連云港地震臺(tái)BBVS -120、CTS-1E型地震計(jì)系統(tǒng)性能對(duì)比

立凱 秦磊 曾智 孫雷

（中國(guó)江蘇 222061 連云港地震臺(tái)）

0 引言

連云港地震臺(tái)屬于國(guó)家臺(tái)。目前，連云港地震臺(tái)有BBVS-120、CTS-1 型2 套測(cè)震儀器，其中，CTS-1 型地震計(jì)已運(yùn)行十幾年，BBVS-120 型地震計(jì)經(jīng)過多次更新、更換，截至2019 年，BBVS-120 型地震計(jì)已在網(wǎng)運(yùn)行約3 年。本研究通過對(duì)連云港地震臺(tái)相鄰臺(tái)基上同時(shí)運(yùn)行的2 套觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)性能分析，包括計(jì)算2 套儀器臺(tái)基噪聲功率譜密度、處理分析正弦波和脈沖標(biāo)定數(shù)據(jù)、分析對(duì)比典型近遠(yuǎn)震震級(jí)等，對(duì)2 套觀測(cè)系統(tǒng)的性能差異及原因進(jìn)行探討，以期為今后地震監(jiān)測(cè)工作提供一定的數(shù)據(jù)支持（段紹鑫等，2019）。

1 觀測(cè)環(huán)境與儀器參數(shù)

連云港地震臺(tái)始建于1976 年，位于江蘇省東北部連云港臺(tái)山麓，海拔高程約30 m，該臺(tái)臺(tái)基基巖完整，儀器放大倍率高，觀測(cè)環(huán)境好，能有效監(jiān)測(cè)100 km 范圍內(nèi)的ML≥1.0 地震，對(duì)黃海海域及山東北部地區(qū)的地震活動(dòng)也有一定的監(jiān)測(cè)能力。臺(tái)站所處區(qū)域在大地構(gòu)造分區(qū)中隸屬揚(yáng)子斷塊與華北斷塊之間的蘇北—魯南塊體；南以嘉山—響水?dāng)嗔褳榻纾髋c郯廬斷裂帶為鄰，東瀕黃海。臺(tái)站附近主要斷裂為NE 向猴嘴—南城斷裂、新河—桑墟斷裂，地形受構(gòu)造控制明顯。臺(tái)址基巖屬前寒武系云臺(tái)山組中段，巖性為花崗片麻巖。巖層走向NE—SW，傾向SE，傾角約35°（國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1990）。連云港地震臺(tái)測(cè)震觀測(cè)儀器基本信息見表1。

表1 連云港地震臺(tái)觀測(cè)儀器設(shè)備及參數(shù)Table 1 The parameters for contrast observations at Lianyungang Seicmic Station

2 臺(tái)基噪聲功率譜

2.1 功率譜分析計(jì)算方法

近年來，隨著地震觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，臺(tái)基噪聲水平的分析已成為評(píng)估地震臺(tái)站運(yùn)行質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)1 個(gè)地區(qū)臺(tái)基噪聲水平的正確評(píng)估和全面了解成為進(jìn)一步改善地震觀測(cè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。臺(tái)基噪聲水平是以背景噪聲的加速度功率譜（PSD）的概率密度函數(shù)（PDF）來表示的，基本計(jì)算方法：以各臺(tái)站3 個(gè)分向每小時(shí)的連續(xù)記錄數(shù)據(jù)為樣本，首先采用WELCH 方法在全頻段內(nèi)計(jì)算信號(hào)的加速度功率譜，再按1/8 倍頻為單位間隔滑動(dòng)計(jì)算每條樣本的平均功率譜。在實(shí)際運(yùn)用中，為了提高功率譜估計(jì)的精度，采用WELCH 方法，它包括對(duì)信號(hào)重疊分段、加窗函數(shù)和FFT 算法等。

2.2 數(shù)據(jù)的選取與處理結(jié)果

選取2019 年5 月1 日1:00—2:00 的BBVS-120、CTS-1 型地震計(jì)1 h 波形數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本。選取較安靜時(shí)段的資料可以避開一些不必要的干擾，并保證所選取的時(shí)間段沒有地震事件，對(duì)2 套儀器進(jìn)行同一時(shí)間段的噪聲功率譜計(jì)算。對(duì)地震連續(xù)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分道計(jì)算繪制出噪聲功率譜密度曲線和計(jì)算噪聲的結(jié)果，并繪制BBVS-120、CTS-1 型觀測(cè)系統(tǒng)的噪聲功率譜密度曲線?；居?jì)算方法如下：①以臺(tái)站3 個(gè)分向每小時(shí)的連續(xù)記錄數(shù)據(jù)為樣本，首先進(jìn)行去除記錄數(shù)據(jù)中的線性趨勢(shì)、去均值等處理，將每小時(shí)計(jì)算樣本分成13 段，為盡量降低噪聲PSD 的方差,每段數(shù)據(jù)之間重合率取50%；②用FFT 方法計(jì)算每段功率譜PSD，再根據(jù)儀器的傳遞函數(shù)在頻域里扣除儀器響應(yīng)，最后的每小時(shí)功率譜密度值是由13 段功率譜密度值取平均值后得到的，這種方法最大程度地減少了重疊后“頻譜泄露”效應(yīng)，增加了頻峰的寬度；③將計(jì)算得到的PSD 再按1/8 倍頻為單位間隔滑動(dòng)地計(jì)算每條樣本的平均功率譜，為了與全球新高模型(NHNM)、新低模型（NLNM）進(jìn)行對(duì)比，將功率譜密度值換算成dB 為單位的數(shù)值進(jìn)行繪圖分析（立凱等，2021）。

2.3 噪聲功率譜的分析

圖1 分別為CTS-1、BBVS-120 型地震計(jì)的三分向地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線對(duì)比圖。由圖1 可見，連云港地震臺(tái)2 套儀器都在地球低噪聲新模型（NLNM）和地球高噪聲新模型（NHNM）之間，說明2 套儀器的背景噪聲都滿足觀測(cè)要求。根據(jù)數(shù)字地震測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)技術(shù)規(guī)范要求，規(guī)定臺(tái)基背景噪聲在1—20 Hz 頻帶范圍內(nèi)的地動(dòng)速度噪聲RMS 值作為臺(tái)址勘選的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，2 套儀器所得結(jié)果均符合Ⅰ類臺(tái)基標(biāo)準(zhǔn)，即RMS ＜3.16×10-8m/s，計(jì)算結(jié)果詳見表2。由圖1 還可見，在低頻段0.1Hz 以下頻段，2 套儀器的噪聲功率譜密度曲線差別不大，BBVS-120 型略優(yōu)于CTS-1 型地震計(jì)，表明2 臺(tái)儀器對(duì)遠(yuǎn)震的記錄相差不大；在0.1—1.0 Hz 頻段，2 套儀器的差別不大，幾乎一致，因?yàn)榇祟l段主要反映的是微震帶動(dòng)特征，主要體現(xiàn)的是海洋噪聲水平；在1—20 Hz 頻帶范圍內(nèi)，CTS-1 型地震計(jì)的噪聲略高于BBVS-120 型，2 套儀器的垂直向噪聲均優(yōu)于水平向，NS 向噪聲比其他分向大的主要原因是連云港地震臺(tái)背靠大山，在其北面100 m 處有1 條公路，車輛和人員活動(dòng)的干擾造成NS 向噪聲比其他分向偏大，整體上2 套儀器的噪聲水平都較穩(wěn)定，說明連云港地震臺(tái)臺(tái)基噪聲水平較好，周圍環(huán)境和人為干擾較小，這為今后2 套儀器并行處理地震數(shù)據(jù)提供了良好條件。

圖1 2019 年5 月1 日1:00—2:00 連云港地震臺(tái)地動(dòng)噪聲功率譜密度（a）CTS-1 型；（b）BBVS-120 型Fig.1 Comparison of noise power spectral curves of CTS-1 and BBVS-120 seismometers

表2 噪聲功率譜計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of noise power spectrum

3 標(biāo)定信號(hào)的處理與分析

3.1 脈沖標(biāo)定

隨著時(shí)間的推移和周圍環(huán)境的變化與干擾，地震計(jì)的性能會(huì)逐漸變化，因此地震計(jì)需要定期進(jìn)行脈沖標(biāo)定來檢驗(yàn)地震計(jì)是否運(yùn)行正常，參數(shù)是否符合規(guī)范要求，脈沖標(biāo)定是檢查地震計(jì)是否正常工作的有效手段之一。通過對(duì)記錄的脈沖波形進(jìn)行分析，可以掌握儀器所處的工作狀況，較全面了解儀器長(zhǎng)期工作中參數(shù)的穩(wěn)定性，并可據(jù)其進(jìn)行一些儀器性能方面的研究。對(duì)連云港地震臺(tái)2 套儀器2019 年1 月脈沖標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的結(jié)果如表3 所示。

表3 地震計(jì)脈沖標(biāo)定結(jié)果Table 3 Pulse calibration results of seismometers

由表3 可見，2 套地震計(jì)變化率都滿足小于5%的系統(tǒng)標(biāo)定要求。但是CTS-1 型垂直向的阻尼變化率達(dá)到了4.5%，手動(dòng)鎖擺開擺之后并沒有改善，推測(cè)應(yīng)為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，擺房夏季濕度較大，里面的電路板霉變，需要開擺更換維修，但目前臺(tái)站不具備此條件，有待以后繼續(xù)跟蹤分析。由2 套地震計(jì)2019 年1 月脈沖結(jié)果可知，由于CTS-1 型地震計(jì)老化較嚴(yán)重，其靈敏度變化率較大。BBVS-120 型地震計(jì)的靈敏度變化率一直較穩(wěn)定，故目前臺(tái)站主要使用BBVS-120 型地震計(jì)，CTS-1 型地震計(jì)為備用儀器，以提高連云港地震臺(tái)連續(xù)記錄觀測(cè)質(zhì)量。

3.2 正弦標(biāo)定

對(duì)連云港地震臺(tái)BBVS-120、CTS-1 型地震計(jì)進(jìn)行靈敏度正弦標(biāo)定，BBVS-120 型正弦標(biāo)定頻點(diǎn)有12 個(gè)，CTS-1 型的正弦標(biāo)定頻點(diǎn)有3 個(gè)，表4 為靈敏度正弦標(biāo)定結(jié)果。由表4 可見，2 套儀器運(yùn)行情況均良好，結(jié)果符合規(guī)范要求。

表4 地震計(jì)正弦標(biāo)定結(jié)果Table 4 Sinusoidal calibration results of seismometers

4 近震、遠(yuǎn)震震級(jí)對(duì)比

通過對(duì)連云港地震臺(tái)BBVS-120、CTS-1 型地震計(jì)的近遠(yuǎn)震進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)（表5、6），總體來說，2 套地震計(jì)運(yùn)行狀態(tài)都較好，在記錄近震和遠(yuǎn)震震級(jí)大小方面2 套儀器的差別不大，但是2 套儀器都存在一定的誤差，故震級(jí)矯正需要大量的震例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以建立連云港地震臺(tái)的震級(jí)校正值，解決震級(jí)偏大偏小的問題。

表5 近震震級(jí)對(duì)比Table 5 Comparison of magnitudes of near earthquakes

表6 遠(yuǎn)震震級(jí)對(duì)比Table 6 Comparison of magnitudes of teleseismic events

5 結(jié)論

通過對(duì)連云港地震臺(tái)BBVS-120、CTS-1 型地震計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，2 套儀器運(yùn)行狀態(tài)都較好，均能滿足臺(tái)站日常觀測(cè)運(yùn)行要求；2 套儀器背景噪聲功率譜均滿足國(guó)家Ⅰ類臺(tái)站的要求，正弦標(biāo)定、脈沖標(biāo)定結(jié)果均符合國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)要求；2 套儀器在記錄近震、遠(yuǎn)震震級(jí)方面差別不大，都存在一定的誤差?？傊?，BBVS-120、CTS-1 型地震計(jì)都有較好的運(yùn)行質(zhì)量和穩(wěn)定性。在今后的臺(tái)站觀測(cè)工作中，需進(jìn)一步改善地震計(jì)的觀測(cè)環(huán)境，提高2 套儀器的觀測(cè)精度。