馮雪東 李貴明 劉芳 安全 胡瑋

1)烏加河地震臺，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015331 2)內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地震監(jiān)測環(huán)境受到的干擾越來越大。安裝一套受環(huán)境噪聲干擾小的地震計對臺站產(chǎn)出高質(zhì)量數(shù)據(jù)尤為重要。在多種地震監(jiān)測設(shè)備中，井下寬頻帶地震計由于遠(yuǎn)離地面干擾源而降低了環(huán)境對數(shù)據(jù)的干擾，提高了信噪比，具有良好的應(yīng)用前景(周煥鵬，1986)。

內(nèi)蒙古地震局烏加河中心地震臺策克子臺是中國地震背景場探測項目建設(shè)的固定觀測臺站之一，策克臺井下寬頻帶地震計GL-S120B現(xiàn)已安裝完畢并即將投入運行。筆者對 GL-S120B 的頻率特征進(jìn)行正弦標(biāo)定，選擇一系列頻點進(jìn)行測試，用來測量地震計在全頻帶上的幅度響應(yīng)(江曉濤等，2015)，為今后的儀器穩(wěn)定運行及維護(hù)奠定基礎(chǔ)。為保證標(biāo)定檢測結(jié)果的準(zhǔn)確可信，在標(biāo)定之前必須選用一套合理的頻點參數(shù)?，F(xiàn)針對GL-S120B正弦波標(biāo)定過程中頻點參數(shù)的選擇進(jìn)行分析，最終確定一組合理的參數(shù)，并對該參數(shù)相應(yīng)的標(biāo)定響應(yīng)波形進(jìn)行計算。

1 頻點討論

策克臺井下寬頻帶地震計GL-S120B采用的數(shù)據(jù)采集器為EDAS-24GN6。如前所述，在對GL-S120B進(jìn)行標(biāo)定之前必須設(shè)置一套合理的頻點參數(shù)，但GL-S120B的儀器說明書中未給出正弦標(biāo)定的頻點數(shù)據(jù)，從地震臺網(wǎng)目前積累的各類資料中，也未找到對應(yīng)型號的標(biāo)定參數(shù)，筆者就該問題咨詢了多位相關(guān)專家，建議采用相近型號的BBVS-120寬頻帶地震計的頻點參數(shù)(表1)進(jìn)行標(biāo)定。

表1 BBVS-120正弦標(biāo)定的頻點參數(shù)

在采用表1 的參數(shù)完成標(biāo)定后，發(fā)現(xiàn)各頻點的周期數(shù)與周期/頻率的設(shè)置均正確，但是第3至第7頻點的波形出現(xiàn)了振幅超范圍的問題(圖1)，表明寬頻帶地震計BBVS-120的正弦標(biāo)定頻點參數(shù)不能直接作為GL-S120B的正弦標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 參照BBVS-120的正弦標(biāo)定頻點參數(shù)對GL-S120B進(jìn)行正弦標(biāo)定的結(jié)果

結(jié)合地震計靈敏度、標(biāo)定靈敏度及數(shù)據(jù)采集器量程等地震儀固有參數(shù)特征，綜合分析正弦標(biāo)定的原理，筆者認(rèn)為限幅的原因在于正弦標(biāo)定設(shè)置的衰減因子λ偏小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集器設(shè)定的標(biāo)定電流輸入到地震計后偏大，地震計向數(shù)據(jù)采集器輸出的電壓值超過了數(shù)據(jù)采集器的量程范圍。因此需要從標(biāo)定過程進(jìn)行分析，通過修正現(xiàn)有資料中的衰減因子，設(shè)定合理的正弦標(biāo)定頻點參數(shù)。

1.1 標(biāo)定過程分析

在EDAS-24GN6數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置正弦標(biāo)定的頻點參數(shù)：衰減因子λ，頻率f，周期數(shù)N；數(shù)據(jù)采集器的標(biāo)定信號發(fā)生器向地震計標(biāo)定線圈中輸入滿幅值為Im的正弦電流信號，實時電流i(t)為恒流信號，即標(biāo)定電流大小與負(fù)載無關(guān)(呂永清等，2007)，僅與頻率f、衰減因子λ、滿幅標(biāo)定電流值Im有關(guān)(蔡亞先等，2005)

i(t)=Im·sin(2πft)/λ

(1)

在GL-S120B的標(biāo)定線圈中輸入正弦電流信號后，電磁感應(yīng)產(chǎn)生磁場，地震計擺錘在磁場中受到磁力F而擺動(在負(fù)平衡反饋系統(tǒng)作用下，擺錘并未發(fā)生擺動，但地震計輸出電流等效于擺錘發(fā)生了擺動，即“等效擺動”，下文“擺動”均為等效擺動)。滕云田(2001)給出擺錘擺動加速度a(t)、擺錘質(zhì)量m與電流i(t)的關(guān)系為

F=m·a(t)=B·2πnr·i(t)

(2)

其中，n為標(biāo)定線圈匝數(shù)，r為標(biāo)定線圈半徑，2πnr為標(biāo)定線圈長度，B為磁場強度。令G=2π·Bnr/m為地震計的標(biāo)定常數(shù)，單位為m/s2/A。則有

a(t)=G·i(t)

(3)

擺錘擺動的速度v(t)為加速度對時間的積分(江曉濤等，2015)，即

(4)

將式(1)、式(3)代入式(4)，有

v(t)=-G·Im·cos(2πft)/(2πfλ)

(5)

擺錘帶動工作線圈與磁缸相對運動，機械能轉(zhuǎn)換為電動勢能，經(jīng)地震計系統(tǒng)電子線路處理，產(chǎn)生輸出電壓U(t)(Wielandt et al，1982)

U(t)=S0·v(t)=-S0·G·Im·cos(2πft)/(2πfλ)

(6)

其中，S0為地震計的電壓靈敏度，單位為V/m/s。U(t)的頻率和輸入電流信號的頻率對應(yīng)相同，但幅度和相位產(chǎn)生了變化(林湛，2008)。據(jù)式(6)，可知地震計輸出電壓峰值為

│Um│=S0·G·Im/(2πfλ)

(7)

地震計輸出電壓信號被數(shù)據(jù)采集器采集放大后輸出為標(biāo)定波形。數(shù)據(jù)采集器輸出信號d(t)與地震計輸出電壓U(t)的關(guān)系為

d(t)·k=U(t)

(8)

其中，k為數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換因子，單位為count/V。數(shù)據(jù)采集器輸出信號峰值為

(9)

(10)

將式(7)、式(9)代入式(10)，有

S0·G·Im/(2πfλ)≤Dm·k

fλ≥S0·G·Im/(Dm·k·2π)

(11)

fλ≥2000×80×0.02/(2π×10)≈50.93

(12)

由式(12)可知，在EDAS-24GN6數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置對GL-S120B地震計的正弦標(biāo)定參數(shù)時，頻率f與衰減值λ的乘積應(yīng)至少大于50.93，即fλ的限幅下限值為50.93。

1.2 限幅原因分析

地震計的歸一化幅頻特性反映了地震計在不同頻率處的靈敏度特征(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2017)。GL-S120B的幅頻響應(yīng)特征如圖2所示，為了便于分析，這里將該曲線分為2部分：

圖2 GL-S120B幅頻響應(yīng)

(1)平坦響應(yīng)部分，頻帶為～0.01Hz

表2 平坦響應(yīng)部分出現(xiàn)限幅的頻點參數(shù)

(2)衰減響應(yīng)部分，頻帶為f<～0.01Hz和f>30Hz，此次標(biāo)定的第1、2、3、11和12頻點(圖2 中用紅色圓點標(biāo)出)均處于該段。地震計對這部分頻帶的響應(yīng)表現(xiàn)為：在低頻部分，靈敏度隨著頻率減小而衰減(如第1至第3頻點)；在高頻部分，靈敏度隨著頻率增大而衰減(如第11和12頻點)。據(jù)圖2 可知，在該部分，靈敏度下降速率為每倍頻程下降15dB。由于靈敏度的衰減，據(jù)式(11)，fλ的限幅下限值小于50.93，且靈敏度越小，fλ的限幅下限值越小(表3)。

表3 衰減響應(yīng)部分的頻點參數(shù)及其限幅下限

第1、第2頻點處，fλ雖小于50.93，但均大于各自的限幅下限，故均未出現(xiàn)限幅；而第3頻點的fλ略小于其限幅下限值，故其正弦波形表現(xiàn)為輕度限幅。

1.3 正弦標(biāo)定參數(shù)的修正

根據(jù)上述分析可知，由于GL-S120B標(biāo)定常數(shù)G相對較大，所以使用寬頻帶地震計BBVS-120的正弦標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定后出現(xiàn)標(biāo)定波形限幅問題，但其頻率、周期數(shù)的設(shè)置均無問題，可以較好地覆蓋GL-S120B的整個頻帶。故僅需適度增大各頻點相應(yīng)的衰減因子(表4)，即可避免出現(xiàn)限幅(圖3)。

表4 修正后的正弦標(biāo)定頻點參數(shù)

圖3 將衰減因子修正后重新標(biāo)定結(jié)果

2 正弦標(biāo)定計算

正弦標(biāo)定計算是對設(shè)置了特定正弦標(biāo)定參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行定量檢驗，對標(biāo)定工作具有重要意義。

2.1 標(biāo)定參數(shù)的設(shè)置

烏加河地震臺采用Edsp-icheck軟件進(jìn)行標(biāo)定計算。進(jìn)行正弦標(biāo)定計算之前，在計算軟件中設(shè)置好正弦標(biāo)定參數(shù)。地震計的標(biāo)定靈敏度以及靈敏度基準(zhǔn)值均為安裝地震計時的現(xiàn)場實測值。參照寬頻帶地震計BBVS-120正弦標(biāo)定頻點參數(shù)的設(shè)置說明，由于衰減因子λ放大了10倍，在進(jìn)行標(biāo)定結(jié)果計算時，應(yīng)該將滿幅標(biāo)定電流Im值縮小10倍，即為2mA。據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定計算，地震計靈敏度變化率高達(dá)1000%以上，顯然滿幅標(biāo)定電流設(shè)置不正確。筆者修正后的正弦標(biāo)定的頻點參數(shù)中，衰減因子均為實際值，并未放大，故應(yīng)將滿幅標(biāo)定電流值仍設(shè)置為20mA，即為20000uA(圖4)。

圖4 Edsp-icheck軟件正弦標(biāo)定參數(shù)設(shè)置界面

2.2 標(biāo)定結(jié)果與討論

依照圖4 設(shè)置的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行計算(歸一化頻率為1Hz)，得到的正弦標(biāo)定結(jié)果包括12個頻點的歸一化幅頻特性(表5)、3分向的幅頻響應(yīng)圖(圖5～7)、系統(tǒng)靈敏度以及地震計靈敏度變化率(表6、7)。計算結(jié)果顯示：三通道(分向)的幅頻響應(yīng)特征非常接近，GL-S120B 井下寬頻帶地震計對帶寬(40Hz～120s)內(nèi)的各頻率信號響應(yīng)較為平坦，地震計靈敏度對出廠實測值(表8)的變化率均在5%之內(nèi)，標(biāo)定結(jié)果理想。

表5 歸一化幅頻特性

圖5 GL-S120B第一通道幅頻響應(yīng)

表6 地震計靈敏度、數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換因子和觀測系統(tǒng)靈敏度計算結(jié)果

表7 地震計靈敏度標(biāo)定結(jié)果和其基準(zhǔn)值的比較

表8 GL-S120B井下寬頻帶地震計性能參數(shù)(靈敏度測試頻率為1Hz)

據(jù)圖5、圖6 和圖7，我們注意到在～2～20Hz頻帶內(nèi)，地震計的幅度響應(yīng)較理論值偏高，使幅頻響應(yīng)曲線在該頻帶范圍內(nèi)不夠平坦。經(jīng)初步分析，我們認(rèn)為該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是：觀測環(huán)境中存在不規(guī)律的高頻干擾信號，地震計在標(biāo)定時受到這種干擾，在5Hz、9Hz等頻點處測得的靈敏度較實際值偏高，與1Hz處測得的正常結(jié)果進(jìn)行散點連接后，造成幅頻響應(yīng)曲線在～2～20Hz頻帶內(nèi)呈現(xiàn)凸起形態(tài)；加之計算結(jié)果是用“線性”縱坐標(biāo)來表示的(圖4)，使這種“凸起形態(tài)”更為明顯。

圖6 GL-S120B第二通道幅頻響應(yīng)

圖7 GL-S120B第三通道幅頻響應(yīng)圖

地震震級mb、mB、MS分別在0.5～2.5s、3.5～12s和3.8～30s周期內(nèi)測算，即在～0.03～2Hz頻帶內(nèi)測得，而該頻帶內(nèi)幅頻響應(yīng)曲線整體較為平坦，僅在～0.03～0.1Hz范圍內(nèi)略為偏低，使10～30s內(nèi)測得的MS震級略小，故其對震級測定雖有一定的影響，但影響不大。在接下來的工作中，我們將針對這種不規(guī)律的高頻干擾信號展開更深入的研究，以期提高觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過多次實驗，對衰減因子進(jìn)行修正，得出該系統(tǒng)的正弦波標(biāo)定的頻點參數(shù)參考值(表4)。采用同樣型號觀測系統(tǒng)的臺站也可以使用該套頻點參數(shù)對地震計進(jìn)行正弦標(biāo)定，并可通過放大(縮小)衰減因子來減小(增大)標(biāo)定結(jié)果中正弦波的幅度。

(2)通過分析得出，井下寬頻帶地震計GL-S120B(標(biāo)定常數(shù)G=80m/s2/A)因參照寬頻帶地震計BBVS-120(標(biāo)定常數(shù)G=10m/s2/A)的頻點參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定常數(shù)G的增大使得GL-S120B正弦標(biāo)定出現(xiàn)響應(yīng)波形限幅問題。

(3)通過標(biāo)定計算，井下寬頻帶地震計GL-S120B的電壓靈敏度對其出廠測定值的變化率在5%范圍內(nèi)，其幅頻特性曲線整體較為平坦。

致謝：北京港震科技股份有限公司祝祥工程師為本次研究提供了地震計性能參數(shù)，審稿專家對本文提出了寶貴意見，在此一并表示感謝。