高采樣率下不同供電方式對地震波形記錄影響的對比分析

李冬圣，李文軍，李小軍，蔡玲玲

(1.河北省地震局，河北　石家莊　050021；2.河北承德中心地震臺，河北　承德　067000)

?

高采樣率下不同供電方式對地震波形記錄影響的對比分析

李冬圣1，李文軍2，李小軍1，蔡玲玲1

(1.河北省地震局，河北石家莊050021；2.河北承德中心地震臺，河北承德067000)

摘要：目前，測震臺站設(shè)備的供電組合方式多種多樣，采樣率在不斷提高，同時(shí)也混雜進(jìn)了一些干擾信號。文章論述了使用同一套測震設(shè)備，在高采樣率下不同供電方式對地震波形的記錄影響情況。試驗(yàn)表明，供電方式和屏蔽措施的改變可以有效地減少由供電設(shè)備輸出耦合到儀器記錄中的干擾信號。

關(guān)鍵詞：地震波形；供電方式；信噪比

0引言

地震觀測是地震速報(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]。隨著研究的深入，地震觀測中的采樣率由過去的50 Hz提高到現(xiàn)在100 Hz，并有逐步提高的趨勢。伴隨采樣率的提高，一些頻率的干擾信號也混雜到了觀測數(shù)據(jù)當(dāng)中，在一定程度上對觀測資料的使用造成不便。在地震專業(yè)設(shè)備(如地震計(jì)、數(shù)據(jù)采集器等)和觀測技術(shù)相對較成熟的情況下，該文通過對比高采樣率下，采用不同供電對地震計(jì)波形記錄影響的分析，就如何進(jìn)一步提高地震波形記錄質(zhì)量，在供電方式的選擇與屏蔽措施的改進(jìn)等方面提出參考依據(jù)。

1研究方法

1.1實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)及電源供電方式

專業(yè)設(shè)備技術(shù)系統(tǒng)由FBS-3B寬頻帶地震計(jì)與EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成(見圖1)。

參與對比研究的供電方式有：開關(guān)電源供電、加屏蔽措施的開關(guān)電源、線性直流穩(wěn)壓電源供電、加屏蔽措施的線性直流穩(wěn)壓電源、蓄電池供電、加裝屏蔽的蓄電池供電。

屏蔽措施：在數(shù)采的供電端和電源輸出端加裝扣式消磁環(huán)。

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，用一臺六通道的EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器同時(shí)長時(shí)間采集FBS-3B地震計(jì)的輸出信號及供電設(shè)備的直流輸出信號，六通道采樣頻率均為500 Hz，對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，采用相關(guān)性分析得出地震計(jì)各方向記錄信號與電源輸出之間的平方相關(guān)函數(shù)。

圖1　實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1　Constitution of experimental technology system

功率譜密度估計(jì)是使用有限長度的數(shù)據(jù)，給出信號隨機(jī)過程的頻率成分分布的描述。Rx(τ)為隨機(jī)信號x(t)的自相關(guān)函數(shù)，Sx(f)是Rx(τ)的Fourier變換，稱Sx(f)為x(t)的自功率譜密度(自功率譜)，Sx(f)是信號x(t)的平均功率相對頻率的分布函數(shù)，具體見公式(1)。

(1)

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

(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)來檢測信號x(t)和y(t)在頻域內(nèi)的相關(guān)程度。若y(t)為x(t)的線性響應(yīng)，則和Cxy(ω)=1；若x(t)和y(t)完全不相關(guān)，則Cxy(ω)=0。通常的測試過程中，0

2實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)處理

2.1采用開關(guān)電源直接供電

近年來，開關(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，但由于開關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)及其存在高di/dt和高dv/dt，使得開關(guān)電源容易產(chǎn)生比較強(qiáng)的電磁干擾(EMI)信號。EMI信號不但具有很寬的頻率范圍，還具有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾[4]。在測震地動噪聲中經(jīng)常看到的波形粗且不清晰現(xiàn)象，很多就是由于開關(guān)電源的MOSFET功率開關(guān)在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰脈沖導(dǎo)致[5-6]。

從圖2a中可以看出，在開關(guān)電源供電方式下，觀測系統(tǒng)記錄的波形及開關(guān)電源的輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時(shí)出現(xiàn)凸起，說明在這些頻率點(diǎn)上的頻譜能量較高。圖2b中，在開關(guān)電源供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環(huán)后，觀測系統(tǒng)記錄的波形及開關(guān)電源的輸出在100 Hz、150 Hz都同時(shí)出現(xiàn)凸起，說明在這些頻率點(diǎn)上的頻譜能量較高，但在50 Hz、200 Hz的頻點(diǎn)上只有開關(guān)電源的輸出出現(xiàn)凸起，且頻譜能量較不加扣式屏蔽磁環(huán)時(shí)降低。

圖2　開關(guān)電源供電方式下各檢測量功率譜密度曲線Fig.2　Power spectral density of each test item under the mode of switching power supply

第39頁圖3a中，在開關(guān)電源供電方式下，觀測系統(tǒng)記錄的波形及開關(guān)電源的輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz的相關(guān)系數(shù)都較高，說明在這些頻率點(diǎn)上，觀測系統(tǒng)記錄的波形與開關(guān)電源的輸出之前存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系。圖3b中，在開關(guān)電源供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環(huán)后，觀測系統(tǒng)記錄的波形及開關(guān)電源的輸出在100 Hz、150 Hz、200 Hz的相關(guān)系數(shù)都較高，說明在這些頻率點(diǎn)上，觀測系統(tǒng)記錄的波形與開關(guān)電源的輸出之前仍存在較強(qiáng)聯(lián)系，但是較加扣式屏蔽磁環(huán)之前，在50 Hz頻點(diǎn)上的相關(guān)系數(shù)明顯降低，說明通過加裝屏蔽磁環(huán)，有效地降低了觀測系統(tǒng)記錄波形與開關(guān)電源輸出之間的耦合程度。

2.2采用線性直流穩(wěn)壓電源供電

線性直流穩(wěn)壓電源的特點(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)采用的線性直流穩(wěn)壓電源是茂迪(寧波)電子有限公司生產(chǎn)的LPS-305線性直流電源。

第39頁圖4a中，在線性直流穩(wěn)壓電源供電方式下，觀測系統(tǒng)記錄的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz、200 Hz都同時(shí)出現(xiàn)凸起，說明觀測系統(tǒng)記錄的波形在這些頻率點(diǎn)上的頻譜能量較高。線性直流穩(wěn)壓電源的輸出在150 Hz、210 Hz的頻點(diǎn)出現(xiàn)凸起，說明該電源輸出在此頻點(diǎn)上的頻譜能量較高。圖4b中，在線性直流穩(wěn)壓電源供電方式下，加裝屏蔽設(shè)施后，觀測系統(tǒng)記錄的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz、200 Hz、215 Hz都同時(shí)出現(xiàn)明顯凸起，說明觀測系統(tǒng)記錄的波形在這些頻率點(diǎn)上的頻譜能量較高。線性直流穩(wěn)壓電源的輸出在150 Hz、210 Hz頻點(diǎn)出現(xiàn)凸起，說明該電源輸出在這些頻點(diǎn)上的頻譜能量較高。

圖3　開關(guān)電源供電與三通道記錄相關(guān)函數(shù)Fig.3　Correlation function of switching power supply and three channel recording

圖4　線性直流穩(wěn)壓電源供電方式下各檢測量功率譜密度曲線Fig.4　Power spectral density of each test item under the mode of linear DC power supply

第40頁圖5a中，在線性直流穩(wěn)壓電源供電方式下，觀測系統(tǒng)記錄的波形及開關(guān)電源的輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、215 Hz的相關(guān)系數(shù)都較高，說明在這些頻率點(diǎn)上，觀測系統(tǒng)記錄的波形與開關(guān)電源的輸出之前存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系。圖5b中，在線性直流穩(wěn)壓電源供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環(huán)后，觀測系統(tǒng)記錄的波形及開關(guān)電源的輸出在100 Hz、150 Hz、200 Hz、215 Hz的相關(guān)系數(shù)都較高，說明在這些頻率點(diǎn)上，觀測系統(tǒng)記錄的波形與開關(guān)電源的輸出之前存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系，但是較安裝消磁環(huán)之前，在50 Hz頻點(diǎn)上的相關(guān)系數(shù)明顯降低，說明通過加裝屏蔽磁環(huán)，有效地降低了觀測系統(tǒng)記錄的波形與開關(guān)電源輸出之間的耦合程度。

2.3蓄電池供電

用一塊80 AH、12 V的蓄電池對數(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)三分向信號及蓄電池電壓信號。

第40頁圖6a中，在蓄電池供電方式下，觀測系統(tǒng)記錄的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時(shí)出現(xiàn)凸起，說明觀測系統(tǒng)記錄的波形在這些頻率點(diǎn)上的頻譜能量較高。蓄電池輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時(shí)出現(xiàn)凸起，說明蓄電池的輸出在這些頻率點(diǎn)上的頻譜能量較高。圖6b中，在蓄電池供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環(huán)后，觀測系統(tǒng)記錄的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時(shí)出現(xiàn)凸起，說明觀測系統(tǒng)記錄的波形在這些頻率點(diǎn)上的頻譜能量較高。蓄電池輸出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同時(shí)出現(xiàn)凸起，說明蓄電池的輸出在這些頻率點(diǎn)上的頻譜能量較高。

圖5　線性直流穩(wěn)壓電源供電與三分向相關(guān)分析Fig.5　Correlation analysis of linear DC power supply and three components

圖6　蓄電池供電模式下各檢測量的功率譜密度Fig.6　Power spectral density of each test item under the mode of battery power supply

圖7a中，在蓄電池供電方式下，觀測系統(tǒng)記錄的波形及開關(guān)電源的輸出在100 Hz的相關(guān)系數(shù)較高，說明在這個(gè)頻率點(diǎn)上，觀測系統(tǒng)記錄的波形與開關(guān)電源的輸出之前存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系。圖7b中，在蓄電池供電方式下，加裝扣式屏蔽磁環(huán)后，在100 Hz頻點(diǎn)上的相關(guān)系數(shù)明顯降低，說明通過加裝屏蔽磁環(huán)，有效地降低了觀測系統(tǒng)記錄的波形與開關(guān)電源輸出之間在該頻點(diǎn)的耦合程度。

圖7　蓄電池供電與三分向相關(guān)函數(shù)Fig.7　Correlation function of battery power supply and three components

2.4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，在500 Hz采樣頻率下，在不同供電模式中，加裝屏蔽裝置前后的地震專業(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。4種電源輸出的功率譜密度，在工頻及工頻奇次諧波都有較高的能量，其中線性直流穩(wěn)壓電源在工頻偶次頻率相較其他供電方式，能量值明顯偏低。

根據(jù)相關(guān)函數(shù)結(jié)果可看出，開關(guān)電源供電模式下，未加屏蔽裝置時(shí)，在50 Hz、100 Hz、150 Hz及200 Hz處三分向記錄與電源輸出信號之間出現(xiàn)比較高的相關(guān)系數(shù)。加裝屏蔽裝置后，50 Hz處相關(guān)程度明顯降低；線性直流穩(wěn)壓電源供電模式下，未加屏蔽裝置時(shí)，在50 Hz、100 Hz、150 Hz及200 Hz處三分向記錄與電源輸出信號之間出現(xiàn)比較高的相關(guān)系數(shù)。加裝屏蔽裝置后，50 Hz處相關(guān)程度明顯降低；蓄電池供電模式下，未加屏蔽裝置時(shí)，在100 Hz處三分向記錄與電源輸出信號之間出現(xiàn)比較高的相關(guān)系數(shù)。加裝屏蔽裝置后，100 Hz處相關(guān)程度明顯降低。

3結(jié)論

測震技術(shù)系統(tǒng)信號記錄與觀測環(huán)境的電場及磁場分布有很大的關(guān)系，供電設(shè)備輸出信號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)備組合來分析實(shí)用效果。本文通過比較分析發(fā)現(xiàn)，通過采用交直流隔離、直流隔離、適當(dāng)加裝電磁屏蔽的供電方式，能夠有效減少由電源輸出傳到和耦合到觀測系統(tǒng)中的工頻干擾成分，尤其是在數(shù)據(jù)應(yīng)用要求采樣率不斷提高的趨勢下，奈奎斯特頻率也在成正比的提高，如何抑制高頻、工頻干擾對觀測記錄的影響，也成為一個(gè)重要的研究方向，該研究結(jié)果可為地震觀測資料的使用者辨別、使用、分析數(shù)據(jù)提供一定的參考和幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]李小軍，李慶武，李冬圣，等.UPS設(shè)備對測震臺站信號影響的分析[J].華北地震科學(xué)，2012，30(3)：19-21.

[2]萬永革.數(shù)字信號處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[3]郝春月，鄭重.信號相關(guān)性方法在西藏那曲臺陣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國地震，2006，22(1)：34-42.

[4]朱鵬濤，王大偉.開關(guān)電源中開關(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]威浩，夏仕安，張炳，等.省級測震臺網(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.

Comparison of The Influence of Different Power Supply Modes on Seismic Waveform Records under High Sampling Rate

LI Dong-sheng1, LI Wen-jun2, LI Xiao-jun1, CAI Ling-ling1

(1.Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050021, China;2.Hebei Chengde Central Seismological Station, Chengde, Hebei 067000, China)

Abstract:Power Supply modes of equipment at seismic station are in varied forms and the sampling rate continues to increase. It also introduces some other interferences. The influences of different power supply modes on seismic waveform records by using the same set of seismic equipment under high sampling rate are discussed . The test shows that the change of power supply modes and shielding measures can effectively reduce the output coupled interference signal from the power supply devices.

Key words:Seismic waveform; Power supply mode; Signal to noise ratio(SNR)

中圖分類號：P315.61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：第一李冬圣(1982—)，女，河北省冀州人。2003年畢業(yè)于防災(zāi)技術(shù)高等專科學(xué)校，工程師。

基金項(xiàng)目：河北省地震局青年基金項(xiàng)目(DZ20150423060)。

收稿日期：2015-05-07

文章編號：1000-6265(2016)01-0037-05