立 凱 瞿 旻 秦 磊 曾 智

1）中國江蘇 222061 連云港地震臺

2）中國南京 210014 江蘇省地震局

0 引言

近年來，隨著觀測技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷進步，臺基噪聲水平分析成為評估地震臺站運行質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，對一個地區(qū)地噪聲水平的正確評估和全面了解成為進一步改善地震觀測質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。采用概率密度函數(shù)（probability density function，縮寫為PDF）（McNamara et al，2004）方法，直接使用連續(xù)波形計算背景噪聲，未去除同震變化記錄，可以得到儀器標(biāo)定及干擾等信息地震臺站、臺網(wǎng)一般采用PDF 方法實時監(jiān)控地震儀器變化。

臺基噪聲水平隨時間而變化，利用臺基噪聲功率譜分析干擾源，通過觀察臺站的實際觀測環(huán)境，提出有效降低背景噪聲的改善措施，提高地震臺站觀測質(zhì)量。連云港臺地處江蘇省北部云臺山山脈，臺基基巖完整，為花崗片麻巖，放大倍數(shù)高，觀測環(huán)境較好。2013年連云港地震臺安裝BBVS-120 數(shù)字地震儀。儀器運行以來穩(wěn)定性較好。隨著時間的推移，有必要對BBVS-120 數(shù)字地震儀背景噪聲功率譜密度曲線、噪聲地動加速度均方根值（RMS值）、有效測量動態(tài)范圍以及臺站地動噪聲年變化進行總結(jié)，以便為地震研究提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 噪聲計算方法與原理

臺基噪聲水平是用背景噪聲加速度功率譜（PSD）的概率密度函數(shù)（PDF）來表示的。目前一般采用經(jīng)典的Welch 算法進行分析，包括對信號的重疊分段、加窗處理和快速傅里葉變換（FFT）等（謝江濤等，2018）。

隨機信號只能用統(tǒng)計平均量來表示，功率譜密度是描述隨機信號統(tǒng)計規(guī)律的重要特征參量。對于寬頻帶地震臺站，一般按照1 h 長度截取數(shù)據(jù)段進行計算。以連云港地震臺（下文簡稱連云港臺）3 個分向每小時連續(xù)記錄數(shù)據(jù)為樣本，采用Welch 方法計算三分向加速度功率譜，以1/8 倍頻為單位間隔滑動，計算每條樣本的平均功率譜，按照1 dB 的區(qū)間大小進行幅度網(wǎng)格劃分，覆蓋范圍一般為-200— -60 dB，計算出一定時間段（1 月）內(nèi)功率譜在頻率點上的分布概率。為了最大程度地減小重疊后的“頻譜泄露”，通常采用漢寧窗進行平滑處理（立凱等，2021）。

觀測動態(tài)范圍決定了一個臺站可以記錄地震事件大小的范圍，可通過噪聲功率譜RMS 值，進而計算臺站的觀測動態(tài)范圍，計算公式為：

式中，R為數(shù)采量程，RMS 為臺站噪聲功率譜值（單位為m/s），s為系統(tǒng)靈敏度，P為數(shù)采量程修正值。

2 噪聲功率譜分析

以連云港臺2019 年數(shù)據(jù)記錄為例，提取三分向每小時連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，計算每個月功率譜密度函數(shù)，各分向RMS 值取中值，計算結(jié)果見表1，概率密度函數(shù)PDF 圖見圖1。

圖1 2019 年連云港臺臺基地動噪聲功率譜Fig.1 Power spectrum PDF of noise of Lianyungang Seismic Station base in 2019

表1 連云港臺2019 年1—20 Hz 平均地動噪聲RMS 值Table 1 RMS value of 1-20 Hz average noise of Lianyungang Seismic Station in 2019

根據(jù)數(shù)字地震臺觀測規(guī)范要求，以臺基背景噪聲在1—20 Hz 頻帶范圍的地動速度噪聲RMS 值作為臺址勘選的評估標(biāo)準(zhǔn)（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2003）。具體評估標(biāo)準(zhǔn)為：Ⅰ類臺基噪聲水平RMS ＜3.16×10-8m/s；Ⅱ類臺基噪聲水平3.16×10-8m/s ≤RMS ＜1.00×10-7m/s；Ⅲ類臺基噪聲水平1.00×10-7m/s ≤RMS ＜3.16×10-7m/s；Ⅳ類臺基噪聲水平3.16×10-7m/s ≤RMS ＜1.00×10-6m/s；Ⅴ類臺基噪聲水平1.00×10-6m/s ≤RMS ＜3.16×10-6m/s。由表1 所示計算結(jié)果可知，連云港臺臺基背景噪聲水平全年處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，達到Ⅰ類臺標(biāo)準(zhǔn)。

3 背景噪聲特性與典型干擾源分析

為了更好地反映連云港臺背景噪聲水平，選取2019 年6—7 月數(shù)據(jù)記錄作為研究對象，分析背景噪聲特征。計算樣本數(shù)據(jù)時遵循以下原則：①以消除地震信號對噪聲計算的影響，剔除帶有地震信號的數(shù)據(jù)；②選取夜晚的噪聲差別，分別選取夜晚00 時至04 時、白天11時至14 時的數(shù)據(jù)進行對比分析，以更好地反映日夜噪聲差值。將截取數(shù)據(jù)做預(yù)處理，利用Welch 方法計算每條樣本的噪聲功率譜值，平均噪聲功率譜值及有效動態(tài)范圍結(jié)果見表2。

表2 白天和夜間平均地動噪聲RMS 值（1—20 Hz）和平均有效測量動態(tài)范圍Table 2 RMS value (1-20 Hz) and average effective measurement dynamic range of daytime and nighttime average ground motion noise

由表2 所示對比分析結(jié)果可知，日間噪聲水平較高，通過有效測量動態(tài)范圍可見日夜差值在3 dB 左右，究其原因為，連云港臺地處花果山景區(qū)，白日旅游車輛和人員密集易造成干擾，特別是旅游旺季和節(jié)假日，日夜噪聲水平差異更為明顯。

為全面撐握連云港臺背景噪聲干擾源，調(diào)查周圍環(huán)境變化，并分析連續(xù)波形變化，以期為數(shù)據(jù)處理提供參考。臺站背景噪聲主要有人為噪聲、自然環(huán)境噪聲。人為噪聲是人類活動引起的環(huán)境噪聲，例如車輛干擾、基建干擾等，其中車輛干擾為常見干擾。連云港臺以北約100 m 建有一條公路，導(dǎo)致NS 向干擾比其他分向更為明顯。圖2 給出旅游旺季連云港臺波形記錄及噪聲功率譜密度曲線，明顯可見，干擾主要分布在10—20 Hz 頻段。人類活動是臺站噪聲主要來源，保護觀測環(huán)境是臺站工作的重要任務(wù)，可以通過科普宣傳、法律保護等加強觀測環(huán)境保護。針對不可避免的人為干擾，連云港臺采取了一些改善措施，例如購買專業(yè)的地震計防護罩、改造測震擺房等。

圖2 2019 年5 月連云港臺車輛干擾記錄及噪聲功率譜密度曲線Fig.2 Continuous waveform and calculated noise power spectral density curve of Lianyungang Seisimc Station disturbed by vehicles in May,2019

自然環(huán)境噪聲主要來源于大風(fēng)、海浪、河流及溫度變化等，而大風(fēng)是其中的主要干擾源。風(fēng)與粗糙地面產(chǎn)生摩擦，樹或高大建筑物隨風(fēng)搖擺，地震計周圍空氣流動，均會引起長周期噪聲。連云港臺背靠山脊，周圍生長著大量的樹木，且沿海地區(qū)常年大風(fēng)，起風(fēng)時樹木搖晃造成干擾。圖3 給出該臺2020 年5 月17 日受風(fēng)干擾的波形記錄及噪聲功率譜密度曲線，可見大風(fēng)造成約0.5 Hz 的長周期干擾，還有高頻10 Hz 以上的干擾。

圖3 2020 年5 月17 日連云港臺大風(fēng)干擾記錄和噪聲功率譜密度曲線Fig.3 Continuous waveform and calculated noise power spectral density curve of Lianyungang Seismic Station disturbed by strong wind on May,17,2020

4 結(jié)論

通過對連云港數(shù)字地震臺站BBVS-120 觀測儀器的2019 年度臺基噪聲分析與計算，得出該臺背景噪聲地脈動速度均方根（RMS 值）、噪聲信號功率譜密度以及臺基噪聲年變化。結(jié)果表明，BBVS-120 數(shù)字地震儀狀態(tài)良好，連云港臺臺基噪聲達到Ⅰ類臺基水平。通過對比分析連云港臺白天和夜晚的功率譜，發(fā)現(xiàn)該臺日夜的噪聲差值約3 dB。

連云港臺人為干擾主要來自周圍基礎(chǔ)建設(shè)、旅游旺季景區(qū)人員聚集和車輛通行，自然干擾主要是大風(fēng)帶動樹木搖晃對地震計的干擾。在進行數(shù)據(jù)處理時，務(wù)必剔除人為干擾和風(fēng)擾等，以便為地震研究提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。