內蒙古地震烈度速報與預警工程基本站勘選儀器測試分析

王 鑫，張皓明，安 全

（內蒙古地震局，內蒙古 呼和浩特 010080）

0　引言

內蒙古地震烈度速報與預警工程是國家地震烈度速報與預警工程的子項目，地震烈度速報與預警工程基本站的建設思路是連續觀測地面運動加速度，實時傳輸觀測波形，用于地震烈度速報，并可用于地震預警的地震臺站。基本站僅配備加速度地震計，將其布設在人口聚集區內環境噪聲相對較低的地表場地，其觀測數據可以準確地確定臺站所在位置的地震儀器烈度以及強震的基本參數，因此其作為地震烈度速報骨干臺站、地震預警輔助臺站。基本站臺站選址后，應進行臺基背景噪聲測試。測試儀器應采用能直接獲取場地脈動加速度量的儀器，儀器頻帶寬度范圍宜不小于0～80 Hz，記錄場地脈動加速度時間過程[1]。本文研究在基本站勘選階段進行臺基背景噪聲測試得到的地脈動噪聲功率譜及特征參數，并對其進行綜合分析，對后續的基本站建設和提高觀測質量都具有實際意義。

1　觀測資料選取

場地干擾背景的噪聲大小直接關系到基本站記錄地震波形的能力，背景噪聲的大小需要噪聲記錄來計算衡量，結合地震烈度速報與預警工程基本站勘選儀器測試工作，選取內蒙古區域的10個基本站加速度強震計記錄數據，每個勘選點連續記錄數據不少于24小時，為真實反映臺基噪聲水平，每個勘選點選取的連續記錄數據包含白天和夜間時段，數據一般選取無地震或其他干擾的時段，或將噪聲樣本數據的時間延后至正常地脈動水平的部分開始正式記錄。10個基本站的數據選取在2016年3月17日至2016年4月5日的時間區間內，圖1為測試點分布圖。

圖1　測試基本站分布圖Fig.1　 Distribution of test basic stations

2　測試儀器

3　計算方法

3.1　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[3]。對選取的整個記錄取平均值作為直流偏移量，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，f1為每個采樣點的count值，N為記錄長度的總采樣數。

3.2　扣除儀器響應

需要將以數字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加速度值，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，Sd為系統靈敏度，A0為歸一化常數，Ck和Dk分別代表傳遞函數的零點和極點。

3.3　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：

3.4　計算臺基噪聲有效值

臺基噪聲有效值即均方根振幅值RMS，即N個觀測數據的平方和除以N后開平方的結果，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，fc為分度倍頻程中心頻率，RBW為中心頻率[5]。

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4　計算結果

基本站勘選場地脈動測試結束后，應對數據進行有效性分析，剔除偶發性干擾后對有效記錄數據進行計算分析。本文在1～20Hz觀測頻帶范圍內計算功率譜密度及RMS值，通常干擾背景與時間有關，白天的干擾背景噪聲大一些，夜間要相對平靜一些，當然勘選測試點一定要避開已知的可能影響觀測的振動源，如大型的馬達、泵站、發電機、塔柱狀結構、重型車輛通路、大型管道等設施。對場地脈動觀測數據進行處理，評估臺點場地的背景振動噪聲水平。資料處理時，將全天24小時連續觀測記錄分為24個時段，計算每個時段內1～20Hz頻段內的均方根值，測試場地的最大背景振動加速度噪聲均方根值應不大于0.01m/s2，則認為場地滿足噪聲要求[1]。當采用加速度表示振動噪聲時，其功率譜密度的單位為m2s-4/Hz，圖2為10個勘選測試點的計算得到的噪聲功率譜以及24小時功率譜密度加速度aRMS有效值（平均）時間分布柱狀圖。

圖2　各測試點噪聲功率譜與aRMS水平Fig.2　 Each test point noise power spectrum and aRMS level

首先進行帶通濾波處理，濾波頻率范圍宜選擇為0.1～80Hz，其次確定臺站場地24次觀測的背景振動加速度噪聲方均根值（aRMS），24次計算結果中最大的背景振動加速度噪聲均方根值作為臺站最大背景振動加速度噪聲。

表1　基本站測試點加速度噪聲均方根RMS值

5　儀器自噪聲

儀器測試時不僅要進行標定以保證儀器工作狀態正常和靈敏度等參數的準確，同時對儀器進行自噪聲測試也是有必要的。地震計的測量能力可用頻帶范圍和幅值范圍來表示，圖3為廠家給定的地震計幅頻特性，該技術指標確定了儀器頻帶范圍，而幅值范圍則由動態范圍、限幅電平、地震計自噪聲水平來描述。地震計自噪聲功率譜的測試對于表示地震計的測量范圍比較直觀，雖然廠家一般在說明書中給了儀器自噪聲功率譜曲線，但對于本次勘選任務有必要對其進行儀器自噪聲功率譜測試。

霍爾科姆方法使用兩臺加速度地震計進行對比觀測，根據兩臺地震計的同址、同步觀測資料，計算它們的功率譜和幅值平方相干函數，即可得到地震計的噪聲功率譜[6]。圖3為使用該方法得到的BBAS加速度計的自噪聲功率譜。

6　結論

在野外測試的環境下，溫度變化較大，即便是一個小時的噪聲數據，加速度計產生的溫度零點漂移還是非常明顯的，為了消除溫漂的影響，計算加速度噪聲功率譜的計算程序中加入了0.1～80Hz的帶通濾波器，另外還加入了100Hz高端截止頻率的高通濾波器，其目的在于消除直流分量引起的零漂[7]。《地震臺站建設規范》[1]中要求對測試數據進行帶通濾波預處理，以消除由于溫漂帶來超低頻成份增高的因素。XNE、JNQ、CHQ三個點沒有對測試數據進行濾波預處理，從圖2可以看出，這3個測試點的噪聲功率譜在低頻段水平較高，這是實際記錄數據低頻信號成分存在的證明，是實測數據的真實反映，其余7個測試點數據均采用了高通濾波器，從圖中也可以看出，其它7個測試點數據均采用了高通濾波器，其噪聲功率譜的低頻段與未進行濾波處理的結果相比較下降是明顯的，100Hz高端截止頻率有效去除了直流分量引起的零點漂移，更真實地反映其本身場地的噪聲功率譜。至于帶通濾波器的選擇會造成噪聲功率譜低頻段更明顯的下跌，這是因為在處理數據時要調用加速度計的傳遞函數來扣除儀器響應，傳遞函數的零極點參數相當于一個低通濾波器，在低頻段是平坦的，處理數據時如果選擇帶通濾波器頻帶范圍的選擇是不合適的，會造成噪聲功率譜低頻段的畸變。

圖2中各測試點的噪聲功率譜是每個臺站3分向24小時各時段的噪聲功率譜的集合，也就是說每個臺站有畫了72條譜線來表征臺站噪聲功率譜，大部分測試點的圖譜一致性較好，個別測試點如SBT、HUD、CYH、CYZ個別時段的噪聲功率譜與其他時段存在不一致的現象，這是由于測試場地突發外界人為干擾與地震事件或非天然地震事件的影響，不能作為場地常規噪聲數據來估算，應剔除這些數據來估算，也就是保證噪聲數據的有效性，大部分時段和分向集中的圖譜作為其真實的噪聲圖譜。24小時功率譜密度加速度aRMS有效值時間分布柱狀圖也可以看出，噪聲水平基本符合夜間小于白天，上半夜小于下半夜，上午小于下午，這是由于夜間噪聲水平實際小于白天噪聲水平，其中HUD、CGBG、JAN夜間水平不低甚至高于白天，是由于夜間風擾所致，即測試點氣流變化大的影響。

表1中各個測試點的背景振動加速度噪聲方均根值aRMS均沒有超過0.01m/s2，且相差10-3數量級，均符合基本站的場地噪聲水平要求。另外經過比對分析，CGBG測試點的噪聲功率譜受外界干擾水平較小，其他測試點不同程度的受外界干擾，尤其在3Hz以上的高頻段受高頻信號干擾嚴重，一般來說在儀器正常工作的情況下高頻干擾都來自于外界自然與人為影響，結合加速度計的自噪聲功率譜，實測的各個場地噪聲功率譜在0.003～3Hz基本反映的是加速度儀器的自噪聲，總的來看，加速度計本身的自噪聲水平還是比較高的，如果單純以基本站的噪聲水平要求來看，使用該加速度計作為勘選地噪聲水平測試儀器是可以的，但要在1～20Hz頻帶范圍上考慮多個頻點的噪聲水平，使用該儀器是不能全面評價的。

圖3　BBAS加速度計幅頻特性與自身噪聲功率譜密度曲線Fig.3　 BBAS accelerometer amplitude-frequency characteristics and own noise power spectral

參考文獻：

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[3] 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.

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