摘 要：【目的】分析內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟寶昌地震臺(tái)、二連浩特地震臺(tái)和錫林浩特地震臺(tái)等三個(gè)臺(tái)站測(cè)震背景噪聲等級(jí)和受干擾因素。【方法】通過(guò)計(jì)算臺(tái)站記錄波形地脈動(dòng)噪聲功率譜、觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍、地動(dòng)噪聲有效RMS值等地脈動(dòng)參數(shù)，對(duì)臺(tái)站的背景噪聲變化特征進(jìn)行綜合分析。【結(jié)果】計(jì)算得出了三個(gè)臺(tái)站波形數(shù)據(jù)功率譜密度PSD、臺(tái)基噪聲RMS值、有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍D，并進(jìn)行了定量分析。【結(jié)論】三個(gè)臺(tái)站皆為Ⅰ級(jí)臺(tái)基條件，測(cè)震記錄皆具有正常的監(jiān)測(cè)能力與可靠性。三個(gè)臺(tái)站受人文噪聲影響較為明顯。

關(guān)鍵詞：背景噪聲；噪聲功率譜；RMS值；臺(tái)基條件；人文噪聲

中圖分類(lèi)號(hào)：P315" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）21-0099-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.022

Comparative Analysis on Background Noise at the Platform Base of Three Seismic Stations in Xilingol League

WEN Jinlong1 JIA Yanjie1 BAO Wenchao1 BAI Shaoqi1 GUO Ye1

（Xilinhot Earthquake Monitoring Center Station， Xilinhot 026000，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to analyze the seismic background noise level and Confounding of Baochang Seismic Station， Erlianhaote Seismic Station and Xilinhaote Seismic Station in Xilingol League， Inner Mongolia. [Methods] By calculating the power spectrum of ground motion noise recorded by the station， observing the dynamic range， effective RMS value of ground motion noise， and other ground motion parameters， the background noise variation characteristics of the station are comprehensively analyzed. [Findings] The power Spectral density PSD of waveform data， the RMS value of base noise， and the effective observation dynamic range D of the three stations were calculated， and the quantitative analysis was carried out. [Conclusion] The three stations are all Level I base conditions， and the seismic records have normal monitoring ability and reliability. The three stations are significantly affected by human noise.

Keywords： background noise; noise power spectrum; RMS value; platform foundation conditions; humanistic noise

0 引言

地震臺(tái)站的背景噪聲水平直接決定了臺(tái)站的地震記錄能力。臺(tái)站環(huán)境背景噪聲通常是指因風(fēng)、寒潮、海浪、交通運(yùn)輸、人和動(dòng)物的活動(dòng)等因素使地球表面出現(xiàn)的微小震動(dòng)，進(jìn)而對(duì)地震觀測(cè)產(chǎn)生干擾并影響地震觀測(cè)效果^［1］。地震臺(tái)站連續(xù)觀測(cè)波形的功率譜密度概率分布，對(duì)背景噪聲有較好反應(yīng)，可分析出臺(tái)站的地震監(jiān)測(cè)水平。本研究擬通過(guò)對(duì)比內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟境內(nèi)寶昌地震臺(tái)、二連浩特地震臺(tái)和錫林浩特地震臺(tái)等三個(gè)不同觀測(cè)環(huán)境臺(tái)站所記錄數(shù)據(jù)的功率譜密度，定量分析三個(gè)臺(tái)站臺(tái)基背景噪聲之間的差異，計(jì)算動(dòng)態(tài)觀測(cè)范圍，研究背景噪聲對(duì)觀測(cè)性能的影響，從而更好地提升地震臺(tái)站監(jiān)測(cè)水平，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

寶昌地震臺(tái)、錫林浩特地震臺(tái)均屬于山洞臺(tái)基臺(tái)站，二連浩特地震臺(tái)屬于井下觀測(cè)。三個(gè)臺(tái)站測(cè)震系統(tǒng)分別為：CTS-1EF地震計(jì)、GL-S120B井下地震計(jì)和BBVS-120型地震計(jì)，配置的數(shù)據(jù)采集器型號(hào)為EDAS-24IP、EDAS-24GN。

1 原理及計(jì)算方法

功率譜密度（PSD）是定量評(píng)價(jià)地震臺(tái)站環(huán)境噪聲水平的常規(guī)參數(shù)。通過(guò)對(duì)隨機(jī)穩(wěn)態(tài)的離散地震數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，可估算地震噪聲功率譜密度值。功率譜密度PSD計(jì)算公式為式（1）^［2］。

式中：P_k為速度功率譜密度；Y_k為記錄有限范圍傅里葉變換；Δt為采樣間隔；N為事件序列的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

臺(tái)基背景噪聲測(cè)試中通常用臺(tái)站記錄的噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算自功率譜密度，并按特定帶寬計(jì)算噪聲（速度或加速度）有效值 RMS^［3］。臺(tái)基噪聲RMS值計(jì)算公式為式（2）。

式中：P為加速度或速度功率譜密度；f₀為分度倍程中心頻率；RBW為相對(duì)帶寬。

在觀測(cè)儀器自身性能不變的情況下，臺(tái)站有效動(dòng)態(tài)觀測(cè)范圍反映了臺(tái)基環(huán)境背景噪聲水平和儀器記錄地震信號(hào)的最大能力。地動(dòng)噪聲有效值即均方根振幅值RMS，在一定程度上表征臺(tái)基噪聲水平。計(jì)算公式為式（3）。

式中：D為觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍值；RMS值為脈動(dòng)噪聲的均方根值；U為輸入峰值電壓，V；K為數(shù)據(jù)采集器實(shí)際工作時(shí)的增益；S為地震計(jì)工作靈敏度，V·s/m。

2 數(shù)據(jù)選取及分析

本研究選取三個(gè)臺(tái)站2019—2021年1月1日，8月1日和11月1日0至4時(shí)連續(xù)波形數(shù)據(jù)的三分向數(shù)據(jù)，使用童汪練研發(fā)的基于PWelch方法的軟件，計(jì)算臺(tái)站記錄波形地脈動(dòng)噪聲功率譜、觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍、地動(dòng)噪聲有效RMS值等地脈動(dòng)參數(shù)，對(duì)臺(tái)站的背景噪聲變化特征進(jìn)行綜合分析。

2.1 PSD曲線分析

對(duì)寶昌臺(tái)CTS-1EF地震計(jì)、二連浩特地震臺(tái)GL-S120B井下地震計(jì)和錫林浩特地震臺(tái)BBVS-120型地震計(jì)的測(cè)震數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到三個(gè)地震臺(tái)2019—2021年0至4時(shí)噪聲功率譜密度PSD曲線（如圖1所示）。由圖1可知，在地震計(jì)觀測(cè)頻帶（0.008 3～40.000 0 Hz）內(nèi)，三個(gè)地震臺(tái)站背景噪聲功率基本處于新低噪聲模型NLNM和新高噪聲模型NHNM之間，且具有相對(duì)穩(wěn)定的分布和幅度。NHNM和NLNM反映了全球測(cè)震臺(tái)站的背景噪聲功率譜密度PSD的最高、最低水平^［4］。由此可見(jiàn)，三個(gè)地震臺(tái)站測(cè)震記錄具有正常的監(jiān)測(cè)能力與可靠性。在0.008 3～0.050 0 Hz的低頻段內(nèi)，錫林浩特地震臺(tái)和二連浩特地震臺(tái)水平向噪聲比垂直向噪聲分別大了30 dB和10 dB左右，兩水平向噪聲水平基本一致，而寶昌臺(tái)三個(gè)方向的噪聲基本一致。

在0.05～10 Hz中頻段內(nèi)三個(gè)臺(tái)站的噪聲譜更接近NLNM，證明在該頻段臺(tái)基噪聲水平較低（-160 dB～ -130 dB）。

在10～40 Hz的高頻段，三個(gè)臺(tái)站臺(tái)基噪聲功率譜幅度變化明顯，這個(gè)頻段的臺(tái)基噪聲主要受各類(lèi)近場(chǎng)干擾源和風(fēng)吹等高頻影響^［5］。該頻段內(nèi)噪聲功率譜密度下限為-145dB～ -120 dB，總體背景噪聲功率較低，利于地震觀測(cè)。

2.2 功率譜密度值分析

選取三個(gè)地震臺(tái)2019—2021年8月1日0至4時(shí)數(shù)字地震記錄，計(jì)算UD分量的1/3倍頻程帶寬（1～20 Hz）各頻段地動(dòng)噪聲平均RMS值及地動(dòng)噪聲功率譜密度，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，三個(gè)臺(tái)站地動(dòng)噪聲變化整體較穩(wěn)定，功率譜密度在-131.42～-140.08 dB。這說(shuō)明在1～20 Hz頻段內(nèi)，三個(gè)臺(tái)站受人文噪聲影響明顯^［6］。

2.3 臺(tái)基條件

2019—2021年0至4時(shí)三分向平均RMS值見(jiàn)表2，寶昌臺(tái)為8.16×10^-9 -6.57×10^-8 m/s，二連浩特臺(tái)為9.53×10^-9-1.12×10^-7m/s，錫林浩特臺(tái)為1.75×10^-8-7.08×10^-8m/s。按照《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求 第1部分：測(cè)震》^［7］中的環(huán)境地噪聲水平等級(jí)劃分，三個(gè)臺(tái)站皆為Ⅰ級(jí)臺(tái)基條件。

2.4 地震監(jiān)測(cè)能力

本研究隨機(jī)選取2019—2021年的三個(gè)地震，而該時(shí)間段三個(gè)臺(tái)站皆記錄到了地震（見(jiàn)表3），地動(dòng)噪聲與事件波形如圖2所示。由圖2可知，地震波最大振幅遠(yuǎn)大于平均地動(dòng)噪聲水平^［8］。

2.5 有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍分析

臺(tái)站的觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍反映了觀測(cè)儀器本身的性能和臺(tái)基背景干擾水平，而有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍可反映臺(tái)站記錄地震信號(hào)的最大能力^［9］。三個(gè)臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍如圖3所示，由圖3可知，臺(tái)基背景干擾水平與時(shí)間、周邊觀測(cè)環(huán)境有關(guān)。三個(gè)臺(tái)站的有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍穩(wěn)定，且測(cè)量范圍的下限接近皮特森模型的NLNM^［10］。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比寶昌地震臺(tái)、二連浩特地震臺(tái)和錫林浩特地震臺(tái)波形數(shù)據(jù)功率譜密度PSD、臺(tái)基噪聲RMS值、有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍D，定量分析得出三個(gè)臺(tái)站測(cè)震數(shù)據(jù)背景噪聲具有如下特征。

①三個(gè)地震臺(tái)的臺(tái)基噪聲在0.008 3～0.05 Hz的低頻段內(nèi)，錫林浩特地震臺(tái)和二連浩特地震臺(tái)水平向噪聲比垂直向大，兩水平向噪聲水平基本一致，而寶昌臺(tái)三個(gè)方向的噪聲基本一致。三個(gè)臺(tái)站受人文噪聲影響較為明顯。

②三個(gè)臺(tái)站測(cè)震數(shù)據(jù)背景噪聲的有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍穩(wěn)定，且測(cè)量范圍的下限接近皮特森模型的NLNML。

③三個(gè)臺(tái)站皆為Ⅰ級(jí)臺(tái)基條件，測(cè)震記錄皆具有正常的監(jiān)測(cè)能力與可靠性。

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收稿日期：2023-06-08

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局局長(zhǎng)基金項(xiàng)目（2022JC14）。

作者簡(jiǎn)介：文金龍（1985—），男，本科，助理工程師，研究方向：地震監(jiān)測(cè)工作。