龍劍鋒 駱佳驥 陳 勝

（中國(guó)合肥 230031 安徽省地震局）

0 引言

隨著國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程安徽子項(xiàng)目的持續(xù)推進(jìn)，安徽省正逐步構(gòu)建測(cè)震、強(qiáng)震動(dòng)、地震烈度三網(wǎng)融合的地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)。地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)中除采用傳統(tǒng)的地震計(jì)和加速度計(jì)外，還將采用地震烈度儀。地震烈度儀是配備MEMS 傳感器的加速度計(jì)，具有成本低、體積小、能耗低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，便于鋪設(shè)高密度臺(tái)網(wǎng)。利用高密度部署的地震烈度儀，可在震后幾秒內(nèi)提供強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)圖，在及時(shí)提供關(guān)鍵性地震信息、減小預(yù)警盲區(qū)、縮短預(yù)警時(shí)間等方面具有較大優(yōu)勢(shì)（康濤，2018）。

近年來，針對(duì)地震烈度儀已開展許多測(cè)試和研究。如：王浩等（2013）對(duì)MEMS 加速度計(jì)與傳統(tǒng)加速度計(jì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，二者對(duì)于較強(qiáng)地面震動(dòng)的監(jiān)測(cè)效果相當(dāng)；張紅才等（2017）以2015 年河北昌黎ML4.5 地震中測(cè)震、強(qiáng)震及烈度儀臺(tái)站記錄事件波形為研究對(duì)象，得到對(duì)于烈度儀臺(tái)站觀測(cè)記錄能力及特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)；王光沖等（2019）對(duì)3 類地震儀器同臺(tái)址背景噪聲觀測(cè)記錄進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，烈度儀無法有效記錄地脈動(dòng)。

為進(jìn)一步規(guī)范地震監(jiān)測(cè)專業(yè)設(shè)備，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心2019 年發(fā)布中國(guó)地震局已定型地震監(jiān)測(cè)專業(yè)設(shè)備名單。文中擬對(duì)名單中的MI 3000 和GL-P2C 地震烈度儀進(jìn)行同臺(tái)址觀測(cè)，對(duì)比分析2 種儀器的波形記錄特征及地震監(jiān)測(cè)能力。

1 資料選取

地震烈度儀觀測(cè)數(shù)據(jù)中大部分記錄為背景噪聲，其影響相對(duì)固定，地震記錄僅占少數(shù)。背景噪聲在一定程度上能夠直接反映儀器的實(shí)際記錄能力，可充分體現(xiàn)觀測(cè)儀器的地震監(jiān)測(cè)能力。

2019 年12 月18 日，安徽省地震局在合肥地震臺(tái)和該局儀器檢測(cè)室開展MI 3000 和GL-P2C 地震烈度儀性能比測(cè)試驗(yàn)。合肥地震臺(tái)背景噪聲良好，安徽省地震局儀器檢測(cè)室背景噪聲較差，2 種烈度儀均架設(shè)在觀測(cè)場(chǎng)地同一擺墩上。在實(shí)驗(yàn)過程中，合肥地震臺(tái)觀測(cè)擺墩上同步運(yùn)行1 套SLJ-100 型三分向力平衡加速度計(jì)。其中：GL-P2C 地震烈度儀由北京港震儀器設(shè)備有限公司研制，MI 3000 地震烈度儀由北京東立博遠(yuǎn)科技有限公司研制，SLJ-100 型加速度計(jì)由中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研制。各儀器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 專業(yè)儀器主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of professional instruments

收集整理2019 年12 月至2020 年7 月2 個(gè)場(chǎng)地烈度儀觀測(cè)記錄，選取無地震事件24 h 背景噪聲記錄，計(jì)算其背景噪聲RMS 值、功率譜，總結(jié)波形記錄特征，對(duì)比分析2種烈度儀性能特征。

2 數(shù)據(jù)處理分析

2.1 加速度均方根

背景噪聲加速度均方根RMS 可以衡量臺(tái)站背景噪聲水平，在同臺(tái)址下可有效反映不同儀器的臺(tái)基噪聲記錄水平及地震監(jiān)測(cè)能力。對(duì)觀測(cè)儀器背景噪聲記錄進(jìn)行去均值、去趨勢(shì)等預(yù)處理，得到加速度記錄，并根據(jù)下式計(jì)算加速度均方根

式中，Xi為某點(diǎn)實(shí)測(cè)地加速度值，n為觀測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

選取合肥地震臺(tái)2 套地震烈度儀與1 套加速度儀，安徽省地震局儀器檢測(cè)室2 套地震烈度儀，總計(jì)5 套儀器24 小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，以1 h 觀測(cè)數(shù)據(jù)為基本單位計(jì)算加速度均方根，結(jié)果見圖1，各分項(xiàng)RMS 值見表2。

由圖1(a)和表2 可知：合肥地震臺(tái)同臺(tái)址觀測(cè)的3 套儀器記錄背景噪聲加速度值均方根RMS 最大值與最小值之間至少相差1 個(gè)量級(jí)，其中加速度儀記錄的背景噪聲RMS 值最低，三分向均值最高為5.6×10-5m·s-2（NS 向）；MI 3000 地震烈度儀背景噪聲RMS 值最高，三分向均值最高為1.9×10-3m·s-2（UD 向）。

表2 5 套儀器的RMS 值分布Table 2 The distribution of RMS values of five types of instrument

圖1 5 套儀器記錄RMS 值(a)合肥地震臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)；(b)儀器檢測(cè)室觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.1 The RMS values of five types of instrument

觀測(cè)儀器記錄的背景噪聲由儀器自噪聲和觀測(cè)點(diǎn)臺(tái)基噪聲組成，即

開展同臺(tái)址觀測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，不同儀器相同時(shí)間段記錄的背景噪聲中臺(tái)基噪聲一致。鑒于3 套儀器記錄的差異性，令加速度儀記錄的背景噪聲為臺(tái)基噪聲，即

計(jì)算得出合肥地震臺(tái)GL-P2C 地震烈度儀記錄的背景噪聲中，臺(tái)基噪聲占比約為10.7%；MI 3000 地震烈度儀記錄的背景噪聲中，臺(tái)基噪聲占比約為3.7%。由此得知該臺(tái)2套烈度儀記錄均為儀器自噪聲，無有效地脈動(dòng)信號(hào)。

對(duì)比合肥地震臺(tái)2 套地震烈度儀記錄的背景噪聲得知：MI 3000 地震烈度儀自噪聲水平為GL-P2C 地震烈度儀記錄的3 倍左右；2 種地震烈度儀記錄水平向噪聲水平約為垂直向噪聲水平的50%。

對(duì)比合肥地震臺(tái)和儀器檢測(cè)室2 處站點(diǎn)同型號(hào)烈度儀記錄的背景噪聲加速度值均方根RMS 值，可以得出：MI 3000 地震烈度儀在2 處站點(diǎn)記錄的背景噪聲RMS 值相近，三分向均值差異比約為7.8%，即儀器檢測(cè)室MI 3000 地震烈度儀記錄為儀器自噪聲，無有效地脈動(dòng)信號(hào)；GL-P2C 地震烈度儀在2 處站點(diǎn)記錄的背景噪聲RMS 值相近，三分向均值差異比約為68.00%，即儀器檢測(cè)室GL-P2C 地震烈度儀記錄到有效地脈動(dòng)信號(hào)。

2.2 噪聲功率譜

噪聲功率譜分析是依據(jù)所采用的數(shù)字地震儀類型及其零點(diǎn)和增益參數(shù)，計(jì)算所在臺(tái)基的地噪聲功率譜密度曲線。計(jì)算所選取無地震事件記錄的背景噪聲功率譜，得到2 種烈度儀分別在2 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的噪聲功率譜曲線，見圖2。

圖2 4 套儀器的地震烈度儀的噪聲功率譜(a)合肥地震臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)；(b)儀器檢測(cè)室觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 The noise power spectra recorded by four types of instrument

圖2(a)為合肥地震臺(tái)2 套烈度儀記錄的儀器自噪聲功率譜曲線，可見GL-P2C 地震烈度儀頻帶范圍為DC—80 Hz，MI 3000 地震烈度儀頻帶范圍為DC—40 Hz。2 套烈度儀噪聲功率譜曲線中部分頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率譜數(shù)值見表3。由表3 可知：在DC—40 Hz 范圍內(nèi)，GL-P2C 地震烈度儀信號(hào)噪聲功率譜數(shù)值比MI 3000 地震烈度儀低，特別是在頻帶0.4—40 Hz，比之降低約10 dB。

表3 2 套儀器的各頻點(diǎn)噪聲功率譜Table 3 The noise power spectra at each frequency of two types of instrument

對(duì)比合肥地震臺(tái)和儀器檢測(cè)室2 處站點(diǎn)4 套烈度儀記錄的噪聲功率譜曲線，可知：在DC—10 Hz 和20—40 Hz 范圍內(nèi)，不同地點(diǎn)的2 套MI 3000 地震烈度儀噪聲功率譜一致性較好；在DC—10 Hz 范圍內(nèi)，不同地點(diǎn)的2 套GL-P2C 地震烈度儀噪聲功率譜一致性較好；在10—20 Hz 范圍內(nèi)，儀器檢測(cè)室2 套地震烈度儀噪聲功率譜均降低約10 dB，可知其臺(tái)基噪聲集中在10—20 Hz 范圍內(nèi)。

3 結(jié)論與討論

對(duì)2 種地震烈度儀在2 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同臺(tái)址背景噪聲記錄比測(cè)，分析時(shí)域范圍加速度均方根和頻域內(nèi)噪聲功率譜，發(fā)現(xiàn)：GL-P2C 地震烈度儀頻帶范圍為DC—80 Hz，MI 3000地震烈度儀的頻帶范圍為DC—40 Hz；MI 3000 地震烈度儀自噪聲水平約為GL-P2C 地震烈度儀自噪聲水平的3 倍。綜上所述，在頻帶范圍、自噪聲等性能上，GL-P2C 地震烈度儀相對(duì)優(yōu)于MI 3000 地震烈度儀。

在國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程（以下簡(jiǎn)稱預(yù)警工程）建設(shè)過程中，一般站點(diǎn)由中國(guó)鐵搭股份有限公司承建，所有站點(diǎn)依托現(xiàn)有通訊基站建設(shè)，站點(diǎn)之間背景噪聲水平相差較大。為了保障預(yù)警工程實(shí)施安全性，兼顧廠家生產(chǎn)和售后服務(wù)能力，按照中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心整體部署，各省預(yù)警工程一般站點(diǎn)采用MI 3000 和GL-P2C 兩種不同型號(hào)的地震烈度儀，經(jīng)性能對(duì)比，GL-P2C 地震烈度儀更適用背景噪聲水平較優(yōu)的站點(diǎn)。

優(yōu)化布局預(yù)警工程地震烈度監(jiān)測(cè)網(wǎng)，優(yōu)選適合監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的地震烈度儀，可豐富一般站點(diǎn)的實(shí)測(cè)記錄，進(jìn)而提高烈度速報(bào)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力。