趙 倩，安祥宇，冀林旺，張 琪

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2. 錦州地震臺(tái)，遼寧 錦州 121000）

朝陽(yáng)臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀與SQ70石英水平擺傾斜儀數(shù)據(jù)對(duì)比分析

趙 倩1，安祥宇1，冀林旺2，張 琪1

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2. 錦州地震臺(tái)，遼寧 錦州 121000）

運(yùn)用頻譜分析、互相關(guān)分析及觀測(cè)精度等方法，對(duì)朝陽(yáng)地震臺(tái)石英水平擺傾斜儀與VP寬頻帶傾斜儀 2014年1月至8月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)分析得出，VP記錄的頻率成份較石英水平擺多且復(fù)雜，其記錄的信息要多于后者，VP垂直擺觀測(cè)精度總體上優(yōu)于模擬觀測(cè)，可以替代石英水平擺。

VP垂直擺；石英水平擺；頻譜；精度

0 引言

地傾斜觀測(cè)地平面與水平面之間的夾角（地平面法線與鉛垂線間的夾角）及其隨時(shí)間變化，它是研究大地測(cè)量學(xué)和固體地球物理學(xué)不可缺少的觀測(cè)手段。地傾斜觀測(cè)結(jié)果不僅用于研究地傾斜變化與地震的關(guān)系，也為大地測(cè)量學(xué)、精密工程測(cè)量、地球固體潮汐、地球動(dòng)力學(xué)等工程和研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)［1］。2012年11月朝陽(yáng)地震臺(tái)將原石英水平擺（SQ70）模擬觀測(cè)更新改造為VP型寬頻帶傾斜儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VP垂直擺）數(shù)字化觀測(cè)，截止2014年8月，已經(jīng)工作近兩年時(shí)，目前儀器運(yùn)行穩(wěn)定。由數(shù)字化VP垂直擺替代模擬石英水平擺，是兩種不同的地傾斜觀測(cè)和兩種不同的數(shù)據(jù)采樣模式，替代后觀測(cè)性能和觀測(cè)模式存在怎樣的差異，及其替代后能否有效提升觀測(cè)效率，都需要定量的分析和研究。本文利用頻譜分析方法定量分析兩套觀測(cè)儀器的頻譜特征差異和一致性特征，利用互相關(guān)分析方法和觀測(cè)精度對(duì)比分析兩套儀器的的觀測(cè)效能差異和一致性特征，為今后不同類(lèi)別和不同數(shù)據(jù)采樣地傾斜觀測(cè)儀器更換提供科學(xué)參考?？紤]到儀器工作穩(wěn)定程度與臺(tái)站人員熟悉儀器的過(guò)程，本文資料選取時(shí)間段為2014年1月至8月。

1 臺(tái)站簡(jiǎn)介

朝陽(yáng)臺(tái)為國(guó)家級(jí)地震臺(tái)，位于遼寧省朝陽(yáng)市雙塔區(qū)孟克鄉(xiāng)八寶村。臺(tái)址東依遼西丘陵北部松嶺山系的麒麟山（海撥432m），西邊有大凌河與市區(qū)相隔，位于朝陽(yáng)盆地東緣的山麓下，南北是沖積扇平坦耕地。山洞巖石結(jié)構(gòu)致密，基巖完整，屬霧迷山組灰?guī)r，層理發(fā)育，層厚10m-30m，傾向方位角為171o，傾角小于21o。洞深56m，封閉較好，年溫差0.3℃，日溫差小于0.1℃。全年濕度小于80%，覆蓋厚度為25～30m，無(wú)植被。臺(tái)站周邊無(wú)明顯干擾源，符合觀測(cè)條件與要求。VP垂直擺與石英水平擺，基本處于同一緯度，經(jīng)度相差約3度左右（圖1）。

圖1 朝陽(yáng)地震臺(tái)空間分布圖Fig.1 Space distribution of Chaoyang station

2 頻譜特征分析

固體地球潮汐是由于日、月和近地行星對(duì)地球的引力變化而導(dǎo)致的地球內(nèi)部和表面的周期性形變（簡(jiǎn)稱(chēng)為固體潮），伴隨著地球的周期性變形，地球表面的傾斜觀測(cè)量將出現(xiàn)相應(yīng)的周期性微小潮汐變化（稱(chēng)為傾斜固體潮），可以被傾斜儀觀測(cè)到［2］。由潮汐力導(dǎo)致的潮汐，其波長(zhǎng)和振幅隨地球離黃道面的遠(yuǎn)近不同而變化，隨著距離增加，波長(zhǎng)與振幅逐漸減小，但同一環(huán)線上振幅各點(diǎn)一致，周期約12h。石英水平擺與VP垂直擺都屬于地傾斜觀測(cè)儀器，其儀器工作原理存在差異，但均能清晰的記錄到潮汐波。

本文采用傅立葉變換對(duì)兩套儀器觀測(cè)的固體潮汐波數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，分析其頻譜特征差異和一致性特征?？焖俑盗⑷~變換（FFT）的原理［3］如下：

通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）可以計(jì)算出信號(hào)x（t）的連續(xù)頻譜，本文使用Matlab編程并對(duì)兩套地傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜特征分析。

2.1 石英水平擺頻譜特征分析

朝陽(yáng)臺(tái)石英水平擺測(cè)EW分量與NS分量2014年1月1日至8月31日的原始曲線與譜分析曲線（圖2、圖3，采樣率為小時(shí)），頻譜分析結(jié)果顯示，兩個(gè)分量均有四個(gè)較為顯著的頻率（表1，顯著程度用數(shù)值來(lái)表示，數(shù)值越小越顯著，1為最顯著的頻率成份），低頻成分相對(duì)不突出，且相近頻率成份較多，即月波周期附近的頻率成份不是很突出，主要以半日波與日波為主，這正是符合潮汐觀測(cè)要求的。EW分量與NS分量頻譜特征差異性主要體現(xiàn)在兩者的低頻成分差異，但差異較小。

圖2 朝陽(yáng)臺(tái)石英水平擺（測(cè)點(diǎn)4）EW分量2014年1－8月原始曲線與譜分析圖Fig.2 The E-W original curve and spectral analysis from Jan-Agu，2014 recorded by Quartz horizontal pendulum in Chaoyang station

圖3 朝陽(yáng)臺(tái)石英水平擺（測(cè)點(diǎn)4）NS分量2014年1－8月原始曲線與譜分析圖Fig.3 The N-S original curve and spectral analysis from Jan-Agu，2014 recorded by Quartz horizontal pendulum in Chaoyang station

表1 朝陽(yáng)石英水平擺2014年1—8月數(shù)據(jù)頻譜分析

2.2 VP垂直擺頻譜特征分析

VP垂直擺數(shù)據(jù)采樣率為秒，數(shù)據(jù)量較大，且為了與石英水平擺進(jìn)行對(duì)比分析，本文選取秒數(shù)據(jù)頻譜分析時(shí)長(zhǎng)為半月，小時(shí)值數(shù)據(jù)為1－8月。

朝陽(yáng)臺(tái)VP垂直擺（測(cè)點(diǎn)8）EW分量與NS分量2014年1月1日至15日頻譜分析結(jié)果（圖4、圖6）顯示，頻率成份因采樣率提高而復(fù)雜了許多。將頻譜曲線放大后得到頻率基本接近且不顯著的眾頻率成分（圖5、圖7），其可能為因數(shù)據(jù)采樣率的提高而記錄到噪聲信號(hào)。將EW與NS分量的顯著頻譜進(jìn)行對(duì)比分析（表2），兩個(gè)分量主頻率為半日波（周期為0.52日）與日波（周期為1.00日），但EW分量日波較NS分量不太顯著。同時(shí)兩分量也存在5日波。

圖4 朝陽(yáng)臺(tái)VP垂直擺東西向2014年1月1-15日的原始曲線與頻譜曲線圖Fig.4 Data original curve and spectral analysis from Jan.1-15 recorded by VP Vertical pendulum in Chaoyang station

圖5 朝陽(yáng)臺(tái)VP垂直擺東西向2014年1月1-15日的頻譜曲線局部放大后曲線圖Fig.5 The E-W local magnified curve from Jan.1-15 recorded by VP Vertical pendulum in Chaoyang station

圖6 朝陽(yáng)臺(tái)VP垂直擺北南向2014年1月1-15日的原始曲線與頻譜曲線圖Fig.6 The N-S original curve and spectral curve from Jan.1-15 recorded by VP Vertical pendulum in Chaoyang station

圖7 朝陽(yáng)臺(tái)VP垂直擺北南向2014年1月1-15日的頻譜曲線局部放大后曲線圖Fig.7 The N-S local magnified curve from Jan.1-15 recorded by VP Vertical pendulum in Chaoyang station

2.3 頻譜特征分析小結(jié)

通過(guò)對(duì)朝陽(yáng)地震臺(tái)石英水平擺與VP型垂直擺的頻譜分析，結(jié)果顯示兩套儀器均能記錄到清晰的固體潮汐，且頻率成份符合固體潮汐理論中12h的周期為主頻率。同時(shí)VP記錄的頻率成份較石英水平擺多且復(fù)雜，表明其記錄的信息要多于后者，從其記錄的頻率成份看VP可以替代石英水平擺，其數(shù)字化觀測(cè)在信息記錄上優(yōu)于模擬觀測(cè)。

3 互相關(guān)分析

互相關(guān)表示的是兩個(gè)時(shí)間序列之間和同一個(gè)時(shí)間序列在任意兩個(gè)不同時(shí)刻的取值之間的相關(guān)程度，即互相關(guān)函數(shù)是描述隨機(jī)信號(hào)x（t），y（t）在任意兩個(gè)不同時(shí)刻t1，t2的取值之間的相關(guān)程度。本文對(duì)朝陽(yáng)地震臺(tái)石英擺和VP垂直擺EW和NS分量分別進(jìn)行互相關(guān)分析，其計(jì)算公式見(jiàn)公式（2）：

互相關(guān)分析結(jié)果（表2）顯示，兩套儀器的EW分量為正相關(guān)且相關(guān)度較高，NS分量相關(guān)度較低，且5-7月出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)變化，從互相關(guān)的含義及觀測(cè)值的物理意義分析，當(dāng)其傾向一致時(shí)為正相關(guān)，傾向不一致時(shí)為負(fù)相關(guān)，此時(shí)會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)：同一個(gè)臺(tái)站兩套傾斜儀為什么傾向會(huì)不一致？該問(wèn)題留待以后分析研究。

表2 朝陽(yáng)臺(tái)石英水平擺與VP垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)表

4 石英水平擺與VP垂直擺的精度及噪聲水平分析

由于儀器因素和觀測(cè)環(huán)境中常常存在各種干擾因素，使得觀測(cè)中不可避免地產(chǎn)生一些誤差，這種實(shí)際觀測(cè)的準(zhǔn)確度就稱(chēng)為觀測(cè)精度。觀測(cè)精度評(píng)價(jià)儀器記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)。本文利用數(shù)據(jù)預(yù)處理專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)石英水平擺與VP型垂直擺進(jìn)行了觀測(cè)精度和噪聲水平分析（表3-6）。

表3 朝陽(yáng)臺(tái)石英水平擺NS向精度計(jì)算表

表4 朝陽(yáng)臺(tái)石英水平擺EW向精度計(jì)算表

表5 朝陽(yáng)臺(tái)VP垂直擺NS向精度計(jì)算表

表6 朝陽(yáng)臺(tái)VP垂直擺EW向精度計(jì)算表

表7 朝陽(yáng)臺(tái)石英水平擺與VP垂直擺精度評(píng)價(jià)表

精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，EW分量潮汐因子誤差整體優(yōu)于NS分量。兩套儀器的內(nèi)精度評(píng)價(jià)結(jié)果（表7）顯示，石英水平擺達(dá)優(yōu)的月份比例為93.75%，VP垂直擺達(dá)優(yōu)的月份比例為56.25%，VP垂直擺觀測(cè)精度遠(yuǎn)低于石英水平擺。VP垂直擺觀測(cè)精度不高可能是由于數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)處理與模擬觀測(cè)存在差異，以及數(shù)字化觀測(cè)系統(tǒng)較模擬觀測(cè)復(fù)雜導(dǎo)致故障率遠(yuǎn)高于模擬觀測(cè)。本文中數(shù)據(jù)截取的時(shí)間段為2014年1-8月數(shù)據(jù)，由于儀器還處于試運(yùn)行期間，儀器運(yùn)行的不穩(wěn)定也會(huì)造成觀測(cè)精度較低，VP垂直擺為秒采樣儀器，對(duì)比模擬觀測(cè)會(huì)存在一定精度問(wèn)題，但從總體看來(lái)， VP垂直擺觀測(cè)精度總體上優(yōu)于模擬觀測(cè)，可以替代石英水平擺。

5 討論與結(jié)論

由數(shù)字化VP垂直擺替代模擬石英水平擺后觀測(cè)性能和觀測(cè)模式雖存在差異，但通過(guò)頻譜、互相關(guān)定量分析和精度評(píng)價(jià)等顯示兩套觀測(cè)儀器觀測(cè)也存在一致性的特征。

一致性方面，石英水平擺與VP垂直擺均能清晰地記錄到固體潮汐；頻率成份分析結(jié)果顯示，兩套儀器均能觀測(cè)到半日波與日波；互相關(guān)分析結(jié)果顯示，在排除傾向變化影響情況下兩套儀器相同分量具有高度相關(guān)性；精度分析結(jié)果顯示，在儀器正常運(yùn)行、數(shù)據(jù)處理符合規(guī)范的條件下兩套儀器的觀測(cè)精度均能滿(mǎn)足觀測(cè)精度要求。

差異性方面，由于數(shù)字化儀器從數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)榷紝?shí)現(xiàn)了數(shù)字模式與自動(dòng)模式，增加不少的電路，較模擬模式環(huán)節(jié)多且復(fù)雜，在提高觀測(cè)效率的同時(shí)也大大增加了故障的幾率，在安全運(yùn)行上劣于模擬儀器，這些方面可以通過(guò)加強(qiáng)安全保障、及時(shí)維修加以改善；VP垂直擺的數(shù)據(jù)采樣達(dá)到了秒，雖然模擬觀測(cè)是實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)，但數(shù)據(jù)的高采樣使用十分困難與不便，因此VP在這方面要優(yōu)于石英水平擺；高采樣的VP垂直擺其頻率成份也較石英水平擺豐富，可以深入分析，為預(yù)報(bào)或者其它應(yīng)用服務(wù)。

綜合分析認(rèn)為，VP垂直擺總體上優(yōu)于模擬觀測(cè)光記錄的石英水平擺，可以替代石英水平擺；頻譜分析、互相關(guān)分析等定量分析方法能夠?yàn)閮x器升級(jí)改造提供重要的參考支持。

［1］ 國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司.地形變觀測(cè)技術(shù)［M］. 北京：地震出版社，1995.

［2］ 許厚澤.固體地球潮汐［M］. 湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［3］ 萬(wàn)永革.MATLAB數(shù)字信號(hào)處理實(shí)例教程［M］. 科學(xué)出版社，2012.

DATA COMPARING ANALYSIS OF VP BROADBAND CLINOMETER AND SQ70 QUATRZ HORIZONTAL PENDULUM TILTMETER AT CHAOYANG STATION

ZHAO Qian1， AN Xiang-yu1，Ji Lin-wang2，ZHANG Qi1

（1. Earthquake Administration of liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China；2.Jinzhou Seismic Station，Liaoning Jinzou 12100，China）

We analyze data produced by VP Broadband clinometer and SQ Quartz horizontal pendulum clinometer in ChaoYang station from January to August，using Spectral analysis method、correlation analysis and Observation accuracy，and knew that frequency component recorded by VP is much more than Quartz horizontal pendulum clinometer and more complexity.This result show that the information recorded by VP is more than Quartz horizontal pendulum clinometer.VP Vertical pendulum is better than analogue observational Optical recording data，and may replace Quartz horizontal pendulum.

VP vertical pendulum；Quartz horizontal pendulum； spectral analysis；accuracy

P315.72

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.008

1674-8565（2016）03-0041-06

2016-01-06

2016-02-28

趙倩（1988-），女，吉林省吉安縣人，2011年畢業(yè)于大連交通大學(xué)，信息管理與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震前兆工作。