連云港地震臺(tái)臺(tái)基噪聲與干擾源分析

立 凱 瞿 旻 秦 磊 曾 智

1）中國(guó)江蘇 222061 連云港地震臺(tái)

2）中國(guó)南京 210014 江蘇省地震局

0 引言

近年來(lái)，隨著觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，臺(tái)基噪聲水平分析成為評(píng)估地震臺(tái)站運(yùn)行質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)一個(gè)地區(qū)地噪聲水平的正確評(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)。采用概率密度函數(shù)（probability density function，縮寫(xiě)為PDF）（McNamara et al，2004）方法，直接使用連續(xù)波形計(jì)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(tái)站、臺(tái)網(wǎng)一般采用PDF 方法實(shí)時(shí)監(jiān)控地震儀器變化。

臺(tái)基噪聲水平隨時(shí)間而變化，利用臺(tái)基噪聲功率譜分析干擾源，通過(guò)觀察臺(tái)站的實(shí)際觀測(cè)環(huán)境，提出有效降低背景噪聲的改善措施，提高地震臺(tái)站觀測(cè)質(zhì)量。連云港臺(tái)地處江蘇省北部云臺(tái)山山脈，臺(tái)基基巖完整，為花崗片麻巖，放大倍數(shù)高，觀測(cè)環(huán)境較好。2013年連云港地震臺(tái)安裝BBVS-120 數(shù)字地震儀。儀器運(yùn)行以來(lái)穩(wěn)定性較好。隨著時(shí)間的推移，有必要對(duì)BBVS-120 數(shù)字地震儀背景噪聲功率譜密度曲線、噪聲地動(dòng)加速度均方根值（RMS值）、有效測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍以及臺(tái)站地動(dòng)噪聲年變化進(jìn)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(jì)算方法與原理

臺(tái)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(lái)表示的。目前一般采用經(jīng)典的Welch 算法進(jìn)行分析，包括對(duì)信號(hào)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(jī)信號(hào)只能用統(tǒng)計(jì)平均量來(lái)表示，功率譜密度是描述隨機(jī)信號(hào)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的重要特征參量。對(duì)于寬頻帶地震臺(tái)站，一般按照1 h 長(zhǎng)度截取數(shù)據(jù)段進(jìn)行計(jì)算。以連云港地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)連云港臺(tái)）3 個(gè)分向每小時(shí)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)為樣本，采用Welch 方法計(jì)算三分向加速度功率譜，以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，按照1 dB 的區(qū)間大小進(jìn)行幅度網(wǎng)格劃分，覆蓋范圍一般為-200— -60 dB，計(jì)算出一定時(shí)間段（1 月）內(nèi)功率譜在頻率點(diǎn)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(jìn)行平滑處理（立凱等，2021）。

觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍決定了一個(gè)臺(tái)站可以記錄地震事件大小的范圍，可通過(guò)噪聲功率譜RMS 值，進(jìn)而計(jì)算臺(tái)站的觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍，計(jì)算公式為：

式中，R為數(shù)采量程，RMS 為臺(tái)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(tái)2019 年數(shù)據(jù)記錄為例，提取三分向每小時(shí)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)月功率譜密度函數(shù)，各分向RMS 值取中值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，概率密度函數(shù)PDF 圖見(jiàn)圖1。

圖1 2019 年連云港臺(tái)臺(tái)基地動(dòng)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(tái)2019 年1—20 Hz 平均地動(dòng)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(tái)觀測(cè)規(guī)范要求，以臺(tái)基背景噪聲在1—20 Hz 頻帶范圍的地動(dòng)速度噪聲RMS 值作為臺(tái)址勘選的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2003）。具體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為：Ⅰ類(lèi)臺(tái)基噪聲水平RMS ＜3.16×10-8m/s；Ⅱ類(lèi)臺(tái)基噪聲水平3.16×10-8m/s ≤RMS ＜1.00×10-7m/s；Ⅲ類(lèi)臺(tái)基噪聲水平1.00×10-7m/s ≤RMS ＜3.16×10-7m/s；Ⅳ類(lèi)臺(tái)基噪聲水平3.16×10-7m/s ≤RMS ＜1.00×10-6m/s；Ⅴ類(lèi)臺(tái)基噪聲水平1.00×10-6m/s ≤RMS ＜3.16×10-6m/s。由表1 所示計(jì)算結(jié)果可知，連云港臺(tái)臺(tái)基背景噪聲水平全年處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，達(dá)到Ⅰ類(lèi)臺(tái)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(tái)背景噪聲水平，選取2019 年6—7 月數(shù)據(jù)記錄作為研究對(duì)象，分析背景噪聲特征。計(jì)算樣本數(shù)據(jù)時(shí)遵循以下原則：①以消除地震信號(hào)對(duì)噪聲計(jì)算的影響，剔除帶有地震信號(hào)的數(shù)據(jù)；②選取夜晚的噪聲差別，分別選取夜晚00 時(shí)至04 時(shí)、白天11時(shí)至14 時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(jì)算每條樣本的噪聲功率譜值，平均噪聲功率譜值及有效動(dòng)態(tài)范圍結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 白天和夜間平均地動(dòng)噪聲RMS 值（1—20 Hz）和平均有效測(cè)量動(dòng)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(duì)比分析結(jié)果可知，日間噪聲水平較高，通過(guò)有效測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可見(jiàn)日夜差值在3 dB 左右，究其原因?yàn)椋B云港臺(tái)地處花果山景區(qū)，白日旅游車(chē)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(tái)背景噪聲干擾源，調(diào)查周?chē)h(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(tái)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(lèi)活動(dòng)引起的環(huán)境噪聲，例如車(chē)輛干擾、基建干擾等，其中車(chē)輛干擾為常見(jiàn)干擾。連云港臺(tái)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(tái)波形記錄及噪聲功率譜密度曲線，明顯可見(jiàn)，干擾主要分布在10—20 Hz 頻段。人類(lèi)活動(dòng)是臺(tái)站噪聲主要來(lái)源，保護(hù)觀測(cè)環(huán)境是臺(tái)站工作的重要任務(wù)，可以通過(guò)科普宣傳、法律保護(hù)等加強(qiáng)觀測(cè)環(huán)境保護(hù)。針對(duì)不可避免的人為干擾，連云港臺(tái)采取了一些改善措施，例如購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)業(yè)的地震計(jì)防護(hù)罩、改造測(cè)震擺房等。

圖2 2019 年5 月連云港臺(tái)車(chē)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(lái)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(shù)或高大建筑物隨風(fēng)搖擺，地震計(jì)周?chē)諝饬鲃?dòng)，均會(huì)引起長(zhǎng)周期噪聲。連云港臺(tái)背靠山脊，周?chē)L(zhǎng)著大量的樹(shù)木，且沿海地區(qū)常年大風(fēng)，起風(fēng)時(shí)樹(shù)木搖晃造成干擾。圖3 給出該臺(tái)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(jiàn)大風(fēng)造成約0.5 Hz 的長(zhǎng)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(tái)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(guò)對(duì)連云港數(shù)字地震臺(tái)站BBVS-120 觀測(cè)儀器的2019 年度臺(tái)基噪聲分析與計(jì)算，得出該臺(tái)背景噪聲地脈動(dòng)速度均方根（RMS 值）、噪聲信號(hào)功率譜密度以及臺(tái)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(tái)臺(tái)基噪聲達(dá)到Ⅰ類(lèi)臺(tái)基水平。通過(guò)對(duì)比分析連云港臺(tái)白天和夜晚的功率譜，發(fā)現(xiàn)該臺(tái)日夜的噪聲差值約3 dB。

連云港臺(tái)人為干擾主要來(lái)自周?chē)A(chǔ)建設(shè)、旅游旺季景區(qū)人員聚集和車(chē)輛通行，自然干擾主要是大風(fēng)帶動(dòng)樹(shù)木搖晃對(duì)地震計(jì)的干擾。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，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)。