李程

(中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

目前地震科學(xué)探測臺陣作為高端精密電子儀器，逐步應(yīng)用于地震學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集工作。它是由大量的地震儀器組成，根據(jù)研究目的呈幾何狀布設(shè)在一定的范圍內(nèi)，采集有效的天然地震數(shù)據(jù)來構(gòu)建出震源尺度和橫切斷層尺度的高分辨率、強地震孕震構(gòu)造圖像。它拓展了地震記錄頻帶寬度地震記錄的動態(tài)范圍，同時記錄到微弱和強烈的地震信號，使得研究地震和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分辨率有了很大的提高。本文介紹的是地震科學(xué)探測臺陣當中應(yīng)用相對廣泛，由CMG-3T甚寬頻帶地震計作為核心傳感器構(gòu)建而成的流動觀測儀器系統(tǒng)。

1 甚寬頻帶流動觀測儀器系統(tǒng)的組成

甚寬頻帶流動觀測儀器系統(tǒng)是一種高精度、低消耗的三分向地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它的野外適用能力極強，主要應(yīng)用于天然地震數(shù)據(jù)的采集，也可應(yīng)用于大當量炸藥爆破的人工地震數(shù)據(jù)采集。它的構(gòu)成主要分為以下幾部分：基建部分(包括基坑、觀測桶與防盜圍欄)；地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(REFTEK公司的130系列數(shù)據(jù)采集器，Güralp公司的CMG-3T三分向甚寬頻帶地震計)；太陽能供電系統(tǒng)SGSS(太陽能電池板、UPS鉛酸蓄電池組、電源管理器)；無線傳輸和GPS全球定位系統(tǒng)以及PDA個人掌上操作系統(tǒng)。

2 甚寬頻帶流動觀測儀器系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

CMG-3T甚寬頻帶地震計采用標準 26針防水航空接口，保證安全高效的傳輸信號控制和電源管理。其核心裝置由三個密封在一個殼體里的傳感器組成，能夠同時測量垂直向、北/南向和東/西向的地動信號。頻率范圍0．003～50Hz，通過變間歇電容傳感器和先進的力平衡反饋電路，使寬頻響應(yīng)成為可能?？捎糜诖蠖鄶?shù)地震觀測，也能產(chǎn)生適合現(xiàn)代地震原理分析的真實脈沖記錄。與甚寬頻帶地震計配套構(gòu)建流動觀測儀器系統(tǒng)的Guralp130系列數(shù)據(jù)采集器是據(jù)有高分辨率、大動態(tài)(＞135dB)的地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采用了先進的24位Δ—∑模數(shù)轉(zhuǎn)化器，并集成了大容量存儲(配置2張8G容量CF存儲卡)、遠程控制和6通道(channel)數(shù)據(jù)采集等功能，采樣率1～1000sps/Channel。兩種設(shè)備皆可在-20 ～ 60℃范圍內(nèi)正常工作，工壓范圍12～24V，功耗較低(有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，功耗＞1．5W)，閉水與抗震性能優(yōu)異。野外環(huán)境中，在參數(shù)設(shè)置為采樣率100，壓縮格式steim1的情況下，可連續(xù)采集接收地震數(shù)據(jù)6個月。

3 甚寬頻帶流動觀測儀器系統(tǒng)的位置選擇

在野外工作中，我們通常將儀器架設(shè)的位置稱為臺站，要保障采集到真實有效的地震數(shù)據(jù)，就必須選擇最佳的臺站位置。環(huán)境背景噪聲，是野外環(huán)境中是最突出的信號干擾源，因而臺站位置的選擇，首先要注重選擇低噪聲背景位置，在此方面一般采用的選址標準如下。第一，遠離公路、鐵路和其他連續(xù)噪聲信號源3公里以上，避開高壓線路、變電站等電磁干擾。還應(yīng)考慮到安全問題，包括儀器看護、交通、野生動物啃食、設(shè)備老化等可能發(fā)生的情況，避開樹下、河道等地點，防止雷擊、水淹事件發(fā)生。第二，臺站位置初選后，必須進行1～2小時的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，所得數(shù)據(jù)經(jīng)過Matlab軟件中地震計自噪聲計算程序處理后，得到的臺站平均噪聲水平值，要達到在1s～20Hz頻帶范圍內(nèi)低于-127dB的標準，方可確定臺站位置。

4 甚寬頻帶流動觀測儀器系統(tǒng)的架設(shè)

甚寬頻帶流動觀測儀器系統(tǒng)在實際應(yīng)用當中，多為大批量、多臺次呈陣列狀架設(shè)，為保證所有系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的真實有效性，在架設(shè)過程有著嚴格的標準和要求，如圖1所示，對其進行詳細描述。

圖1

圖2

觀測桶：是整個甚寬頻帶流動觀測儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)建筑，由6片筒壁與單片桶蓋組裝完成，安放在事先挖好的基坑內(nèi)，形成一個內(nèi)壁直徑100cm高230cm的圓柱體密閉環(huán)境，用以外部環(huán)境因素對觀測儀器的干擾侵蝕。其地下部分為保障與大地的完全耦合，必須澆筑混凝土形成堅實地面，減少信號在傳遞過程中的衰減。觀測桶內(nèi)部由支架和隔板分隔成3～4層結(jié)構(gòu)，分別安裝GPS和通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及太陽能供電系統(tǒng)的部分設(shè)備，避免不同設(shè)備間的電磁干擾。

太陽能供電系統(tǒng)：為保持全年光照充分，通常采用朝南向水平45°夾角來安裝固定式太陽能電池板。并通過電源管理器連接并聯(lián)狀態(tài)下的12V蓄電池組，以支持甚寬頻帶流動儀器觀測系統(tǒng)持續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)采集工作。不建議采取市電接入的方式解決供電問題，避免不可控條件下斷電造成的工作中斷和設(shè)備損壞。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：CMG-3T甚寬頻帶地震計與130系列數(shù)據(jù)采集器在架設(shè)過程中應(yīng)分離的安放互不影響，方便后期的數(shù)據(jù)回收工作。其中地震計必須朝向正北架設(shè)在觀測桶底部混凝土地面上，通過調(diào)節(jié)底角螺栓到水平方位后，使用擺線連接置數(shù)據(jù)采集器；由于兩種設(shè)備屬于高精密儀器，需要加裝特質(zhì)的保溫海綿箱體，最大程度的減少溫度濕度噪音等外部環(huán)境對其造成的影響。

GPS與無線傳輸系統(tǒng)；作為輔助系統(tǒng)理論上應(yīng)安裝在觀測桶內(nèi)部，但實際操作中為提高坐標精度和保障數(shù)據(jù)監(jiān)控的時效性，通常通過加裝PT06A10接頭的電纜延長線在觀測桶外部安裝，為數(shù)據(jù)采集器提供精準的時間和空間位置信息。

5 甚寬頻帶流動觀測儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

主要是使用PDA上的程序REF TEK iFSC，通過對130系列數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)部參數(shù)設(shè)定，達到數(shù)據(jù)采集器和地震計的同步運行來完成，這里主要涉及兩方面，分別是參數(shù)設(shè)定與狀態(tài)設(shè)定。

參數(shù)設(shè)定：參數(shù)設(shè)定可比喻整個系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，其內(nèi)容的設(shè)定決定了數(shù)據(jù)采集的標準性、有效性，同時決定了儀器設(shè)備的工作及修正模式。主要包含以下幾方面的參數(shù)。

StationParameters(臺站信息)：填寫臺站名稱、標號等信息。

ChannelParameters(通道參數(shù))：包括Name(通道名稱)、SensorType(傳感器類型)、SensorModel(傳感器型號 )、SensorSerial No(傳感器序列號 ) 、Gain(增益 )；方位角等，通過設(shè)置保證數(shù)據(jù)采集器和地震計的結(jié)構(gòu)參數(shù)的同步性，達到同步運行，精準采樣的目的。

SteamParameters(數(shù) 據(jù) 流 參 數(shù))： 包 括RecordLength(記錄長度,默認3600S)、SampleRata(采樣率)、DataFormat(數(shù)據(jù)格式)、Trigger Type(觸發(fā)類型 )、 Disk(存儲位置 )、Enet(網(wǎng)絡(luò) )、Channels(通道選擇)等，用以規(guī)范所采集數(shù)據(jù)內(nèi)容的標準性及存儲的統(tǒng)一性。

SensorCalibrationSignal(傳感器標準信號/標定信號參數(shù))：其中可已選擇性使用STEP、SINE、SweepBB等9種格式信號，并同時設(shè)置標定信號的Amplitude(幅度)、Frequency(頻率)等參數(shù)，通過統(tǒng)一發(fā)送后，檢驗儀器設(shè)備的工作狀態(tài)和一致性。

SensorCalibrationSchedule(標定信號定時參數(shù))：包括Starts(起始時間)、Repeat lnterval(重復(fù)間隔)、Number of Calibrations(標定數(shù)量 )、Recordlength(記錄長度)。

SensorAutoReCenter(地震計修正參數(shù))：通過Cyclelnterval(修正周期)的設(shè)定，完成地震計內(nèi)部擺錘的定時居中修正，保持地震計正常精準的工作狀態(tài)。

狀態(tài)設(shè)定：主要是針對的是130系列數(shù)據(jù)采集器而言，通過設(shè)定來完成GPS、無線傳輸?shù)容o助設(shè)備的運行問題，以及數(shù)據(jù)采集器的啟動工作。其常用的設(shè)定內(nèi)容主要包含以下3個方面。

States(狀態(tài)控制)：在選項中，可以查看Time(數(shù)采內(nèi)置時鐘)、Acquisition(工作狀態(tài))、Disk(存儲卡)、Power(工作電壓)、GPS等信息，通過參數(shù)設(shè)定獲取時間和空間的準確信息，控制數(shù)采的開啟工作。

Sensor＆AuxiliaryControl(傳感器與輔助控制)：用以控制和監(jiān)視地震計的開解鎖和工作情況，還可通過RealTimeMonitor(實時監(jiān)控)選項來直觀的查看當前的實時波形，及時發(fā)現(xiàn)和解決地震計出現(xiàn)的各種問題。

NetConfig(網(wǎng)絡(luò)控制)：這一選項的操控主要在甚寬頻帶流動儀器觀測系統(tǒng)加裝無線傳輸系統(tǒng)后使用，設(shè)置后，可通過手機或電腦，遠程監(jiān)控整個觀測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，起到有效的監(jiān)管作用。

[1]錢榮毅．REFTEK寬頻地震觀測儀器系統(tǒng)和野外數(shù)據(jù)采集[J]．物探裝備 ,2004．3．

[2]邱勇．“中國地震科學(xué)臺陣探測——華北地區(qū)中部”專項實施任務(wù)書 2016．1