宋 澄，王余偉，張 勇，吳 彤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

基于加速度計的強震近場速度觀測配套儀器的研制

宋 澄，王余偉，張 勇，吳 彤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

目前我國測震臺網(wǎng)采用統(tǒng)一的2 000 Vs/m靈敏度，該靈敏度適用于觀測微小地震和中強地震。但對于區(qū)域內(nèi)發(fā)生的強震，臺站使用該靈敏度的反饋式地震計會出現(xiàn)限幅現(xiàn)象，這就影響了臺網(wǎng)在震級測定中的作用，且不利于地震波形的研究。本文在現(xiàn)有的“三分向力平衡式加速度計”產(chǎn)品基礎上給出可供臺站速度觀測使用的硬件設計和系統(tǒng)指標測試結(jié)果。設計通過一個生成主導二階極點并完成一次積分的電路轉(zhuǎn)接盒，將三分向力平衡式加速度計輸出的加速度波形變換為區(qū)域臺網(wǎng)使用的工作周期為60 s或120 s、工作阻尼為0.707的速度波形。利用本文介紹的轉(zhuǎn)接盒可以將現(xiàn)有的強震臺站產(chǎn)出不限幅的地動速度波形。

反饋式地震計；強震；加速度計；地動速度；主導二階極點；一次積分

目前，我國測震臺網(wǎng)普遍使用的反饋式地震計均為速度平坦型，采用統(tǒng)一的靈敏度——2 000 Vs/m。該靈敏度適合用于觀測微小地震和中強地震，因為這兩類地震的近場地動速度振幅大約覆蓋了六個量級的動態(tài)范圍(10-2～10-8m/s)。然而，當臺網(wǎng)布設區(qū)域發(fā)生7.0級以上強震時，極震區(qū)域附近的臺站會因為地動速度振幅超過了現(xiàn)有反饋地震計的動態(tài)范圍上限(0.01 m/s)而出現(xiàn)限幅現(xiàn)象。地震波形限幅首先影響的是這部分臺站在震級測定中的作用，其次是限制了深入分析研究利用完整的近場地震觀測波形的可能性。四川省2008年5月12日發(fā)生的汶川8.0級特大地震就造成全川絕大多數(shù)臺站觀測波形限幅，大大降低了近場觀測資料的可用性。2013年4月20日發(fā)生的蘆山7.0級強震也造成了距震中100 km以內(nèi)的臺站觀測波形限幅。無疑地震儀器的上述限幅現(xiàn)象對于使用近場觀測資料深入分析研究這類強震是莫大的損失。

另一方面，采用強震加速度觀測雖然可為分析研究提供完整的近場觀測地動加速度波形，但強震觀測地震數(shù)據(jù)采集器普遍使用了線性相位濾波[1]。因為該濾波器在震相突變前會引入干擾震相判讀的“前綴”波形，難于將其用在以震相判讀為主要用途的地震定位及其相關研究之中[2]。線性相位濾波在采用率設置較低時，初動“前綴”波比較明顯，容易誤導分析人員對初動到時的判讀[3]。此外，由于強震臺站的建設目的，大多數(shù)強震臺站多為震后快速評估震害和抗震救災服務，因此多數(shù)強震臺站多建設于土層或結(jié)構(gòu)內(nèi)，對地震觀測而言松軟層對震波的耗散作用將其用于科學研究并不理想。

因此，本項目的研究目標就是通過研制可供臺站觀測使用、能夠完整記錄強震近場地動速度波形的地震計配套儀器，在以四川省為代表的西部強震多發(fā)省份布設一定數(shù)量可完整記錄強震近場地動速度波形的地震觀測儀器，既是大震速報的需要，也是強震日常分析編目的需要，更是地震研究的需要。本項目的主要任務是研制一臺可供臺站觀測使用的地震計配套儀器，完成的科研樣機可直接用于臺站進行觀測，能夠完整記錄強震近場地動速度波形。其技術路線是通過在現(xiàn)有的“三分向力平衡式加速度計”產(chǎn)品基礎上，通過一個生成主導二階極點并完成一次積分的電路轉(zhuǎn)接盒，即：在反饋環(huán)外用RC有源電路生成周期為60 s或120 s(可供選擇的)、阻尼為0.707的主導二階極點和完成積分，將三分向力平衡式加速度計輸出的加速度波形變換為速度波形。

1 理論基礎研究

數(shù)字地震觀測系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)是其重要技術參量，主要是由地震計和地震數(shù)據(jù)采集器的傳遞函數(shù)構(gòu)成，而傳遞函數(shù)中部分重要極點——“主導二階極點”(表征地震計的工作周期和工作阻尼)由地震計中的模擬元器件和機械擺體共同生成[4]，其傳遞函數(shù)模型見圖1。圖中：S為復頻率；ωn為主導二階極點對應的角頻率；Dn為主導二階極點對應的阻尼；Sn為速度計的速度靈敏度；Ha(S)為加速度計的傳遞函數(shù)。

圖1 傳遞函數(shù)模型

根據(jù)傳遞函數(shù)模型，K定義為時變換函數(shù)的增益，我們可以得出：

(1)

由此得到加速度計與本研究配套轉(zhuǎn)換盒合成的速度傳遞函數(shù)Hv(S)為：

(2)

將式2與速度計的傳遞函數(shù)對比可得到加速度計與轉(zhuǎn)換盒組合的速度靈敏度Sn表達式：

Sn=2DnωnKHa(S)

(3)

加速度計的傳遞函數(shù)Hα(S)是一個低階次的低通函數(shù)，本課題使用的加速度計的幅頻特性在0～80Hz范圍內(nèi)保持平直。因此在速度地震觀測感興趣的120 S～40 Hz頻帶內(nèi)可以用零頻時的加速度靈敏度Ha(o)來取代上式中的傳遞函數(shù)Hα(S)，由此式3可以從函數(shù)計算式簡化為一個標量計算式。在給定所需的速度靈敏度Sn和主導二階極點對應的角頻率ωn和阻尼Dn，可求得放轉(zhuǎn)換盒在角頻率ωn下的電壓放大倍率K：

(4)

2 電路設計

要想通過現(xiàn)有的“三分向力平衡式加速度計”將加速度波形變換為速度波形，其主要是需要在反饋環(huán)外生成主導二階極點和完成一階積分，根據(jù)傳遞函數(shù)模型(5)我們得出反饋環(huán)外生成主導二階極點和一階積分電路，如圖2所示。

圖2 反饋環(huán)外生成主導二階極點和積分電路原理圖

圖3 超低頻振動臺測試框圖

圖中，運算放大器IC2與電阻R4、R5，電容C1、C2組成的二階帶通電路在生成主導二階極點的同時還完成了一次積分。該電路的傳遞函數(shù)為：

(5)

在S=jωn時，該二階帶通電路的幅頻特性達最大值，即：

(6)

(7)

(8)

為保證系統(tǒng)在臺站的通用性，供電電源采用的是12V輸入，通過DC-DC電源模塊輸出±30V給運算放大器供電，可以保證觀測強震近場地震的速度波形不會出現(xiàn)限幅，電路中用于生成二階主導極點的RC有源電路網(wǎng)絡，在設計時就考慮了工作周期為60 s和120 s兩種，即：如果工作周期為120 s，C1和C2將采用兩個電容并聯(lián)的方式。電路中的單刀雙擲開關，可分別對應輸出雙端20 Vs/m和200 Vs/m兩檔的速度靈敏度，能夠在使用時方便用戶選擇。

3 樣機的振動臺測試結(jié)果

3.1 靈敏度校準與測量

根據(jù)上述理論研究，通過實際設計制作完成的實驗樣機，在位于崇州的超低頻振動臺上進行指標測試，測試框圖見圖3所示，利用超低頻振動臺進行靈敏度的校準與測量。將超低頻振動臺振動頻率置于1 Hz，速度振級置0.1 m/s(和0.05 m/s)，數(shù)采置于±20 V(差分)狀態(tài)。將實驗樣機置于低靈敏度20 Vs/m檔(或高靈敏度200 Vs/m檔)，調(diào)整電阻R的數(shù)值使其輸出1Hz正弦波，通過計算得出輸出靈敏度，進而對其標稱靈敏度進行校準，校準后的靈敏度見表1。

表1 靈敏度測試結(jié)果

3.2 工作周期和工作阻尼測試結(jié)果

將加速度計置于相對安靜的臺址上，并與靈敏度校準后的試驗樣機和地震數(shù)據(jù)采集器連接好，地震數(shù)據(jù)采集器置于±20 V(差分)狀態(tài)，脈沖標定參數(shù)幅度設為 1 000 counts，脈沖寬度設為300 s間隔。同時在標定輸出端由電流輸出轉(zhuǎn)換電壓輸出，輸入給加速度計，通過數(shù)采發(fā)出的脈沖標定計算得出試驗樣機的工作周期和工作阻尼。工作周期和工作阻尼測試結(jié)果見表2和表3。

表2 工作周期測試結(jié)果

表3 工作阻尼測試結(jié)果

表4 正弦標定參數(shù)

3.3 幅頻特性

圖4 實驗樣機三通道幅頻特性響應曲線

4 討論

圖5 本方案最大可測振幅受限圖

可完整記錄強震近場地動速度波形的觀測儀器是通過在三分向力平衡加速度計外增加一個生成主導二階極點和完成一次積分的電路轉(zhuǎn)接盒，將加速度計輸出的加速度波形變換為速度波形，同時生成地震觀測所需的主導二階極點。該項目定位在國家臺網(wǎng)和區(qū)域臺網(wǎng)中使用，在設計時已充分考慮了靈敏度選擇(20 Vs/m和200 Vs/m兩檔)和工作周期(60 s和120 s兩檔)選擇的問題，可通過跳線或者并聯(lián)電容的方式，達到靈敏度和工作周期的選擇，通過與現(xiàn)有的 2 000 Vs/m的高靈敏度微震觀測并行使用，可產(chǎn)出供地震研究的地動速度波形，同時該電路轉(zhuǎn)接盒將加速度計的電壓標定轉(zhuǎn)換成速度記錄的電流標定，可反應地震計運行的異常狀態(tài)。做為專門用于觀測強震近場波形的速度平坦型地震計配套設備，能夠在不新建臺站觀測系統(tǒng)的前提下，僅需要在有加速度計觀測的臺站增加該電路轉(zhuǎn)接盒，就能夠以保證觀測強震近場地震的速度波形不會在傳感器環(huán)節(jié)限幅，產(chǎn)出不失真的地動速度波形，達到快速地震參數(shù)測定的目的。應當指出，用本研究給出的實現(xiàn)強震近場速度觀測方案雖然較直接用閉環(huán)反饋制作大量程速度計成本更低、制作也更容易，但可觀測的最小波形受所用加速度計自噪聲的限制，不易兼顧微震觀測的需要。另一方面，本方案由于采用反饋環(huán)外積分，受加速度計大振幅限幅的影響頻帶高端不能輸出滿振幅。在速度坐標系中，其高頻輸出振幅受限如圖5所示。圖5是以最大可測加速度為2g的加速度計為例繪制的。由圖可見：當最大可測速度為1 m/s時，頻率高于3.12 Hz就無法輸出滿振幅，而本研究觀測的對象是6級以上的強震和8級以上的巨大地震。這類地震震源位移譜的拐角頻率都很低(低于0.13 Hz)，其能量主要集中于長周期頻段，高頻端限幅對于完整地震觀測記錄這類地震波形幾乎沒有影響。

致謝：楊曉源先生自始至終對本研究進行了指導，在此表示感謝！

[1] 楊曉源.數(shù)字地震觀測中的線性和最小相位濾波[J].四川地震,2005(2):1-5.

[2] 邵玉平，韓進，楊曉源，王翠芳，宋澄.用于地震觀測的瞬態(tài)濾波器仿真研究[J].地震地磁觀測與研究,2009,30(3):90-93.

[3] 邵玉平，景晟，王翠芳，宋澄.用于地震觀測的瞬態(tài)濾波實驗數(shù)據(jù)分析[J].地震地磁觀測與研究,2010,31(4):45-50.

[4] 楊曉源，王翠芳，戴仕貴，邵玉平.地震觀測傳遞函數(shù)的精度問題[J].地震地磁觀測與研究,2010,31(6):32-39.

[5] 邵玉平，楊曉源，宋澄，王翠芳.瞬態(tài)濾波器設計及其在地方地震觀測中的應用研究[J].地震工程學報,2014,36(3):705-712.

[6] 饒文松，楊曉源.速度傳感反饋地震計的動態(tài)范圍上限[J].地震地磁觀測與研究,2007,28(5):63-70.

DevelopmentofNear-fieldSiteVelocityObservationMatchingInstrumentBasedonAccelerometer

SONG Cheng,WANG Yuwei,ZHANG Yong，WU Tong

(Sichuan Earthquake Agency,Sichuan Chengdu 610041,China)

At present,unified 2000 Vs/m sensitivity of seismometer in seismic network is widely used,but the sensitivity is suitable for observation of small earthquakes and moderate earthquakes.When the strong earthquakes occur in the region,the amplitude limiting phenomenon of the feedback seismometer with this sensitivity may occur.Then it will influence magnitude measurement,and make it difficult to study on seismic waveform.The hardware design for velocity observation based on the exisiting three component force-balanced accelerometer and the system test results are shown in the paper.Designing a circuit transfer box for generating dominant second order pole and completing one integral,it can convert the output waveform of three component force-balanced accelerometer to velocity waveform.It is same as output waveform of velocity seismometer with a working cycle of 60 s or 120 s,and a working damping of 0.707.By using the transfer box introduced in this paper,the existing strong motion stations can produce unlimited amplitude velocity waveforms.

feedback seismometer;strong earthquakes;accelerometer;ground motion speed;dominant second order pole;one integral

2017-10-09

中國地震局測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項資助項目(20140322)

宋澄(1981-)，男，工程師，四川省達州市人，主要從事誘發(fā)地震監(jiān)測和地震觀測研究工作。E-mail：26649565@qq.com.

P315.956

B

1001-8115(2017)04-0043-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.04.011