的臺基噪聲功率譜密度結果看，在1～20 Hz頻帶范圍內頻譜良好，1993年美國USGS（美國地質調查局）利用全球范圍75個地點觀測數據得到的地動噪聲功率譜密度曲線集，由其包絡得到了新的全球公認的地球正常噪聲新模型[8]，即地球高噪聲模型NHNM和低噪聲模型NLNM，從圖1中可以看出，在0.03～1 Hz頻帶內臺站的噪聲譜與NLNM相吻合，證明該臺站在該頻段噪聲水平是非常低的；臺站噪聲功率譜不僅反映出了周期在6 s附近與主要噪聲相關的二次海洋微震動，也較清晰地反映了在14 s±2 s的較小的原始海洋微震動，而且均在其下限水平甚至超過低噪聲模型NLNM；在0～0.1 Hz的低頻段內，垂直向噪聲功率譜明顯小于水平向，而兩水平向基本水平一致，因為對長周期而言，水平噪聲功率譜可能明顯大于垂直噪聲，這主要是由于傾斜，重力耦合到了水平分量中，而不耦合到垂直分量中，傾斜可能是由交通、風或者當地大氣壓力的波動引起的；在2～50 Hz的高頻段，臺基噪聲功率譜明顯上升，臺基噪聲主要來源于各種近場干擾源和風吹等高頻影響；計算頻帶內噪聲功率譜密度在-180～-140 db之間，總體水平較低，利于地震觀測。

利用加速度儀器也可以評估臺站噪聲水平，圖2結果為該臺站加速度地震計記錄數據計算的噪聲功率譜密度，根據與其儀器自噪聲的對比，得到的噪聲功率譜基本為其儀器本身的噪聲功率譜，即儀器自噪聲大于外界環境噪聲，不能用來考察外界噪聲水平，只能說明臺站周圍無較大干擾源的存在，對于臺站的臺基噪聲水平研究沒有實際意義。

地震觀測儀器的噪聲限制了儀器的分辨力，測震臺站臺基噪聲限制了微震監測能力。從長期來看，臺基噪聲水平是統計平穩的，也就是說長時間尺度的臺基噪聲功率譜估計基本代表了臺站點臺基噪聲水平。同時每個臺站的臺基噪聲功率譜的分布有其自身的特點，通過對臺基噪聲功率譜進行統計分析，跟蹤臺基噪聲水平和臺基噪聲功率譜形態的變化，識別臺基噪聲的異常情況，從而為進一步分析判斷觀測環境變化、觀測儀器狀態提供信息。臺基背景噪聲的頻譜分布是不均勻的，計算臺基噪聲得到頻譜分布對于評估臺站監測能力十分重要，功率譜密度（PSD）在1～20 Hz頻帶范圍的均方根（rms）值也在一定程度代表環境地噪聲水平。

參考文獻

[1] 中國地震局.測震學原理與方法[M].北京：地震出版社，2015.

[2] 楊曉明，晉玉劍，李永紅.經典功率譜估計Welch法的MATLAB仿真分析[J].電子測試，2011（7）：101-104.

[3] 中國地震局監測預報司.地震學與地震觀測[M].北京：地震出版社，2007.

[4] 劉瑞豐，陳培善，黨京平，等.寬頻帶數字地震記錄仿真的應用[J].地震地磁觀測與研究，1997，18（3）：7-12.

[5] 巴特，著.地球物理物理學中的譜分析[M].鄭治真，等，譯.北京：地震出版社，1978.

[6] GB/T 3241-1998，倍頻程和分數倍頻程濾波器[S].北京：中國標準出版社，1998.

[7] GB/T 19531.1-2004，《地震臺站觀測環境技術要求》第1部分：測震[S].北京：中國標準出版社，2004.

[8] J.Peterson.Observation and Modelling of background Seismic Noise[M].U.S geol.surv.tech.rept，Open File Report，1993：93-322.