GL-S120與3T-120甚寬頻帶地震計(jì)性能對比分析

吳 雙，李小晗，王杰民，王 良

(山東省地震局，山東 濟(jì)南 250000)

目前，地震系統(tǒng)使用的地震計(jì)種類繁多，不同廠家、不同型號(hào)的地震計(jì)在性能和指標(biāo)上均存在一定差異，這些差異在日常數(shù)據(jù)處理、分析和深挖掘等工作中會(huì)造成一定影響(韓成成等，2016)。通過對GL-S120與3T-120兩種較為常見的甚寬頻帶地震計(jì)的性能進(jìn)行對比分析，可以在地震數(shù)據(jù)研究中起到一定參考作用(段紹鑫等，2019)。

1 觀測條件及儀器參數(shù)

將兩種地震計(jì)放置于山東省臨沂市馬陵山比測基地山洞內(nèi)進(jìn)行觀測，觀測記錄時(shí)段為2018年11月22日至2019年3月27日。馬陵山比測基地地處沂沭斷裂帶南段，監(jiān)測環(huán)境比較優(yōu)越。GL-S120與3T-120兩種甚寬頻帶地震計(jì)放置在馬陵山13號(hào)山洞臺(tái)基上，同時(shí)還設(shè)置了三臺(tái)地震計(jì)進(jìn)行對比觀測；不同型號(hào)地震計(jì)連接數(shù)據(jù)的采集器均統(tǒng)一使用EDAS-24GN，采集器的采樣率也均設(shè)置為100 Hz，采用GPS轉(zhuǎn)發(fā)覆蓋。地震觀測儀器參數(shù)如表1所示。

表1 地震觀測儀器參數(shù)

2 地震計(jì)相關(guān)性計(jì)算

2.1 相關(guān)性計(jì)算方法

本研究采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。Pearson相關(guān)系數(shù)法是英國統(tǒng)計(jì)學(xué)家皮爾遜在20世紀(jì)提出的一種計(jì)算直線相關(guān)的方法(王凱等，2012)。其計(jì)算公式如下：

(1)

通常情況下，可以通過以下取值范圍判斷變量間的相關(guān)性：相關(guān)系數(shù)在0.8～1.0為極強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.6～0.8為強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.4～0.6為中等程度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.2～0.4為弱相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.0～0.2為極弱相關(guān)或無相關(guān)。

2.2 地震事件選取

選取2018年12月21日1時(shí)1分57秒在科曼多爾群島地區(qū)(54.95°N，164.79°E)發(fā)生的7.4級(jí)地震事件作為比測樣本。GL-S120(G17425VS)與3T-120(T39737)兩種型號(hào)地震計(jì)記錄波形如圖1所示。

圖1 GL-S120和3T-120型號(hào)地震計(jì)波形記錄

2.3 相關(guān)性計(jì)算結(jié)果

表2 不同型號(hào)地震計(jì)間相關(guān)性的計(jì)算結(jié)果

表3 同型號(hào)地震計(jì)間相關(guān)性的計(jì)算結(jié)果

3 地動(dòng)噪聲功率譜分析

采用Welsh方法計(jì)算地動(dòng)噪聲功率譜，將輸入數(shù)據(jù)序列分段，每段之間部分重疊，分別求出每段的譜估計(jì)，計(jì)算譜估計(jì)時(shí)使用窗函數(shù)，最后將各段數(shù)據(jù)的譜估計(jì)平均值作為最后結(jié)果(段天山等，2011)。

選取2019年02月6日5時(shí)至6時(shí)(該時(shí)段內(nèi)無地震，外界干擾較小)觀測數(shù)據(jù)作為計(jì)算樣本，分別對GL-S120(G17424VS)和3T-120(T39820)地震計(jì)進(jìn)行同一時(shí)段的UD向地動(dòng)噪聲功率譜密度計(jì)算。兩種不同型號(hào)地震計(jì)的UD向臺(tái)基噪聲功率譜密度曲線見圖2，由圖可知：1)在0.03 Hz以上頻段，GL-S120和3T-120兩種型號(hào)地震計(jì)UD向地動(dòng)噪聲曲線走向基本保持一致；2)在0.03 Hz以下頻段，3T-120型號(hào)地震計(jì)的UD向同頻點(diǎn)地動(dòng)噪聲略低于GL-S120型號(hào)地震計(jì)。背景噪聲相同，兩種型號(hào)地震計(jì)所計(jì)算的臺(tái)基噪聲在0.03 Hz以下頻段存在一定差異，這有可能是地震計(jì)自身性能差異等因素造成，具體原因還可待進(jìn)一步研究。

圖2 GL-S120和3T-120地震計(jì)UD向臺(tái)基噪聲功率譜密度曲線

UD向1～20 Hz速度RMS均值見表4，由表可知：GL-S120和3T-120兩種地震計(jì)UD向1/3倍頻程帶寬1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)的速度RMS均值小于3.16×10-8m/s。

表4 噪聲功率譜計(jì)算結(jié)果

4 地震計(jì)自噪聲功率譜對比

計(jì)算地震計(jì)自噪聲的方法采用目前較為廣泛使用的三儀器法，該方法的二階張量表達(dá)式如下：

(2)

式中：Nij為儀器的自噪聲功率譜密度，Pii為儀器輸出信號(hào)的自功率譜密度，Pji、Pik和Pjk為儀器輸出信號(hào)的互功率譜密度，i,j,k=1,2,3,其中i≠j≠k(尹昕忠，2013)。

由圖3～5可知：1)GL-S120型號(hào)地震計(jì)在0.03～6 Hz頻帶范圍內(nèi)自噪聲功率譜密度曲線低于NLNM曲線；3T-120型號(hào)地震計(jì)在0.03～10 Hz頻帶范圍內(nèi)自噪聲功率譜密度曲線低于NLNM曲線；2)0.1 Hz以上頻段和0.03 Hz以下頻段，3T-120型號(hào)地震計(jì)自噪聲功率譜在同一頻點(diǎn)比GL-S120型號(hào)地震計(jì)略微偏低，此結(jié)果與第3部分兩種型號(hào)地震計(jì)臺(tái)基噪聲曲線所得結(jié)果基本一致。

圖3 GL-S120地震計(jì)UD向自噪聲功率譜密度曲線

圖4 3T-120地震計(jì)UD向自噪聲功率譜密度曲線

圖5 GL-S120 VS 3T-120地震計(jì)UD向自噪聲平均功率譜密度曲線

由于地震計(jì)自噪聲測試結(jié)果受多種因素影響，而且不同儀器對環(huán)境噪聲水平要求不同。對于寬頻帶地震計(jì)而言，需要保證溫度恒定，防止空氣流動(dòng)。該測試未采取較好的保護(hù)措施，忽略了外界干擾影響，結(jié)果可能存在一定程度的偏差。

5 結(jié)束語

通過同址安裝運(yùn)行的GL-S120和3T-120兩種型號(hào)地震計(jì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)該兩種型號(hào)地震計(jì)具有較好的一致性。具體為：1)GL-S120和3T-120兩種型號(hào)地震計(jì)記錄數(shù)據(jù)相關(guān)性高，均能較好反應(yīng)地動(dòng)信息；2)兩種型號(hào)地震計(jì)記錄的臺(tái)基噪聲曲線走向總體一致，能真實(shí)記錄臺(tái)基的噪聲水平；3)GL-S120和3T-120兩種甚寬頻帶地震計(jì)UD分向自噪聲功率譜密度曲線在0.03～6 Hz頻帶范圍內(nèi)均低于NLNM曲線，均具有良好的地震計(jì)低噪聲水平。

在整個(gè)測試過程中兩種型號(hào)的地震計(jì)均未配置保溫隔離設(shè)施，外界環(huán)境可能在一定程度上對計(jì)算結(jié)果造成影響。在以后工作中，要考慮為地震計(jì)配置保溫、隔離設(shè)施，減少溫度、濕度、空氣氣流在地震計(jì)工作過程中造成干擾。