張苗苗

中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077

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超導(dǎo)重力儀臺(tái)站背景噪聲水平評(píng)估及信號(hào)提取

張苗苗

中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077

超導(dǎo)重力儀臺(tái)站的背景噪聲水平是評(píng)價(jià)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境優(yōu)良水平的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，可以為臺(tái)站選址、儀器校正以及觀測(cè)數(shù)據(jù)用于地球動(dòng)力學(xué)研究的潛力評(píng)估提供必要的前提和依據(jù)。另一方面，超導(dǎo)重力儀可以探測(cè)到許多微弱的地球動(dòng)力學(xué)信號(hào)，有些信號(hào)甚至“藏”于背景噪聲中，對(duì)這些信號(hào)的檢測(cè)和研究有助于了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各種地球動(dòng)力學(xué)過程。本文詳細(xì)研究了超導(dǎo)重力儀臺(tái)站背景噪聲水平的評(píng)估方法，基于該方法評(píng)估了中國(guó)大陸的2個(gè)超導(dǎo)重力儀臺(tái)站在不同頻段的背景噪聲水平，并進(jìn)一步將這一方法擴(kuò)展到一般連續(xù)相對(duì)重力儀臺(tái)站，評(píng)估了中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)中29個(gè)連續(xù)gPhone彈簧重力儀臺(tái)站的背景噪聲水平；另外，本文研究了集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(ensemble empirical mode decomposition，EEMD)，并基于該方法提取和研究了地球背景自由振蕩和重力極潮。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：

(1) 詳細(xì)闡述了超導(dǎo)重力儀臺(tái)站在地震、亞地震和潮汐3個(gè)頻段背景噪聲水平的評(píng)估方法。對(duì)于地震頻段(周期約1 min～1 h)，其背景噪聲水平由最平靜期功率譜和類似于“震級(jí)”的地震噪聲等級(jí)(Seismic Noise Magnitude，SNM)決定。對(duì)于亞地震頻段(周期約1 h～6 h)，其背景噪聲水平評(píng)估方法與地震頻段評(píng)估方法大體相同，也引入了類似于SNM的亞地震噪聲等級(jí)(sub-seismic noise magnitude，SSNM)。對(duì)于潮汐頻段(周期>6 h)，通過Eterna軟件對(duì)預(yù)處理后的重力潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，獲得超導(dǎo)重力儀臺(tái)站的平均噪聲水平和不同潮汐頻段的噪聲水平。

(2) 基于超導(dǎo)重力儀臺(tái)站在地震、亞地震和潮汐3個(gè)頻段背景噪聲水平的評(píng)估方法，首次對(duì)武漢臺(tái)(iGrav-007和OSG -065)、拉薩臺(tái)(OSG -057)及陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)中29個(gè)連續(xù)gPhone彈簧重力儀臺(tái)站的背景噪聲水平進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明：武漢、拉薩臺(tái)均是低背景噪聲臺(tái)站，其中武漢臺(tái)在地震和亞地震頻段iGrav-007的噪聲水平均比OSG-065高，在潮汐頻段iGrav-007的噪聲水平比OSG-065低，拉薩臺(tái)可探測(cè)到微弱的地球背景自由振蕩信號(hào)；陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)中大部分連續(xù)重力臺(tái)站是低背景噪聲的，而由于受海洋、活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，沿海和青藏高原東部的臺(tái)站噪聲水平較高，同時(shí)相比于洞體型臺(tái)站，大多數(shù)地下室型臺(tái)站的噪聲水平較高。另外，本文給出了29個(gè)連續(xù)gPhone彈簧重力儀臺(tái)站的噪聲水平以及功率譜的下包絡(luò)線，該包絡(luò)線代表了gPhone彈簧重力儀在中國(guó)大陸最好的觀測(cè)噪聲水平。

(3) 相比于傅里葉分析需要選擇截止頻率、小波分析需要選擇基小波函數(shù)，EEMD信號(hào)處理方法具有局部、自適應(yīng)的優(yōu)良特性。鑒于此，本文首次基于EEMD從超導(dǎo)重力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取出了地球背景自由振蕩信號(hào)，并結(jié)合積譜分析方法對(duì)該信號(hào)在時(shí)頻域內(nèi)進(jìn)行了分析；另一方面，基于EEMD從超導(dǎo)重力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取出了重力極潮信號(hào)，并利用最小二乘匹配法分離了極潮中的周年項(xiàng)和Chandler項(xiàng)，進(jìn)而獲得了Chandler周期的極潮潮汐因子。結(jié)果表明：該方法能有效消除自由振蕩頻段以外的其他信號(hào)，顯著提高地球背景自由振蕩信號(hào)在時(shí)頻譜中的分辨率；另外，用該方法得到的極潮潮汐因子與前人基于其他消除儀器漂移方法得到的結(jié)果大體上相符合，精度相當(dāng)甚至更高，由于這種“濾波”方法是自適應(yīng)的，因此本文結(jié)果更能反映實(shí)際物理過程。

Author： ZHANG Miaomiao(1986—)，female，received her doctoral degree from Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences on December 2016，majors in estimation of the background noise at SG stations.

E-mail： zhangmm@whigg.ac.cn

Estimation of the Background Noise Levels and Extraction of Signals at SG Stations

ZHANG Miaomiao

State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics, Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China

張苗苗.超導(dǎo)重力儀臺(tái)站背景噪聲水平評(píng)估及信號(hào)提取[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(4)：535.

10.11947/j.AGCS.2017.20160642. ZHANG Miaomiao.Estimation of the Background Noise Levels and Extraction of Signals at SG Stations[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(4):535. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160642.

P228

D

1001-1595(2017)04-0535-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(2014CB845902；41474062；41574072；41374084；41621091；41674083)

2016-12-22

張苗苗(1986—)，女，2016年12月畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所，獲理學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：徐建橋研究員)，研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)重力儀臺(tái)站背景噪聲評(píng)估。