烈度計臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與異常檢測

方一成 周藍(lán)捷 方偉華 王遹其 薛蕾

1.福建省海洋地震觀測中心；2.中國地震局廈門海洋地震研究所

福建省當(dāng)前共有一般站觀測點1100 個，使用三種不同的地震烈度計，分別是300 臺Palert、310 臺TMA-33、290 臺VH-GL-LDY 以及待建設(shè)200 臺。其中Palert 使用電信有線網(wǎng)絡(luò)連接，TMA-33 和VH-GL-LDY 通過接入鐵塔集團FSU 使用無線網(wǎng)絡(luò)方式連接，同時烈度計臺網(wǎng)包含多個供應(yīng)商硬件和設(shè)備、多種基礎(chǔ)設(shè)施，烈度計亦有不同的安裝方式。在臺網(wǎng)運行過程中，部分站點受背景噪聲、儀器自噪聲、安裝情況等因素影響，掉線較為頻繁，波形出現(xiàn)異常，影響地震烈度速報及日常運維工作，而當(dāng)前對烈度計的相關(guān)異常檢測方法較少。本文對福建省900 個一般站觀測數(shù)據(jù)進行分析處理，通過Python 編程實現(xiàn)一般站地震數(shù)據(jù)自動化處理，通過Pwelch 法分析烈度計噪聲水平，比較分析三種不同型號烈度計傳感器性能，對900 個一般站進行噪聲異常檢測，確定問題站點，提高運維效率。

1 概述

1.1 烈度計臺網(wǎng)基本情況

2015 年福建簡易烈度計示范項目300 個一般站，覆蓋廈漳泉莆地區(qū)，使用Palert 地震烈度計；2020 年6 月30 日，國家地震烈度速報與預(yù)警工程子項目完成600 個一般站的建設(shè)，覆蓋福建全省，使用TMA-33、VH-GLLDY，通過接入鐵塔集團FSU（基站智能動環(huán)監(jiān)控單元）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理與數(shù)據(jù)傳輸。

如圖1 所示烈度計型號分別為Palert、TMA-33、VH-GL-LDY。

圖1 福建省一般站所用簡易烈度計Fig.1 Simple intensity meter for general station in Fujian Province

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

烈度計的相關(guān)數(shù)據(jù)處理包括運行連續(xù)率、儀器性能指標(biāo)、波形記錄、發(fā)生地震事件波形記錄、噪聲相關(guān)處理等。1993 年，Peterson 研究全球范圍地震臺站的環(huán)境噪聲功率譜密度，提出了地球低噪聲新模型和地球高噪聲新模型。2004 年，McNamara 和 Buland 提出了一種新的統(tǒng)計方法，通過計算概率密度函數(shù)來評估給定地震臺站的全范圍噪聲[1]。目前，概率密度函數(shù)方法被國內(nèi)外等多個國家廣泛應(yīng)用于地震臺站背景噪聲水平評價及地震環(huán)境噪聲特征分析。2006 年，Marzorati S 通過功率譜概率密度函數(shù)分析研究了意大利中北部背景地震噪聲，受到晝夜變化、季節(jié)變化、風(fēng)暴等因素影響[2]。2012 年，Rastin S J 使用PDF 方法分析了新西蘭北島國家地震臺網(wǎng)五年記錄，通過噪聲的每日變化和季節(jié)性變化，評估地震檢測能力[3]。2019 年王芳等人利用中國地震臺網(wǎng)兩年內(nèi)連續(xù)波形記錄，通過計算噪聲功率譜密度和概率密度函數(shù)，對中國大陸地區(qū)的臺基噪聲水平進行了初步分析[4]。2014 年曲明哲等人研究了簡易烈度計中使用的MEMS 加速度傳感器噪聲問題，通過理論分析和實測背景噪聲，對不同的加速度計進行噪聲記錄和噪聲譜分析，得到在特定帶寬內(nèi)MEMS 加速度計的噪聲水平[5]。2019年許可等人在天津建設(shè)了80 個簡易烈度計點，進行地震觀測，與測震臺、強震臺共同組成天津地震預(yù)警觀測網(wǎng)，研究烈度計數(shù)據(jù)記錄、儀器性能指標(biāo)及噪聲水平[6]。2019年柳艷麗等人通過設(shè)計烈度計臺站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對臺站供電、網(wǎng)絡(luò)、I/O 開關(guān)量、烈度計狀態(tài)等信息的采集及遠(yuǎn)程控制等功能，并在天津烈度計臺網(wǎng)進行部署，提高了故障排查及維護效率[7]。

2 烈度計臺網(wǎng)噪聲分析及異常檢測

本文使用pwelch 法計算功率譜。周期圖法是將輸入的地震數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換，再以系數(shù)等價功率譜的方法。Welch(加窗平均周期圖法)是一種周期圖法的改進方法，先使相關(guān)地震數(shù)據(jù)x(n)在進行周期圖法計算功率譜之前，乘以窗函數(shù)w(n)（n=0，1，…，N-1）,使數(shù)據(jù)每段數(shù)據(jù)有一定的重疊率。周期圖法的曲線波動更大，即方差更大，Welch 法的曲線更加平滑，即方差較小。

pwelch 法利用Welch 平均功率圖法返回地震數(shù)據(jù)的功率譜密度。不定義其他參數(shù)，對相關(guān)數(shù)據(jù)使用pwelch函數(shù)，地震數(shù)據(jù)x將被分成8 段，相關(guān)片段的重疊率為50%。當(dāng)輸入的地震數(shù)據(jù)無法分為滿足50%重疊的8 個片段時，pwelch 函數(shù)會對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的自動裁剪。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)x是向量時，它被當(dāng)做一個單通道信號，當(dāng)x是矩陣時，x的每一列被當(dāng)做一個通道的信號，其psd結(jié)果相對應(yīng)與psd的每一列。如果x是實值信號，則pxx是單邊譜估計。如果x是復(fù)數(shù)信號，則pxx是雙邊譜估計。

pwelch 相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

pxx為功率譜估計值，f為pxx值所對應(yīng)的頻率點，fs為繪制功率譜曲線的抽樣頻率，默認(rèn)數(shù)值為1。

通過pwelch 法對900 個一般站數(shù)據(jù)進行噪聲水平處理分析。三種地震烈度計使用的傳感器都是三分量MEMS加速度計。對某一時段900 個一般站烈度計數(shù)據(jù)進行噪聲水平處理分析，如圖2 所示。在0.2 ～10Hz 范圍內(nèi)，900個一般站烈度計整體噪聲水平范圍約40 ～80db。

圖2 900 個一般站地震烈度計噪聲密度曲線Fig.2 Noise density curve of seismic intensity meter at 900 general stations

一般站地震烈度計分為三種型號：即Palert、TMA-33 和VH-GL-LDY。在程序中設(shè)置對應(yīng)烈度計型號的靈敏度參數(shù)，對同一時段三種不同型號烈度計數(shù)據(jù)分別進行噪聲處理分析及異常檢測。具體結(jié)果如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 Palert 地震烈度計噪聲密度曲線Fig. 3 Noise density curve of Palert seismic intensity meter

圖4 TMA-33 地震烈度計噪聲密度曲線Fig. 4Noise density curve of TMA-33 seismic intensity meter

圖5 VH-GL-LDY 地震烈度計噪聲密度曲線Fig. 5 Noise density curve of VH-GL-LDY seismic intensity meter

對比三種不同型號的烈度計噪聲曲線及功率譜，在0.1 ～10Hz 頻率范圍內(nèi)，300 臺Palert 地震烈度計的等效動態(tài)范圍約為40 ～82db；310 臺TMA-33 約在50 ～75db之間；290 臺VH-GL-LDY 約在48 ～75db 之間，均有部分站點存在噪聲異常情況。參考國內(nèi)外對各類加速度計的噪聲譜圖，Palert、TMA-33、VH-GL-LDY 所使用的加速度計均屬于民用及消費品級MEMS 加速度計，因所處理的地震數(shù)據(jù)帶有大量真實環(huán)境噪聲，所繪制的噪聲圖譜的區(qū)間數(shù)值比理論值更高，離NHNM 更遠(yuǎn)，因此福建省臺網(wǎng)烈度計所使用的MEMS 加速度計接近可應(yīng)用于地震監(jiān)測的工業(yè)級MEMS 加速度計。從噪聲曲線情況看，300 臺Palert 地震烈度計因更科學(xué)的選址以及長期有效的運維工作，顯示出更穩(wěn)定的噪聲水平；新建的600 個一般站所使用的TMA-33 與VH-GL-LDY 有多個站點噪聲曲線波動較大，較多站點存在噪聲異常情況。結(jié)合實地上站巡檢情況來看，有多個新建站點建設(shè)在高速公路、國道旁，環(huán)境噪聲較大；有部分站點存在儀器未固定、膨脹螺絲松動、機箱松動、儀器安裝不符合規(guī)范等情況。

對相關(guān)站點進行循環(huán)檢測，逐臺排查，發(fā)現(xiàn)噪聲異常站點代碼為B4410，地址為莆田市秀嶼區(qū)湄洲島，其噪聲密度曲線如圖6 所示，三分量中的UD 與NS 均在20db 以上，并且向上漂移。經(jīng)檢測，B4410 網(wǎng)絡(luò)連通正常，延時正常，通過查看其波形情況，發(fā)現(xiàn)波形存在異常。經(jīng)運維人員現(xiàn)場檢查，系統(tǒng)機器內(nèi)部元件損壞。

圖6 B4410 站點噪聲密度曲線及波形情況Fig.6 Noise density curve and waveform of site B4410

3 結(jié)語

當(dāng)前福建省烈度計臺網(wǎng)有三種不同型號的地震烈度計，同時烈度計有不同的安裝方式，網(wǎng)絡(luò)連接方式及安裝環(huán)境亦參差不齊。本文在Visual Studio 平臺上使用Python 語言編程，實現(xiàn)實時下載任意時間段900 個一般站地震數(shù)據(jù)，以MSEED 格式和SAC 格式保存至本地端。通過對900 個一般站地震數(shù)據(jù)進行噪聲處理分析，得到三種不同類型地震烈度計的傳感器性能區(qū)間，Palert的等效動態(tài)范圍更接近NHNM，整體曲線更加平滑，更加穩(wěn)定，TMA-33 與VH-GL-LDY 整體性能接近，三種不同類型的烈度計均存在部分站點噪聲異常情況，分析特定時段三種不同型號地震烈度計的噪聲密度曲線及功率譜，通過循環(huán)檢測，逐臺排查，結(jié)合相關(guān)波形數(shù)據(jù)，能夠快速確定異常站點，結(jié)合實地上站情況，確認(rèn)相關(guān)問題原因，為今后烈度計臺網(wǎng)的運維及遷址工作提供參考。