DS—4A地震計(jì)傳遞函數(shù)實(shí)測(cè)

摘 要：地震計(jì)的特性是用傳遞函數(shù)來表達(dá)的，如果知道地震計(jì)的傳遞函數(shù)，就可以知道地震計(jì)的一切。作為設(shè)備使用者，他們關(guān)心的并不是地震計(jì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如何，而是關(guān)心該設(shè)備的特性和基本參數(shù)。地震計(jì)參數(shù)的測(cè)定是為了正確描述傳遞函數(shù)各變量系數(shù)和常量項(xiàng)，而標(biāo)定則是為了驗(yàn)證傳遞函數(shù)表達(dá)式的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)因外界環(huán)境和時(shí)間變化產(chǎn)生的偏差，并驗(yàn)證該系統(tǒng)是否工作在精度允許的范圍之內(nèi)。本文主要針對(duì)DS-4A型地震計(jì)的特性進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證其傳遞函數(shù)表達(dá)式的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：地震計(jì) 檢測(cè) 方法

中圖分類號(hào)：P315.62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（b）-0241-03

地震計(jì)是直接感知地面運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，他的特性在很大程度上直接體現(xiàn)數(shù)字觀測(cè)技術(shù)水平的高低。我們熟悉的數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)一般是由地震計(jì)、數(shù)據(jù)采集器、記錄儀、傳輸設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等組成。該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)主要由地震計(jì)傳遞函數(shù)、模擬放大器及濾波器傳遞函數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)等幾個(gè)部分乘積組成。在整個(gè)系統(tǒng)中，除地震計(jì)以外其它設(shè)備的傳遞函數(shù)基本不會(huì)因?yàn)榘惭b或者調(diào)試等外部條件變化而變化，只有地震計(jì)是由機(jī)械和電子電路兩部分混合而成，一般來說，由于地震計(jì)裝配的離散性以及機(jī)械部分受力而發(fā)生變化，導(dǎo)致地震計(jì)參數(shù)發(fā)生變化，從而影響觀測(cè)系統(tǒng)在地震臺(tái)的正常工作。因此，一般檢查數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)主要是檢查地震計(jì)的傳遞函數(shù)是否有偏差。而地震計(jì)傳遞函數(shù)的計(jì)算主要是利用測(cè)試信號(hào)來確定和檢查。也就是說，在時(shí)域或頻域里求得某一輸入信號(hào)或一組已知信號(hào)的響應(yīng)，最后根據(jù)該響應(yīng)用某種方法求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

DS-4A地震計(jì)是由北京賽斯米克地震科技發(fā)展中心生產(chǎn)，該地震計(jì)是一種有源的、三分向?yàn)橐惑w的速度型短周期反饋式地震計(jì)。他的原始自振周期為6Hz，經(jīng)過電子反饋，成為等效周期為1s的地震計(jì)。頻帶從1Hz到50Hz。該設(shè)備出廠時(shí)是經(jīng)過嚴(yán)格的震動(dòng)臺(tái)測(cè)試，其傳遞函數(shù)也作為說明書的一部分給出來。但在實(shí)際使用過程中，由于搬運(yùn)、安裝以及調(diào)試過程中多少會(huì)影響設(shè)備本身的一些特性，因此在實(shí)際應(yīng)用中有必要對(duì)該設(shè)備進(jìn)行一些檢查和測(cè)試，確保其工作的基本特性保持在正常狀態(tài)，同時(shí)也將測(cè)試得出的基本參數(shù)提供給資料使用者，讓觀測(cè)資料使用者能詳細(xì)地了解地震觀測(cè)儀的各項(xiàng)參數(shù)。目前我們拿到該公司生產(chǎn)的設(shè)備編號(hào)為409的DS-4A地震計(jì)。本文主要針對(duì)該編號(hào)地震計(jì)進(jìn)行測(cè)試和檢查。

1 檢測(cè)地震計(jì)的常用方法

目前地震計(jì)頻率特性的測(cè)試主要采用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種方法。穩(wěn)態(tài)方法主要有振動(dòng)臺(tái)檢測(cè)和正弦波激勵(lì)兩種；瞬態(tài)方法是在地震計(jì)的標(biāo)定線圈加寬頻帶信號(hào)，分析響應(yīng)得出地震計(jì)的頻率特性[1]。瞬態(tài)方法采用的信號(hào)主要有階躍信號(hào)、脈沖信號(hào)、高階脈沖信號(hào)、白噪聲以及偽隨機(jī)二進(jìn)制序列等。

穩(wěn)態(tài)方法測(cè)試精度比較高。但是，不管是振動(dòng)臺(tái)檢測(cè)還是正弦波激勵(lì)地震計(jì)標(biāo)定線圈，都存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：（1）只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行；（2）實(shí)驗(yàn)操作整個(gè)過程太麻煩；（3）整體測(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)；（4）相頻誤差大，特別是高頻部分，頻率越高誤差越大；（5）高頻測(cè)試會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象等。由于穩(wěn)態(tài)方法測(cè)試存在這些缺點(diǎn)，而這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約著設(shè)備使用者對(duì)地震計(jì)頻率特性的測(cè)試。因此，作為用戶，我們一般采用比較多的是瞬態(tài)方法。該方法可以因地制宜，根據(jù)地震計(jì)本身的特點(diǎn)，利用不同的信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試和檢查。

2.2 偽隨機(jī)二進(jìn)制碼標(biāo)定

偽隨機(jī)二進(jìn)制碼也叫偽隨機(jī)序列（或者叫偽噪聲序列）。他的定義是：結(jié)構(gòu)可以預(yù)先確定，可重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，具有某種隨機(jī)序列隨機(jī)特性的序列碼。所謂“隨機(jī)碼”，就是無(wú)論這個(gè)碼有多長(zhǎng)都不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)的現(xiàn)象，而“偽隨機(jī)碼”在碼長(zhǎng)達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)從其第一位開始循環(huán)，由于出現(xiàn)的循環(huán)長(zhǎng)度相當(dāng)大，重復(fù)的可能性就比較小，所以可以當(dāng)成隨機(jī)碼使用。偽隨機(jī)數(shù)并不是假隨機(jī)數(shù)，這里的“偽”是有規(guī)律的意思，就是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)既是隨機(jī)的又是有規(guī)律的。

說到偽隨機(jī)二進(jìn)制碼標(biāo)定，不得不說白噪聲信號(hào)標(biāo)定。白噪聲過程是一個(gè)最簡(jiǎn)單的隨機(jī)過程，是一種均值為零、普密度為非零的平穩(wěn)隨機(jī)過程。但該信號(hào)有產(chǎn)生困難、產(chǎn)生時(shí)間過長(zhǎng)以及數(shù)據(jù)量大等缺點(diǎn)。為了克服白噪聲信號(hào)的缺點(diǎn)作為測(cè)試信號(hào)，偽隨機(jī)二進(jìn)制碼就是針對(duì)白噪聲的隨機(jī)特性演化而來。偽隨機(jī)二進(jìn)制碼信號(hào)的相關(guān)函數(shù)與白噪聲的相關(guān)函數(shù)相類似，但偽隨機(jī)二進(jìn)制碼有一個(gè)重復(fù)周期。

4 結(jié)論

從以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，DS-4A的高頻特性至少需要用三個(gè)極點(diǎn)來描述。而上面UD向系統(tǒng)辯識(shí)結(jié)果也可得出這樣的結(jié)論，系統(tǒng)辯識(shí)結(jié)果可以這樣解釋：5個(gè)零點(diǎn)中只有原點(diǎn)上的2個(gè)是實(shí)質(zhì)的地震計(jì)零點(diǎn)，2個(gè)主極點(diǎn)表示地震計(jì)的工作頻率特性，還有3個(gè)極點(diǎn)表示地震計(jì)的高頻特性，另3個(gè)零點(diǎn)與極點(diǎn)則是由于存在數(shù)據(jù)記錄噪聲及電路參數(shù)的微小偏差產(chǎn)生的。

參考文獻(xiàn)

[1] 李海亮.地震計(jì)傳遞函數(shù)精確測(cè)定研究.中國(guó)地震局地球物理研究所博士學(xué)位論文[D].2000，8，

[2] 中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.數(shù)字地震觀測(cè)技術(shù)[M].地震出版社出版.