臺陣地震計程控化正弦標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計

郭 磊 白珊珊 李從慶 軒倩倩

（中國鄭州 450003 中國地震局地球物理勘探中心）

0 引言

隨著我國防震減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展，地震計在地震觀測、監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，例如：中國地震科學(xué)臺陣探測項目、中國地震局“一帶一路”地震監(jiān)測臺網(wǎng)項目、“透明地殼”超密集地震臺陣探測系統(tǒng)建設(shè)項目等。但是，當(dāng)觀測環(huán)境復(fù)雜時，地震計會受到影響，從而導(dǎo)致儀器特性發(fā)生變化，降低地震計使用性能以及地震觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量（王曉蕾等，2012；許衛(wèi)衛(wèi)，2018）。為檢驗地震計儀器特性是否滿足使用要求，進而提高地震計標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，應(yīng)進行周期性標(biāo)定。中國地震局地球物理勘探中心（下文簡稱物探中心）負(fù)責(zé)管理中國地震局800 套臺陣地震計（宋麗莉等，2012），采用振動臺標(biāo)定（Bormann，2002）與電標(biāo)定（李海亮，2000；周云耀等，2006）結(jié)合法（即抽檢少量地震計采用振動臺法標(biāo)定，大量地震計采用電標(biāo)定法標(biāo)定）來進行地震計標(biāo)定，任務(wù)繁重。電標(biāo)定通過特定數(shù)采完成，但存在標(biāo)定點頻率值固定、標(biāo)定過程程控化較低、標(biāo)定結(jié)果處理時間較長等問題。因此，提出一種適用于臺陣地震計的程控化正弦標(biāo)定系統(tǒng)，在進行正弦標(biāo)定時，可提供精度高、頻帶寬、穩(wěn)定性好的信號源，利用臺陣地震計內(nèi)部的標(biāo)定線圈，使用程控化方式對標(biāo)定過程進行自動控制，采用24 位采集系統(tǒng)進行信號采集，并通過一定算法對數(shù)據(jù)結(jié)果進行自動計算及處理。該標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要包括標(biāo)定測控儀及標(biāo)定測控軟件。通過對選定地震計的標(biāo)定實驗，證明該程控化正弦標(biāo)定系統(tǒng)對于提高信源質(zhì)量、縮短標(biāo)定時長、提高標(biāo)定效率具有顯著效果，表明開展大批量臺陣地震計電標(biāo)定具有廣闊前景。

1 物探中心臺陣地震計標(biāo)定現(xiàn)狀

物探中心管理的800 套臺陣地震計主要用于中國地震科學(xué)臺陣探測項目，其標(biāo)定采用振動臺標(biāo)定與電標(biāo)定結(jié)合的方法。

振動臺標(biāo)定法原理是，在外部將標(biāo)準(zhǔn)振動臺檢定裝置產(chǎn)生的激勵施加給地震計，采集激勵信號的振級、頻率和地震計響應(yīng)信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得地震計標(biāo)定參數(shù)，如靈敏度、寄生共振頻率和橫向抑制比（袁松湧等，2010）。振動臺標(biāo)定法具有完整的量值傳遞與量值溯源傳遞鏈，廣泛應(yīng)用在法定計量檢定機構(gòu)所開展的檢定或校準(zhǔn)工作中，但經(jīng)濟成本和時間成本較高（林湛等，2013）。地震計標(biāo)定時間受待標(biāo)定頻點數(shù)量和頻點特性影響較大，頻點數(shù)量越多，頻點頻率越低，標(biāo)定時間越久。如：一臺甚寬頻帶地震計工作頻帶120 s—50 Hz，測量12 個頻點，每個頻點處測量3 次，標(biāo)定時間約需6.0 h，其中處于低頻段（1 Hz 以下）的頻點，標(biāo)定時間約4.0 h。因此，利用振動臺法標(biāo)定臺陣地震計一般采用抽檢方式進行。

電標(biāo)定法原理是，在地震計進入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后，將特定的標(biāo)定信號，如正弦信號、階躍信號、白噪聲信號等作為激勵信號，接入地震計標(biāo)定回路，標(biāo)定線圈上電，推動擺錘運動，得到地震計響應(yīng)輸出信號。電標(biāo)定法通常經(jīng)一些數(shù)采實現(xiàn)標(biāo)定功能。這些數(shù)采中內(nèi)置信號發(fā)生器，可提供特定的標(biāo)定信號；數(shù)采中的信號采集模塊，可實現(xiàn)標(biāo)定信號與地震計響應(yīng)輸出信號的實時采集；與數(shù)采配套的軟件，可進行標(biāo)定結(jié)果的分析與處理。物探中心臺陣地震計選用Refteck 130/130s 型和Guralp CMG-DM24 型數(shù)據(jù)采集器作為配套數(shù)采，但進行正弦標(biāo)定時存在以下問題：使用Refteck 130/130s 型數(shù)采標(biāo)定時，標(biāo)定頻率在1—100 Hz 范圍內(nèi)有10 個可選頻點，對于頻帶較寬地震計，無法滿足標(biāo)定頻帶要求；使用CMG-DM24 型數(shù)采標(biāo)定時，標(biāo)定頻率范圍滿足地震計標(biāo)定要求，但程控化較低，結(jié)果處理時間較長。

2 程控化正弦標(biāo)定研究

2.1 程控化正弦標(biāo)定系統(tǒng)

臺陣地震計標(biāo)定系統(tǒng)由標(biāo)定測控儀、臺陣地震計、通信線路、標(biāo)定測控軟件共同搭建而成，其中標(biāo)定測控儀主要由通信接口、信號源模塊、采集模塊、控制模塊、電源模塊等組成。針對物探中心臺陣地震計電標(biāo)定存在的問題，研究適用的標(biāo)定測控儀，搭建標(biāo)定系統(tǒng)。

2.2 標(biāo)定測控儀

為應(yīng)對特定區(qū)域、特定環(huán)境下的標(biāo)定任務(wù)，如野外地震觀測、臺站地震觀測標(biāo)定等，提高標(biāo)定效率，標(biāo)定測控儀應(yīng)具有一定實用性和功能性。標(biāo)定測控儀的實用性主要指使用便攜性和操作便捷性。標(biāo)定測控儀應(yīng)具有一定輕便性，方便攜帶。為此，外形尺寸設(shè)定為40 cm×25 cm×10 cm，整機重量＜5 kg。經(jīng)測試，滿足便攜性要求。標(biāo)定測控儀的操作按鍵、旋鈕應(yīng)簡單化，與地震計的運行狀態(tài)應(yīng)可視化。為此，僅設(shè)置掉電開關(guān)及地震計標(biāo)定回路開啟關(guān)閉按鍵。在測控儀上設(shè)置掉電指示燈、地震計擺錘狀態(tài)指示燈、地震計標(biāo)定狀態(tài)指示燈，可保證標(biāo)定測控儀和地震計運行狀態(tài)可視化。

標(biāo)定測控儀具有通信、供電、發(fā)標(biāo)定、采集和控制等功能。具體功能如下：①通信功能：需實現(xiàn)標(biāo)定測控儀與地震計、計算機軟件之間的通信。通過設(shè)置26 腳航空插頭，可實現(xiàn)地震計專用擺線與地震計之間的實時通信。通過設(shè)置USB 3.0 接口，可實現(xiàn)USB 連接線與計算機軟件之間的實時通信；②供電功能：通過開關(guān)電源，將AC 220 V（市電）轉(zhuǎn)為DC 12 V、DC 5 V、DC ± 15 V（直流電），為地震計、信號源模塊、采集模塊、控制模塊等供電；③發(fā)標(biāo)定功能：信號源模塊產(chǎn)生的標(biāo)定信號頻帶，需全覆蓋臺陣地震計工作頻帶。標(biāo)定測控儀可提供頻率范圍為0.000 1 Hz—1 kHz 的標(biāo)準(zhǔn)信號，其電壓輸出幅值為-10—10 V，輸出波形失真度≤0.05%；④采集功能：采集標(biāo)定信號和地震計輸出信號。標(biāo)定測控儀共設(shè)置4 個信號采集通道，分別對應(yīng)標(biāo)定信號及地震計3 個分向的信號，可采集-10—10 V 范圍的電壓輸入，最大采樣率為100 kHz，24 位分辨率；⑤控制功能：為標(biāo)定過程控制提供可靠的硬件支持。控制模塊采用FPGA 主芯片EP2C8T144C8N，負(fù)責(zé)聯(lián)系和控制測控儀各部分協(xié)調(diào)工作，完成模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換功能及I/O 輸入輸出功能。

2.3 標(biāo)定測控軟件

標(biāo)定測控軟件采用LabVIEW 程序編寫。LabVIEW 是NI 公司推出的上位機圖形化編程軟件。軟件采用G 語言開發(fā)，具有不錯的開發(fā)效率和運行效率。

標(biāo)定測控軟件含4 個運行界面：啟動界面、用戶輸入界面、測試界面、數(shù)據(jù)存儲界面。啟動界面是軟件的開啟界面，界面內(nèi)容包括標(biāo)定測控軟件的名稱、開發(fā)單位、進入下一級界面的指令和軟件退出指令。用戶輸入界面以對話框形式邀請用戶進行信息錄入，錄入信息分為基本信息和標(biāo)定信息。基本信息包括儀器型號、生產(chǎn)廠家、測試地點、溫濕度，工作頻帶和說明信息；標(biāo)定信息包括地震計各分向線圈常數(shù)、標(biāo)定信號頻率、電壓值。測試界面包括波形顯示框、標(biāo)定參數(shù)框、標(biāo)定進度條框和標(biāo)定數(shù)據(jù)框。波形顯示框可顯示標(biāo)定信號及地震計各分向輸出信號的實時波形；標(biāo)定參數(shù)框可顯示用戶設(shè)置的標(biāo)定信號的頻率、電壓值和測量次數(shù)；標(biāo)定進度條框可顯示當(dāng)前標(biāo)定過程的進度狀態(tài)；標(biāo)定數(shù)據(jù)框可顯示標(biāo)定后地震計各分向靈敏度計算結(jié)果。數(shù)據(jù)存儲界面可將標(biāo)定測試數(shù)據(jù)以Excel 文本格式進行保存，保存的數(shù)據(jù)信息包括標(biāo)定測試時間、用戶錄入的基本信息和標(biāo)定測試結(jié)果信息，數(shù)據(jù)信息量完整，可作為標(biāo)定測試的原始數(shù)據(jù)。

標(biāo)定測控軟件具有高程控化特點，用戶只需在輸入界面輸入相應(yīng)信息，便可對標(biāo)定測控儀進行閉環(huán)控制，操作流程得以簡化，便于用戶使用。

2.4 標(biāo)定數(shù)據(jù)處理

計算臺陣地震計靈敏度，所需參量包括：標(biāo)定信號的頻率、輸入電壓、地震計的標(biāo)定內(nèi)阻、線圈常數(shù)、輸出電壓。其表達式可記為

式中：S為靈敏度；f為頻率；R為標(biāo)定內(nèi)阻；K為線圈常數(shù)；Vo為地震計輸出電壓；Vi為標(biāo)定信號的輸入電壓。

臺陣地震計具有3 個分向，每個分向的靈敏度表達式可以記為

式中：SU、SN、SE分別為地震計垂直向（UD）、南北向（NS）、東西向（EW）靈敏度；KU、KN、KE分別為垂直向（UD）、南北向（NS）、東西向（EW）線圈常數(shù)；VU、VN、VE分別為地震計垂直向（UD）、南北向（NS）、東西向（EW）輸出電壓；Vi為標(biāo)定信號輸入電壓。

根據(jù)不同頻點（f1，f2，f3，...，fn）對應(yīng)的靈敏度數(shù)值（S1，S2，S3，...，Sn），繪制地震計幅頻特性曲線。

3 程控化正弦標(biāo)定結(jié)果

3.1 測試方案

采用程控化正弦標(biāo)定系統(tǒng)，開展臺陣地震計標(biāo)定測試。測試對象為2 臺近期經(jīng)中國計量科學(xué)研究院超低頻振動臺校準(zhǔn)的同型號臺陣地震計，出廠編號分別為T37662 和T37893，工作頻帶為120 s —50 Hz，單端輸出標(biāo)稱靈敏度為1 000 mV/（mm/s）。將待標(biāo)定地震計放置于振動臺基座上（振動臺基座建立在山體基巖上，且四周采取隔振措施），以降低外部環(huán)境干擾，提高標(biāo)定測試的數(shù)據(jù)質(zhì)量。選取測試對象校準(zhǔn)證書所示12 個頻率點開展標(biāo)定測試，在每個頻點處進行3 次測量后取平均值，記錄標(biāo)定時長與標(biāo)定流程，與物探中心臺陣地震計當(dāng)前標(biāo)定結(jié)果進行對比，就標(biāo)定的時間和效率指標(biāo)，評估程控化標(biāo)定系統(tǒng)效果，并與振動臺法所測校準(zhǔn)結(jié)果進行靈敏度及幅頻特性結(jié)果的比較。

3.2 測試結(jié)果

程控化標(biāo)定系統(tǒng)在縮短臺陣地震計標(biāo)定時間和提高標(biāo)定效率方面效果顯著。采用程控化正弦標(biāo)定系統(tǒng)，按照既定測試方案開展測試并記錄，每臺被測臺陣地震計的標(biāo)定時長約60 min，與采用振動臺法的標(biāo)定時間相比，有大幅縮減。與通過常用配套數(shù)采進行的電子標(biāo)定相比，程控化正弦標(biāo)定的頻點全覆蓋地震計工作頻帶，標(biāo)定過程由程序控制，待地震計進入穩(wěn)態(tài)后，用戶只需在標(biāo)定輸入界面中輸入相應(yīng)參數(shù)，即可由程序執(zhí)行標(biāo)定任務(wù)，并獲取標(biāo)定結(jié)果。據(jù)地震計生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)資料，程控化正弦標(biāo)定系統(tǒng)與其提供的傳遞函數(shù)基本一致。

（1）程控化標(biāo)定測試與振動臺法校準(zhǔn)結(jié)果對比。采用程控化正弦標(biāo)定，分析地震計T37662、T37893 的幅頻特性，與振動臺校準(zhǔn)結(jié)果進行對比，見表1、表2，可見程控化正弦標(biāo)定結(jié)果具有良好的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。為直觀對比2 種方法的標(biāo)定效果，以UD 向為例，繪制程控化正弦標(biāo)定測試與振動臺校準(zhǔn)幅頻特性曲線，結(jié)果見圖1，可見在10 Hz 以下低頻段，2 條曲線重合度較高。

圖1 T37662 地震計UD 向幅頻特性曲線對比Fig.1 The vertical direction comparison of amplitude-frequency characteristics of seismometer T37662

由表1、表2 可見，在1 Hz 頻點處，地震計T37662 的NS 向程控化正弦標(biāo)定測試靈敏度與振動臺校準(zhǔn)靈敏度偏差為1.9%，EW 向靈敏度偏差為0.94%，UD 向靈敏度偏差為0.57%；地震計T37893 的NS 向程控化正弦標(biāo)定測試靈敏度與振動臺校準(zhǔn)靈敏度偏差為0.48%，EW 向靈敏度偏差為1.11%，UD 向靈敏度偏差為1.05%。

表1 地震計T37662 幅頻特性結(jié)果對比Table 1 Comparison of amplitude-frequency characteristics of seismometer T37662

表2 地震計T37893 幅頻特性結(jié)果對比Table 2 Comparison of amplitude-frequency characteristics of seismometer T37893

（2）程控化正弦標(biāo)定與常用配套數(shù)采電標(biāo)定結(jié)果的對比。程控化正弦標(biāo)定所得結(jié)果與通過Refteck 130s 型數(shù)采或Guralp CMG-DM24 型數(shù)采進行的電標(biāo)定結(jié)果具有良好一致性。文中以2 種數(shù)采分別在1 Hz 頻點的標(biāo)定結(jié)果為例，分別將標(biāo)定信號的頻率、輸入電壓、地震計的標(biāo)定內(nèi)阻、線圈常數(shù)、輸出電壓代入公式（1），計算可得地震計各分向在1 Hz 頻點的靈敏度，結(jié)果見圖2、圖3，其中圖2 為通過Refteck 130s型數(shù)采在1 Hz 頻點的電標(biāo)定結(jié)果，圖3 為通過Guralp CMG-DM24 型數(shù)采在1 Hz 頻點的電標(biāo)定結(jié)果。

圖2 Refteck 130s 型數(shù)采1 Hz 頻點電標(biāo)定結(jié)果Fig.2 Electrical calibration results of 1 Hz for Refteck 130s data collector

圖3 Guralp CMG-DM24 型數(shù)采1 Hz 頻點電標(biāo)定結(jié)果Fig.3 Electrical calibration results of 1 Hz for Guralp CMG-DM24 data collector

經(jīng)計算，在1 Hz 頻點處，程控化正弦標(biāo)定所得參考靈敏度與通過Refteck 130s 型數(shù)采或Guralp CMG-DM24 型數(shù)采所得結(jié)果偏差均在2%以內(nèi)，具有較好的一致性。

4 結(jié)束語

研究設(shè)計程控化標(biāo)定測控儀及對應(yīng)的標(biāo)定測控軟件，并將二者結(jié)合搭建標(biāo)定系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了適用于臺陣地震計的程控化正弦標(biāo)定。相比振動臺標(biāo)定方法或通過常用配套數(shù)采進行的電子標(biāo)定方法，利用程控化正弦標(biāo)定方法進行標(biāo)定，在縮短臺陣地震計標(biāo)定時長，提高臺陣地震計標(biāo)定效率方面具有顯著效果。由程控化正弦標(biāo)定測試結(jié)果可知，在10 Hz以下頻點，其標(biāo)定靈敏度具有不錯的重復(fù)度和精度。因此，在密集臺陣系統(tǒng)中，利用程控化正弦標(biāo)定方法進行臺陣地震計標(biāo)定，具有一定可行性。