王 鑫，張皓明，安 全

（內(nèi)蒙古地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

0　引言

內(nèi)蒙古地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程是國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程的子項(xiàng)目，地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程基本站的建設(shè)思路是連續(xù)觀測(cè)地面運(yùn)動(dòng)加速度，實(shí)時(shí)傳輸觀測(cè)波形，用于地震烈度速報(bào)，并可用于地震預(yù)警的地震臺(tái)站。基本站僅配備加速度地震計(jì)，將其布設(shè)在人口聚集區(qū)內(nèi)環(huán)境噪聲相對(duì)較低的地表場(chǎng)地，其觀測(cè)數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地確定臺(tái)站所在位置的地震儀器烈度以及強(qiáng)震的基本參數(shù)，因此其作為地震烈度速報(bào)骨干臺(tái)站、地震預(yù)警輔助臺(tái)站。基本站臺(tái)站選址后，應(yīng)進(jìn)行臺(tái)基背景噪聲測(cè)試。測(cè)試儀器應(yīng)采用能直接獲取場(chǎng)地脈動(dòng)加速度量的儀器，儀器頻帶寬度范圍宜不小于0～80 Hz，記錄場(chǎng)地脈動(dòng)加速度時(shí)間過(guò)程[1]。本文研究在基本站勘選階段進(jìn)行臺(tái)基背景噪聲測(cè)試得到的地脈動(dòng)噪聲功率譜及特征參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行綜合分析，對(duì)后續(xù)的基本站建設(shè)和提高觀測(cè)質(zhì)量都具有實(shí)際意義。

1　觀測(cè)資料選取

場(chǎng)地干擾背景的噪聲大小直接關(guān)系到基本站記錄地震波形的能力，背景噪聲的大小需要噪聲記錄來(lái)計(jì)算衡量，結(jié)合地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程基本站勘選儀器測(cè)試工作，選取內(nèi)蒙古區(qū)域的10個(gè)基本站加速度強(qiáng)震計(jì)記錄數(shù)據(jù)，每個(gè)勘選點(diǎn)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)不少于24小時(shí)，為真實(shí)反映臺(tái)基噪聲水平，每個(gè)勘選點(diǎn)選取的連續(xù)記錄數(shù)據(jù)包含白天和夜間時(shí)段，數(shù)據(jù)一般選取無(wú)地震或其他干擾的時(shí)段，或?qū)⒃肼晿颖緮?shù)據(jù)的時(shí)間延后至正常地脈動(dòng)水平的部分開(kāi)始正式記錄。10個(gè)基本站的數(shù)據(jù)選取在2016年3月17日至2016年4月5日的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，圖1為測(cè)試點(diǎn)分布圖。

圖1　測(cè)試基本站分布圖Fig.1　 Distribution of test basic stations

2　測(cè)試儀器

3　計(jì)算方法

3.1　直流偏移去除

在數(shù)字地震記錄中往往會(huì)出現(xiàn)直流偏移，這個(gè)信號(hào)不表示真實(shí)的地面運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中必須消除這一直流分量[3]。對(duì)選取的整個(gè)記錄取平均值作為直流偏移量，然后對(duì)每個(gè)點(diǎn)減去平均值作為該點(diǎn)記錄值，這一過(guò)程就是直流偏移去除過(guò)程，表達(dá)式為：

式中，f1為每個(gè)采樣點(diǎn)的count值，N為記錄長(zhǎng)度的總采樣數(shù)。

3.2　扣除儀器響應(yīng)

需要將以數(shù)字表示的采樣幅值使用地震計(jì)靈敏度值和數(shù)據(jù)采集器的轉(zhuǎn)化因子組成的觀測(cè)系統(tǒng)靈敏度轉(zhuǎn)換為地動(dòng)加速度值，為獲得地動(dòng)噪聲的絕對(duì)量值，需要扣除掉儀器的影響，觀測(cè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)一般表達(dá)式為：

式中，Sd為系統(tǒng)靈敏度，A0為歸一化常數(shù)，Ck和Dk分別代表傳遞函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)。

3.3　計(jì)算臺(tái)基噪聲功率譜

以時(shí)間函數(shù)f（t）為處理后的噪聲記錄信號(hào)，進(jìn)行快速傅立葉變換，取其頻域結(jié)果絕對(duì)值的平方得到噪聲功率譜：

3.4　計(jì)算臺(tái)基噪聲有效值

臺(tái)基噪聲有效值即均方根振幅值RMS，即N個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的平方和除以N后開(kāi)平方的結(jié)果，在一定程度表征臺(tái)基噪聲水平，由功率譜密度PSD可計(jì)算噪聲有效值RMS：

式中，fc為分度倍頻程中心頻率，RBW為中心頻率[5]。

為了一條內(nèi)褲，老陳兩次爬上四樓，我覺(jué)得老陳真是一個(gè)很有意思的老頭。只是我沒(méi)心情揶揄老陳。見(jiàn)我無(wú)精打采，老陳說(shuō)，你臉色真的很難看，比上次我見(jiàn)你時(shí)還難看。我說(shuō)，沒(méi)有啊，我感覺(jué)很好的，能吃能睡，哪會(huì)有問(wèn)題。

4　計(jì)算結(jié)果

基本站勘選場(chǎng)地脈動(dòng)測(cè)試結(jié)束后，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析，剔除偶發(fā)性干擾后對(duì)有效記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。本文在1～20Hz觀測(cè)頻帶范圍內(nèi)計(jì)算功率譜密度及RMS值，通常干擾背景與時(shí)間有關(guān)，白天的干擾背景噪聲大一些，夜間要相對(duì)平靜一些，當(dāng)然勘選測(cè)試點(diǎn)一定要避開(kāi)已知的可能影響觀測(cè)的振動(dòng)源，如大型的馬達(dá)、泵站、發(fā)電機(jī)、塔柱狀結(jié)構(gòu)、重型車輛通路、大型管道等設(shè)施。對(duì)場(chǎng)地脈動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，評(píng)估臺(tái)點(diǎn)場(chǎng)地的背景振動(dòng)噪聲水平。資料處理時(shí)，將全天24小時(shí)連續(xù)觀測(cè)記錄分為24個(gè)時(shí)段，計(jì)算每個(gè)時(shí)段內(nèi)1～20Hz頻段內(nèi)的均方根值，測(cè)試場(chǎng)地的最大背景振動(dòng)加速度噪聲均方根值應(yīng)不大于0.01m/s2，則認(rèn)為場(chǎng)地滿足噪聲要求[1]。當(dāng)采用加速度表示振動(dòng)噪聲時(shí)，其功率譜密度的單位為m2s-4/Hz，圖2為10個(gè)勘選測(cè)試點(diǎn)的計(jì)算得到的噪聲功率譜以及24小時(shí)功率譜密度加速度aRMS有效值（平均）時(shí)間分布柱狀圖。

圖2　各測(cè)試點(diǎn)噪聲功率譜與aRMS水平Fig.2　 Each test point noise power spectrum and aRMS level

首先進(jìn)行帶通濾波處理，濾波頻率范圍宜選擇為0.1～80Hz，其次確定臺(tái)站場(chǎng)地24次觀測(cè)的背景振動(dòng)加速度噪聲方均根值（aRMS），24次計(jì)算結(jié)果中最大的背景振動(dòng)加速度噪聲均方根值作為臺(tái)站最大背景振動(dòng)加速度噪聲。

表1　基本站測(cè)試點(diǎn)加速度噪聲均方根RMS值

5　儀器自噪聲

儀器測(cè)試時(shí)不僅要進(jìn)行標(biāo)定以保證儀器工作狀態(tài)正常和靈敏度等參數(shù)的準(zhǔn)確，同時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行自噪聲測(cè)試也是有必要的。地震計(jì)的測(cè)量能力可用頻帶范圍和幅值范圍來(lái)表示，圖3為廠家給定的地震計(jì)幅頻特性，該技術(shù)指標(biāo)確定了儀器頻帶范圍，而幅值范圍則由動(dòng)態(tài)范圍、限幅電平、地震計(jì)自噪聲水平來(lái)描述。地震計(jì)自噪聲功率譜的測(cè)試對(duì)于表示地震計(jì)的測(cè)量范圍比較直觀，雖然廠家一般在說(shuō)明書中給了儀器自噪聲功率譜曲線，但對(duì)于本次勘選任務(wù)有必要對(duì)其進(jìn)行儀器自噪聲功率譜測(cè)試。

霍爾科姆方法使用兩臺(tái)加速度地震計(jì)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，根據(jù)兩臺(tái)地震計(jì)的同址、同步觀測(cè)資料，計(jì)算它們的功率譜和幅值平方相干函數(shù)，即可得到地震計(jì)的噪聲功率譜[6]。圖3為使用該方法得到的BBAS加速度計(jì)的自噪聲功率譜。

6　結(jié)論

在野外測(cè)試的環(huán)境下，溫度變化較大，即便是一個(gè)小時(shí)的噪聲數(shù)據(jù)，加速度計(jì)產(chǎn)生的溫度零點(diǎn)漂移還是非常明顯的，為了消除溫漂的影響，計(jì)算加速度噪聲功率譜的計(jì)算程序中加入了0.1～80Hz的帶通濾波器，另外還加入了100Hz高端截止頻率的高通濾波器，其目的在于消除直流分量引起的零漂[7]?！兜卣鹋_(tái)站建設(shè)規(guī)范》[1]中要求對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波預(yù)處理，以消除由于溫漂帶來(lái)超低頻成份增高的因素。XNE、JNQ、CHQ三個(gè)點(diǎn)沒(méi)有對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波預(yù)處理，從圖2可以看出，這3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的噪聲功率譜在低頻段水平較高，這是實(shí)際記錄數(shù)據(jù)低頻信號(hào)成分存在的證明，是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)反映，其余7個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)均采用了高通濾波器，從圖中也可以看出，其它7個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)均采用了高通濾波器，其噪聲功率譜的低頻段與未進(jìn)行濾波處理的結(jié)果相比較下降是明顯的，100Hz高端截止頻率有效去除了直流分量引起的零點(diǎn)漂移，更真實(shí)地反映其本身場(chǎng)地的噪聲功率譜。至于帶通濾波器的選擇會(huì)造成噪聲功率譜低頻段更明顯的下跌，這是因?yàn)樵谔幚頂?shù)據(jù)時(shí)要調(diào)用加速度計(jì)的傳遞函數(shù)來(lái)扣除儀器響應(yīng)，傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)參數(shù)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，在低頻段是平坦的，處理數(shù)據(jù)時(shí)如果選擇帶通濾波器頻帶范圍的選擇是不合適的，會(huì)造成噪聲功率譜低頻段的畸變。

圖2中各測(cè)試點(diǎn)的噪聲功率譜是每個(gè)臺(tái)站3分向24小時(shí)各時(shí)段的噪聲功率譜的集合，也就是說(shuō)每個(gè)臺(tái)站有畫了72條譜線來(lái)表征臺(tái)站噪聲功率譜，大部分測(cè)試點(diǎn)的圖譜一致性較好，個(gè)別測(cè)試點(diǎn)如SBT、HUD、CYH、CYZ個(gè)別時(shí)段的噪聲功率譜與其他時(shí)段存在不一致的現(xiàn)象，這是由于測(cè)試場(chǎng)地突發(fā)外界人為干擾與地震事件或非天然地震事件的影響，不能作為場(chǎng)地常規(guī)噪聲數(shù)據(jù)來(lái)估算，應(yīng)剔除這些數(shù)據(jù)來(lái)估算，也就是保證噪聲數(shù)據(jù)的有效性，大部分時(shí)段和分向集中的圖譜作為其真實(shí)的噪聲圖譜。24小時(shí)功率譜密度加速度aRMS有效值時(shí)間分布柱狀圖也可以看出，噪聲水平基本符合夜間小于白天，上半夜小于下半夜，上午小于下午，這是由于夜間噪聲水平實(shí)際小于白天噪聲水平，其中HUD、CGBG、JAN夜間水平不低甚至高于白天，是由于夜間風(fēng)擾所致，即測(cè)試點(diǎn)氣流變化大的影響。

表1中各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的背景振動(dòng)加速度噪聲方均根值aRMS均沒(méi)有超過(guò)0.01m/s2，且相差10-3數(shù)量級(jí)，均符合基本站的場(chǎng)地噪聲水平要求。另外經(jīng)過(guò)比對(duì)分析，CGBG測(cè)試點(diǎn)的噪聲功率譜受外界干擾水平較小，其他測(cè)試點(diǎn)不同程度的受外界干擾，尤其在3Hz以上的高頻段受高頻信號(hào)干擾嚴(yán)重，一般來(lái)說(shuō)在儀器正常工作的情況下高頻干擾都來(lái)自于外界自然與人為影響，結(jié)合加速度計(jì)的自噪聲功率譜，實(shí)測(cè)的各個(gè)場(chǎng)地噪聲功率譜在0.003～3Hz基本反映的是加速度儀器的自噪聲，總的來(lái)看，加速度計(jì)本身的自噪聲水平還是比較高的，如果單純以基本站的噪聲水平要求來(lái)看，使用該加速度計(jì)作為勘選地噪聲水平測(cè)試儀器是可以的，但要在1～20Hz頻帶范圍上考慮多個(gè)頻點(diǎn)的噪聲水平，使用該儀器是不能全面評(píng)價(jià)的。

圖3　BBAS加速度計(jì)幅頻特性與自身噪聲功率譜密度曲線Fig.3　 BBAS accelerometer amplitude-frequency characteristics and own noise power spectral

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