不同供電方式對(duì)測(cè)震波形記錄影響的對(duì)比分析

李小軍，李冬圣，蔡玲玲，李文軍，武有文

（1.河北省地震局，石家莊 050021；2.承德地震中心臺(tái)，河北 承德 067000）

0 引言

地震觀測(cè)是地震速報(bào)、地震應(yīng)急、地震科學(xué)研究等的首要環(huán)節(jié)，地震觀測(cè)波形的記錄質(zhì)量直接關(guān)系到數(shù)據(jù)使用的可靠性及便捷性［1－2］。測(cè)震學(xué)科中，在地震專(zhuān)業(yè)設(shè)備如地震計(jì)、數(shù)據(jù)采集器等技術(shù)相對(duì)比較成熟的大背景下，本文通過(guò)對(duì)比和分析不同供電對(duì)地震計(jì)波形記錄的影響，就如何進(jìn)一步提高測(cè)震波形記錄質(zhì)量，及供電方式的選擇與策略方面給出了一定參考。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)及電源供電方式

專(zhuān)業(yè)設(shè)備技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成：FBS－3B寬頻帶地震計(jì)（雙端輸出，周期20s，電壓靈敏度1 000V·s／m）與EDAS－24IP數(shù)據(jù)采集器（雙端輸入，±20V，100 Hz）（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

參與對(duì)比研究的供電方式：開(kāi)關(guān)電源供電、DZ－2地震專(zhuān)業(yè)電源供電、蓄電池供電、線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源供電。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理方法

在不同的供電方式下，用1臺(tái)六通道的EDAS－24IP數(shù)據(jù)采集器同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間采集FBS－3B地震計(jì)的輸出信號(hào)及供電設(shè)備的直流輸出信號(hào)，六通道采樣頻率均為，對(duì)不同供電模式選取相同時(shí)段記錄數(shù)據(jù)分別計(jì)算功率譜密度，并采用相關(guān)性分析得出地震計(jì)各方向記錄信號(hào)與電源輸出之間的平方相關(guān)函數(shù)。

功率譜密度估計(jì)是使用有限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，給出信號(hào)、隨機(jī)過(guò)程的頻率成分分布的描述。為隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，是的Fourier變換，稱(chēng)為的自功率譜密度（自功率譜），是信號(hào)的平均功率相對(duì)頻率的分布函數(shù)，具體見(jiàn)公式（1）。

平方相關(guān)函數(shù)又稱(chēng)為相關(guān)函數(shù)（coherence function），如公式（2）：

式中：Pxy（ω）是x（t）和y（t）的互功率譜密度；Pxx（ω）、Pyy（ω）分別為x（t）、y（t）的自功率譜密度；相關(guān)函數(shù)Cxy（ω）為0～1的實(shí)數(shù)，用Cxy（ω）來(lái)檢測(cè)信號(hào)x（t）和y（t）在頻域內(nèi)的相關(guān)程度。若y（t）為x（t）的線(xiàn)性響應(yīng)，則Cxy（ω）＝1，若x（t）和y（t）完全不相關(guān)，則Cxy（ω）＝0，通常的測(cè)試過(guò)程中0 ＜Cxy（ω）＜1，表明：x（t）和y（t）不完全是線(xiàn)性相關(guān)的；系統(tǒng)輸出y（t）是由x（t）和其他信號(hào)共同得到的；在輸出端有噪聲干擾混入［3］。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理

2.1 采用開(kāi)關(guān)電源直接供電

近年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源以其頻率高、效率高、體積小、輸出穩(wěn)定等特征被廣泛應(yīng)用，但由于開(kāi)關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)，并且開(kāi)關(guān)電源的電流變化率和電壓變化率都很高，使得開(kāi)關(guān)電源存在易產(chǎn)生較強(qiáng)電磁干擾（EMI）信號(hào)的情況。EMI信號(hào)不但具有很寬的頻率范圍，還具有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾［4］。在測(cè)震地動(dòng)噪聲中經(jīng)常看到的波形粗且不清晰現(xiàn)象，很多就是由于電源的MOSFET 功率開(kāi)關(guān)在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰脈沖導(dǎo)致的［5－6］。在圖2中可以看出，在開(kāi)關(guān)電源供電的模式下，地震計(jì)三分向輸出信號(hào)的功率譜密度在3Hz和38Hz左右出現(xiàn)了較高值，說(shuō)明地震計(jì)三分向輸出的信號(hào)在3 Hz和38Hz左右具有較高能量；開(kāi)關(guān)電源輸出信號(hào)的功率譜密度在5Hz以后變化趨勢(shì)較緩，且都在地震計(jì)三分向輸出信號(hào)以下。圖3中將地震計(jì)三分向輸出信號(hào)分別與開(kāi)關(guān)電源的輸出信號(hào)進(jìn)行了互相關(guān)計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以看出地震計(jì)三分向輸出信號(hào)在1 Hz附近和45Hz以后才與開(kāi)關(guān)電源的輸出信號(hào)有較高的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明圖2中地震計(jì)三分向輸出信號(hào)的功率譜密度在3Hz和38Hz左右出現(xiàn)的較高值不是由開(kāi)關(guān)電源的輸出信號(hào)引入。

圖2 在開(kāi)關(guān)電源供電方式下地震計(jì)三分向輸出信號(hào)及開(kāi)關(guān)電源輸出信號(hào)的功率譜密度曲線(xiàn)圖

圖3 開(kāi)關(guān)電源供電方式下開(kāi)關(guān)電源輸出信號(hào)與三分向輸出信號(hào)的相關(guān)函數(shù)（采樣頻率100Hz）

2.2 采用DZ－2型地震專(zhuān)用電源供電

DZ－2型地震專(zhuān)用電源以交流為輸入，內(nèi)置開(kāi)關(guān)電源模塊和充放電控制板，通過(guò)充放電控制板來(lái)控制設(shè)備供電及對(duì)電瓶的充放電，采取了交直流隔離和電池轉(zhuǎn)換技術(shù)，用2 組蓄電池，1 組充電，1 組使用，用電設(shè)備只用蓄電池供電，與交流電隔離，防止交流信號(hào)的干擾。在圖4中可以看出，在DZ 電源供電的模式下，地震計(jì)EW 分向及NS分向輸出信號(hào)的功率譜密度在3Hz、36Hz及40Hz左右出現(xiàn)了較高值，說(shuō)明地震計(jì)EW 分向及NS分向輸出的信號(hào)在3 Hz、36 Hz及40 Hz左右具有較高能量；DZ電源輸出信號(hào)的功率譜密度在5 Hz以后出現(xiàn)多次波動(dòng)，應(yīng)該與其輸出電路設(shè)計(jì)有關(guān)。圖5中將地震計(jì)三分向輸出信號(hào)分別與DZ電源的輸出信號(hào)進(jìn)行了互相關(guān)計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以看出地震計(jì)三分向輸出信號(hào)在1 Hz以下才與DZ 電源的輸出信號(hào)有較高的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明圖4中地震計(jì)EW 分向及NS分向輸出信號(hào)的功率譜密度在3 Hz、36 Hz及40Hz左右出現(xiàn)的較高值不是由DZ電源的輸出信號(hào)引入。

圖4 DZ電源供電方式下地震計(jì)三分向輸出信號(hào)及DZ電源輸出信號(hào)的功率譜密度曲線(xiàn)圖

圖5 DZ－2型電源供電方式下電源輸出信號(hào)與三分向輸出信號(hào)相關(guān)函數(shù)（采樣頻率100Hz）

2.3 采用蓄電池直接供電

使用1塊80Ah、12V 的蓄電池對(duì)數(shù)據(jù)采集器供電，由數(shù)據(jù)采集器采集FBS－3B 寬頻帶地震計(jì)三分向信號(hào)以及蓄電池電壓信號(hào)。在圖6 中可以看出，在蓄電池供電的模式下，地震計(jì)EW 分向及NS分向輸出信號(hào)的功率譜密度在3 Hz及38Hz左右出現(xiàn)了較高值，說(shuō)明地震計(jì)EW 分向及NS分向輸出的信號(hào)在3Hz及38Hz左右具有較高能量；蓄電池輸出信號(hào)的功率譜密度在5 Hz以后變化趨勢(shì)較緩，且基本都在地震計(jì)三分向輸出信號(hào)以下。圖7中將地震計(jì)三分向輸出信號(hào)分別與蓄電池的輸出信號(hào)進(jìn)行了互相關(guān)計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以看出地震計(jì)三分向輸出信號(hào)在1 Hz以下才與蓄電池的輸出信號(hào)有較高的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明圖6中地震計(jì)EW 分向及NS分向輸出信號(hào)的功率譜密度在3Hz及38Hz左右出現(xiàn)的較高值不是由蓄電池的輸出信號(hào)引入。

圖6 蓄電池供電方式下地震計(jì)三分向輸出信號(hào)及蓄電池輸出信號(hào)的功率譜密度曲線(xiàn)圖

2.4 采用線(xiàn)性直流電源供電

圖7 蓄電池供電方式下蓄電池輸出信號(hào)與地震計(jì)三分向輸出信號(hào)相關(guān)函數(shù)（100Hz）

線(xiàn)性直流電源的特點(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較小；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低；發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。本次試驗(yàn)采用的線(xiàn)性穩(wěn)壓直流電源是茂迪（寧波）電子有限公司生產(chǎn)的LPS－305線(xiàn)性直流電源。在圖8中可以看出，在線(xiàn)性直流電源供電的模式下，地震計(jì)三分向輸出信號(hào)的功率譜密度在3Hz和38Hz左右出現(xiàn)了較高值，說(shuō)明地震計(jì)三分向輸出的信號(hào)在3Hz和38 Hz左右具有較高能量；線(xiàn)性直流電源輸出信號(hào)的功率譜密度在2Hz以后變化趨勢(shì)較緩，且都在地震計(jì)三分向輸出信號(hào)以上，說(shuō)明線(xiàn)性直流電源的輸出信號(hào)在2～50Hz間能量平穩(wěn)。圖9中將地震計(jì)三分向輸出信號(hào)分別與線(xiàn)性直流電源的輸出信號(hào)進(jìn)行了互相關(guān)計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以看出地震計(jì)三分向輸出信號(hào)在1 Hz以下和45Hz以上才與線(xiàn)性直流電源的輸出信號(hào)有較高的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明圖8中地震計(jì)三分向輸出信號(hào)的功率譜密度在3Hz和38 Hz左右出現(xiàn)的較高值不是由線(xiàn)性電源的輸出信號(hào)引入。

圖8 線(xiàn)性直流電源供電方式下地震計(jì)三分向輸出信號(hào)及線(xiàn)性直流電源輸出信號(hào)功率譜密度曲線(xiàn)圖

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的功率譜密度結(jié)果，可以看出在不同供電模式下地震專(zhuān)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)三分向記錄的功率譜密度形態(tài)基本一致，但線(xiàn)性直流電源供電方式下的地震計(jì)三分向輸出信號(hào)功率譜密度相對(duì)較低；4種電源輸出的功率譜密度，開(kāi)關(guān)電源和蓄電池供電的在4種電源中相對(duì)較低，DZ－2型電源自噪聲居中，線(xiàn)性直流電源最高，DZ－2型電源輸出信號(hào)功率譜密度有多個(gè)波動(dòng)。

圖9 線(xiàn)性直流電源供電方式下線(xiàn)性直流電源輸出信號(hào)與地震計(jì)三分向輸出信號(hào)相關(guān)函數(shù)

圖10 四種電源功率譜密度估計(jì)

根據(jù)相關(guān)函數(shù)結(jié)果可看出，開(kāi)關(guān)電源供電模式和線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源供電模式下，在0.4 Hz、46～50Hz三分向記錄與電源輸出信號(hào)之間出現(xiàn)了比較高的相關(guān)系數(shù)；DZ－2型電源供電模式和蓄電池供電模式下，在0.4Hz處三分向記錄與電源輸出信號(hào)之間相關(guān)系數(shù)較高。

3 結(jié)論

測(cè)震技術(shù)系統(tǒng)信號(hào)記錄與觀測(cè)環(huán)境的電場(chǎng)及磁場(chǎng)分布有很大的關(guān)系，供電設(shè)備輸出信號(hào)噪聲的高低不能完全體現(xiàn)供電設(shè)備優(yōu)劣，還應(yīng)與用電設(shè)備組合來(lái)分析實(shí)用效果。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電源輸出信號(hào)和地震三分向輸出信號(hào)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)在100Hz采樣頻率下通過(guò)采用交直流隔離、直流直流隔離的純電瓶供電方式，能夠有效得減少由電源傳導(dǎo)及耦合到觀測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)出信號(hào)中的高頻分量，排除了上文中所列四種電源在正常工作情況下對(duì)使用100Hz作為采樣頻率的觀測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的影響，為進(jìn)一步研究高采樣下供電環(huán)境與觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)出的關(guān)系打下了基礎(chǔ)。

［1］ 胡米東.江蘇省部分地震臺(tái)站CMG－3TB地震計(jì)監(jiān)測(cè)能力對(duì)比分析［J］.華北地震科學(xué)，2013，31（1）：64－68.

［2］ 李小軍，李慶武，李冬圣，等.UPS設(shè)備對(duì)測(cè)震臺(tái)站信號(hào)影響的分析［J］.華北地震科學(xué)，2012，30（3）：19－21.

［3］ 萬(wàn)永革.數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn).北京：科學(xué)出版社，2007.

［4］ 朱鵬濤，王大偉，閆民華，等.開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)管及二極管EMI抑制方法分析研究［J］.電源世界，2009（10）：40－42，33.

［5］ 甘明，李曉莉.同步Buck型開(kāi)關(guān)電源紋波電壓抑制方法［J］.電力電子技術(shù)，2007，41（5）：51－52.

［6］ 戚浩，夏仕安，張炳，等.省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)維護(hù)新方法的研究［J］.華北地震科學(xué)，2012，30（3）：48－50.