烏加河數(shù)字測(cè)震臺(tái)的臺(tái)基背景噪聲分析①

王鑫++海峰++趙鐵鎖++王樹波

摘 要：該文以位于內(nèi)蒙古西部山區(qū)的烏加河地震臺(tái)山洞臺(tái)基為基礎(chǔ)，利用臺(tái)站架設(shè)的超寬帶速度信號(hào)記錄儀器和加速度信號(hào)記錄儀器，在一定時(shí)間范圍內(nèi)以其記錄的夜間噪聲數(shù)據(jù)為計(jì)算資料，使用改進(jìn)的周期圖方法，在1～20 Hz觀測(cè)頻帶范圍內(nèi)計(jì)算臺(tái)基噪聲功率譜密度及臺(tái)基噪聲有效值RMS值，在考慮臺(tái)站臺(tái)基條件和周圍干擾因素的情況下，綜合分析了烏加河地震臺(tái)的臺(tái)基噪聲水平，得到的臺(tái)基噪聲水平總體較為理想，按照臺(tái)基噪聲有效值劃分為Ⅰ級(jí)臺(tái)基條件，臺(tái)基噪聲功率譜較好地反映了臺(tái)基噪聲水平和分布特征，該臺(tái)站噪聲水平較低，計(jì)算的頻帶范圍內(nèi)均在全球噪聲模型下限水平甚至超過低噪聲模型NLNM以下，噪聲功率譜低頻段垂直向明顯小于水平向，而兩水平向基本水平一致，這是因?yàn)閷?duì)長周期而言，水平噪聲功率譜可能明顯大于垂直噪聲，主要原因是由于傾斜，重力耦合到了水平分量中，而不耦合到垂直分量中，傾斜可能是由交通、風(fēng)或者當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ牟▌?dòng)引起的。另外加速度儀器由于自身噪聲水平高的原因，計(jì)算結(jié)果不能有效反映臺(tái)基噪聲水平，但其記錄大地震同樣出色。

關(guān)鍵詞：臺(tái)基背景噪聲 功率譜密度 RMS 烏加河地震臺(tái)

中圖分類號(hào)：P31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（c）-0011-05

地震記錄本身是一個(gè)疊加信號(hào)，包含儀器自噪聲、地脈動(dòng)噪聲、地震信號(hào)等，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ恼穹笥谂_(tái)基噪聲的振幅時(shí)，才能夠識(shí)別并處理地震波的觀測(cè)數(shù)據(jù)。記錄信噪比指的是地震波的振幅與臺(tái)基噪聲振幅之比。應(yīng)用地震學(xué)的一個(gè)主要研究問題是如何保證地震記錄高信噪比，在背景噪聲水平高的地區(qū)進(jìn)行地震觀測(cè)，有時(shí)地震信號(hào)完全被噪聲信號(hào)淹沒。對(duì)于寬頻帶地震觀測(cè)來說，無法使用一個(gè)簡單的信噪比值來描述，需要在頻率域中來描述噪聲譜的分布。對(duì)地震臺(tái)站的臺(tái)基噪聲記錄進(jìn)行功率譜分析，是了解臺(tái)基噪聲頻譜特征、評(píng)價(jià)臺(tái)站對(duì)地震波觀測(cè)能力的重要手段，臺(tái)站的臺(tái)基噪聲水平差別較大，各自特征也不盡相同，該文主要研究烏加河測(cè)震觀測(cè)臺(tái)址的背景噪聲特征，并進(jìn)行綜合分析，通過研究對(duì)于提高測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)質(zhì)量具有實(shí)際意義。

1 臺(tái)址概況

烏加河地震臺(tái)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部巴彥淖爾市境內(nèi)的陰山山脈南麓，測(cè)震觀測(cè)山洞約130 m，臺(tái)基為古生代花崗巖，觀測(cè)洞室自然干擾背景小且較為穩(wěn)定，周圍無鐵路、公路、河流、廠礦企業(yè)等干擾源，觀測(cè)室溫度日變小于0.02℃，年變小于0.5℃。該臺(tái)站是目前內(nèi)蒙古測(cè)震臺(tái)網(wǎng)子臺(tái)中觀測(cè)條件最好的臺(tái)站，緣于良好的臺(tái)基條件，“十五”項(xiàng)目裝配了JCZ-1超寬帶地震計(jì)和BBAS-2加速度計(jì)，以及大動(dòng)態(tài)范圍的24位數(shù)據(jù)采集器。JCZ-1地震計(jì)頻帶范圍為360 s～50 Hz，采樣率為100 sps，動(dòng)態(tài)范圍大于140 dB；BBAS-2加速度計(jì)頻帶范圍為DC～80 Hz，采樣率為200 sps，動(dòng)態(tài)范圍大于130 dB。臺(tái)站數(shù)字地震儀器自2007年運(yùn)行以來，積累了大量波形數(shù)據(jù)，地震事件記錄信噪比高，連續(xù)多年資料評(píng)比第一名，在地震監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究方面發(fā)揮了極其重要作用。大地震發(fā)生時(shí)，震中附近速度型地震計(jì)記錄地震信號(hào)往往會(huì)限幅，新一代的加速度計(jì)，既具有標(biāo)準(zhǔn)的短周期地震計(jì)那樣高的靈敏度，又具有大動(dòng)態(tài)范圍的特性，所以加速度計(jì)可以應(yīng)用于短周期臺(tái)網(wǎng)，可以工作得像短周期地震計(jì)一樣出色，同時(shí)安裝兩套傳感器才可以保證信號(hào)不會(huì)限幅，具有6個(gè)數(shù)據(jù)記錄通道（3個(gè)用來記錄微震動(dòng)，3個(gè)用來記錄強(qiáng)震動(dòng)）的產(chǎn)品無疑是最前沿的技術(shù)，他們可以覆蓋整個(gè)大小地震事件的動(dòng)態(tài)范圍，從最低點(diǎn)地震噪聲到最強(qiáng)烈的破壞性地震事件都能記錄到。

2 資料選取

對(duì)于某個(gè)特定的測(cè)震臺(tái)站，其臺(tái)基噪聲的影響因素相對(duì)固定，且變化不大，臺(tái)基噪聲具有相對(duì)穩(wěn)定的分布和幅度[1]。臺(tái)基噪聲是隨時(shí)間不斷變化的，白天和夜間的噪聲水平由于環(huán)境因素的變化而不同，除地震事件或者大風(fēng)外，測(cè)震臺(tái)站的臺(tái)基噪聲水平受到天氣的影響有一定的起伏變化，日間時(shí)段多人為干擾因素存在，夜間時(shí)段為最安靜時(shí)段，基本代表了該測(cè)震臺(tái)站噪聲水平和分布特征的統(tǒng)計(jì)量，從時(shí)域到頻域范圍研究噪聲水平能夠反映臺(tái)基噪聲譜在各個(gè)頻點(diǎn)的幅值分布。數(shù)據(jù)一般選取無地震事件或其他干擾的時(shí)間段，該文選取該臺(tái)站2016年9月以來00時(shí)至05時(shí)的多個(gè)樣本數(shù)據(jù)，通過瀏覽確保無地震事件和顯著干擾記錄后采用計(jì)算，當(dāng)然9月內(nèi)蒙古西部地區(qū)臺(tái)站區(qū)域無大風(fēng)天氣，風(fēng)力較為穩(wěn)定。

3 計(jì)算方法與步驟

3.1 計(jì)算方法

噪聲數(shù)據(jù)是一個(gè)疊加各種頻率波的隨機(jī)信號(hào)，功率譜密度可以表示隨機(jī)信號(hào)的頻率成分及其相對(duì)強(qiáng)弱，功率譜密度計(jì)算基于有限長度的數(shù)據(jù)，功率譜的估算通常使用的方法有周期圖法、自相關(guān)法、參數(shù)模型法。該文使用Welch方法，該方法為改進(jìn)的周期圖法[2]，屬于功率譜密度的非參數(shù)估計(jì)方法。

Welch方法由噪聲信號(hào)的采樣序列估算，使用快速傅立葉變換FFT，首先將輸入數(shù)據(jù)分段，數(shù)據(jù)分段是為了保證頻譜分辨率，數(shù)據(jù)分段數(shù)量越多，則計(jì)算結(jié)果的方差越小，數(shù)據(jù)分段的長度越長，頻譜分辨率越高，越能反映長周期頻段的情況。各分段數(shù)據(jù)之間可以有部分重疊，一般重疊數(shù)據(jù)50%，然后對(duì)每一段數(shù)據(jù)應(yīng)用窗函數(shù)進(jìn)行加權(quán)處理計(jì)算周期圖，對(duì)分段數(shù)據(jù)使用漢寧窗函數(shù)，降低了FFT計(jì)算過程中的頻譜泄露，最后對(duì)各分段周期圖進(jìn)行平均后得到功率譜，對(duì)各分段周期圖進(jìn)行平均可以降低FFT功率譜計(jì)算結(jié)果的抖動(dòng)，也就是降低了噪聲功率譜結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差。Matlab中提供了可以直接使用的函數(shù)pwelch，計(jì)算效率高且編程簡單，一般為了得到較好的估算結(jié)果，我們一般采用整小時(shí)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。噪聲功率譜采用通用的地脈動(dòng)噪聲加速度功率譜密度Pa（ω）描繪地動(dòng)背景噪聲功率譜，單位為分貝（db），1 db對(duì)應(yīng)1（m/s2）2/Hz，并繪制出在一定頻段內(nèi)的記錄臺(tái)基地動(dòng)噪聲加速度功率譜密度曲線圖[3]。

3.2 計(jì)算步驟

3.2.1 直流偏移去除

在數(shù)字地震記錄中往往會(huì)出現(xiàn)直流偏移，這個(gè)信號(hào)不表示真實(shí)的地面運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際計(jì)算過程中必須消除這一直流分量[4]。具體操作方法是對(duì)選取的整個(gè)記錄點(diǎn)數(shù)據(jù)取平均，平均值就作為直流偏移量，然后對(duì)每個(gè)點(diǎn)減去平均值作為該點(diǎn)記錄值，這一過程就是直流偏移去除過程，表達(dá)式為：

式中為每個(gè)采樣點(diǎn)的值；N為記錄長度的總采樣數(shù)。

3.2.2 儀器響應(yīng)扣除

需要將以數(shù)字?jǐn)?shù)表示的采樣幅值使用地震計(jì)靈敏度值和數(shù)據(jù)采集器的轉(zhuǎn)化因子組成的觀測(cè)系統(tǒng)靈敏度轉(zhuǎn)換為地動(dòng)速度值，為獲得地動(dòng)噪聲的絕對(duì)量值，需要扣除掉儀器的影響，觀測(cè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)一般表達(dá)式為：

式中為系統(tǒng)靈敏度；為歸一化常數(shù)；和分別代表傳遞函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)。

3.2.3 計(jì)算臺(tái)基噪聲功率譜

以時(shí)間函數(shù)f（t）為處理后的噪聲記錄信號(hào)，進(jìn)行快速傅立葉變換，取其頻域結(jié)果絕對(duì)值的平方得到噪聲功率譜：

式中N的取值為2的冪次，實(shí)函數(shù)通常稱為功率譜或能量譜，更確切地說，叫功率譜密度PSD或能量譜密度[5]。

3.2.4 計(jì)算臺(tái)基噪聲有效值

臺(tái)基噪聲有效值即均方跟振幅值RMS，在一定程度表征臺(tái)基噪聲水平，由功率譜密度PSD可計(jì)算噪聲有效值RMS：

式中為分度倍頻程中心頻率，為中心頻率，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[6]，用1/3倍頻程濾波器計(jì)算RMS值：

4 計(jì)算結(jié)果

利用北京港震公司的數(shù)字地震儀參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，圖1為2016年9月4日夜間時(shí)段JCZ-1速度記錄的三分向噪聲功率譜曲線，圖2為2016年9月4日夜間時(shí)段BBAS-2加速度記錄的三分向噪聲功率譜曲線，由于篇幅有限，這里僅對(duì)臺(tái)站9月份最具代表性功率譜進(jìn)行分析，其余時(shí)間段除個(gè)別時(shí)段有干擾外計(jì)算結(jié)果基本與圖1相類似。夜間為平靜期，噪聲水平基本一致但也不盡完全相同，該文在1～20 Hz觀測(cè)頻帶范圍內(nèi)計(jì)算功率譜密度及RMS值。表1為夜間00點(diǎn)至05點(diǎn)各個(gè)時(shí)段的噪聲有效值，分別以速度和加速度表示的噪聲有效值，二者因噪聲功率譜可換算，所以這里也可以換算。表1中系統(tǒng)靈敏度數(shù)值偏大是因?yàn)檫x取數(shù)據(jù)是從EDAS-24GN數(shù)采存儲(chǔ)中下載，所以存在16倍增益關(guān)系，如若是數(shù)采實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)便不存在此問題，在實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用中注意了此問題。

地面運(yùn)動(dòng)速度記錄的功率譜密度（PSD）在1～20 Hz頻帶范圍的均方根（rms）值代表環(huán)境地噪聲水平，表1中各時(shí)段的三分向地噪聲水平的平均值分別為2.08×10-8 m/s（UD向），2.12×10-8 m/s（EW向），1.94×10-8 m/s（NS向），按照環(huán)境地噪聲水平等級(jí)劃分為Ⅰ級(jí)臺(tái)基條件[7]。

5 分析與結(jié)論

由于該次計(jì)算數(shù)據(jù)選取在無其他干擾的較理想時(shí)段，計(jì)算結(jié)果基本反映了臺(tái)站夜間噪聲水平和分布特征，也即最安靜時(shí)段噪聲水平。從速度記錄計(jì)算得到的臺(tái)基噪聲功率譜密度結(jié)果看，在1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)頻譜良好，1993年美國USGS（美國地質(zhì)調(diào)查局）利用全球范圍75個(gè)地點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線集，由其包絡(luò)得到了新的全球公認(rèn)的地球正常噪聲新模型[8]，即地球高噪聲模型NHNM和低噪聲模型NLNM，從圖1中可以看出，在0.03～1 Hz頻帶內(nèi)臺(tái)站的噪聲譜與NLNM相吻合，證明該臺(tái)站在該頻段噪聲水平是非常低的；臺(tái)站噪聲功率譜不僅反映出了周期在6 s附近與主要噪聲相關(guān)的二次海洋微震動(dòng)，也較清晰地反映了在14 s±2 s的較小的原始海洋微震動(dòng)，而且均在其下限水平甚至超過低噪聲模型NLNM；在0～0.1 Hz的低頻段內(nèi)，垂直向噪聲功率譜明顯小于水平向，而兩水平向基本水平一致，因?yàn)閷?duì)長周期而言，水平噪聲功率譜可能明顯大于垂直噪聲，這主要是由于傾斜，重力耦合到了水平分量中，而不耦合到垂直分量中，傾斜可能是由交通、風(fēng)或者當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ牟▌?dòng)引起的；在2～50 Hz的高頻段，臺(tái)基噪聲功率譜明顯上升，臺(tái)基噪聲主要來源于各種近場(chǎng)干擾源和風(fēng)吹等高頻影響；計(jì)算頻帶內(nèi)噪聲功率譜密度在-180～-140 db之間，總體水平較低，利于地震觀測(cè)。

利用加速度儀器也可以評(píng)估臺(tái)站噪聲水平，圖2結(jié)果為該臺(tái)站加速度地震計(jì)記錄數(shù)據(jù)計(jì)算的噪聲功率譜密度，根據(jù)與其儀器自噪聲的對(duì)比，得到的噪聲功率譜基本為其儀器本身的噪聲功率譜，即儀器自噪聲大于外界環(huán)境噪聲，不能用來考察外界噪聲水平，只能說明臺(tái)站周圍無較大干擾源的存在，對(duì)于臺(tái)站的臺(tái)基噪聲水平研究沒有實(shí)際意義。

地震觀測(cè)儀器的噪聲限制了儀器的分辨力，測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基噪聲限制了微震監(jiān)測(cè)能力。從長期來看，臺(tái)基噪聲水平是統(tǒng)計(jì)平穩(wěn)的，也就是說長時(shí)間尺度的臺(tái)基噪聲功率譜估計(jì)基本代表了臺(tái)站點(diǎn)臺(tái)基噪聲水平。同時(shí)每個(gè)臺(tái)站的臺(tái)基噪聲功率譜的分布有其自身的特點(diǎn)，通過對(duì)臺(tái)基噪聲功率譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，跟蹤臺(tái)基噪聲水平和臺(tái)基噪聲功率譜形態(tài)的變化，識(shí)別臺(tái)基噪聲的異常情況，從而為進(jìn)一步分析判斷觀測(cè)環(huán)境變化、觀測(cè)儀器狀態(tài)提供信息。臺(tái)基背景噪聲的頻譜分布是不均勻的，計(jì)算臺(tái)基噪聲得到頻譜分布對(duì)于評(píng)估臺(tái)站監(jiān)測(cè)能力十分重要，功率譜密度（PSD）在1～20 Hz頻帶范圍的均方根（rms）值也在一定程度代表環(huán)境地噪聲水平。

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