內(nèi)蒙古區(qū)域背景噪聲特征分析

安 全，趙艷紅，蘇日亞，學(xué) 峰，宋曉燕

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局監(jiān)測(cè)中心，呼和浩特 010010）

0 引言

內(nèi)蒙古地震局地震預(yù)警與烈度速報(bào)項(xiàng)目現(xiàn)已進(jìn)入土建、儀器安裝階段，隨著該項(xiàng)目的建設(shè)與投入使用，今后地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的主要任務(wù)將是地震預(yù)警、地震烈度速報(bào)、地震監(jiān)測(cè)及地震研究，這些任務(wù)的實(shí)現(xiàn)均依賴于地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)質(zhì)量高低與臺(tái)站布局是否合理直接影響到上述臺(tái)網(wǎng)工作的質(zhì)量，而背景噪聲是影響地震觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量高低的主要因素。為提高臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，臺(tái)站建設(shè)前進(jìn)行臺(tái)站勘選，目的主要是為了降低背景噪聲，提高數(shù)據(jù)使用效能。因此對(duì)臺(tái)站背景噪聲水平進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、掌握觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍是十分必要的。

地震觀測(cè)環(huán)境背景噪聲影響臺(tái)站的觀測(cè)能力和地震波觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。背景噪聲越大，從地震記錄中識(shí)別小地震事件越難，振幅低于臺(tái)站背景噪聲的地震波形將被淹沒在背景噪聲中而無法識(shí)別,即背景噪聲越大，監(jiān)測(cè)小地震事件的能力越弱，觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍越小。地球表面，總是存在著微小的振動(dòng)，例如風(fēng)、寒潮、海浪、交通運(yùn)輸、人和動(dòng)物的活動(dòng)等，都會(huì)引起地表微微顫動(dòng)，它們對(duì)地震觀測(cè)造成干擾而影響地震觀測(cè)的效果，通常稱這些干擾為地震噪聲（地噪聲）或環(huán)境背景噪聲，有時(shí)也稱為地脈動(dòng)。短周期的臺(tái)站背景噪聲有其天然的原因，如風(fēng)、湍急的水流等，另一個(gè)主要來源是人類活動(dòng)，如大型機(jī)械、公路和鐵路交通等。在長(zhǎng)周期段，水平向噪聲比垂直向噪聲要大的多，這主要是由于傾斜產(chǎn)生的，傾斜可以由交通、風(fēng)、日照和當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ζ鸱餥1]。

Peterson 等人通過對(duì)全球正常背景噪聲功率譜（PSD）的研究，給出了全球低噪聲新模型（NLNM）和高噪聲新模型（NHNM）[2]，已被廣泛應(yīng)用于地震臺(tái)站噪聲水平評(píng)價(jià)；McNamara 等提出了地震噪聲功率譜 概率密度函數(shù)（Probability Density Function，PDF）方法[3]，可用于臺(tái)站噪聲水平和波形質(zhì)量的測(cè)定， 并 在GSN（ Global Seismographic NetWork）與ANSS（Advanced National Seismic System）等臺(tái)網(wǎng)應(yīng)用于日常儀器工作檢測(cè)。目前PDF 方法被美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)家信息中心（USGS National Earthquake Information Center）、IRIS 數(shù)據(jù)管理中心以及新西蘭地震臺(tái)網(wǎng)用于地震臺(tái)站背景噪聲水平評(píng)價(jià)，也被用于美國(guó)[4]、意大利[5]、新西蘭[6]、倫敦中部地區(qū)[7]的地震環(huán)境噪聲特征分析。福建省地震局2008 年應(yīng)用PDF 方法自動(dòng)處理地震臺(tái)站勘選數(shù)據(jù)，2010 年應(yīng)用PDF 方法檢測(cè)了地震儀器系統(tǒng)工作狀態(tài)，2017 年應(yīng)用PDF 方法開展實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)控[8-10]；2013 年江蘇省地震局結(jié)合JOPENS 系統(tǒng)，利用Matlab平臺(tái)研發(fā)了運(yùn)用PDF 方法自動(dòng)計(jì)算背景噪聲，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)系統(tǒng)健康狀態(tài)以及背景噪聲源準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控[11]；2007 年河北省地震局分析了數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)子臺(tái)地動(dòng)噪聲水平[12]；2009 年天津測(cè)震臺(tái)網(wǎng)分析了子臺(tái)地脈動(dòng)[13]；2019 年北京測(cè)震臺(tái)網(wǎng)分析了臺(tái)基背景噪聲特征[14]。本文應(yīng)用PDF 方法，計(jì)算了內(nèi)蒙古現(xiàn)運(yùn)行48 個(gè)測(cè)震臺(tái)站0.01～20 Hz頻帶范圍內(nèi)的功率譜密度（PSD）和1～20 Hz 頻帶范圍內(nèi)噪聲均方根（RMS）值，定量分析了內(nèi)蒙古區(qū)域背景噪聲水平。

1 內(nèi)蒙古測(cè)震臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)狀概述

內(nèi)蒙古測(cè)震臺(tái)網(wǎng)包括48 個(gè)測(cè)震臺(tái)站（圖1）和1 個(gè)臺(tái)網(wǎng)中心，其中寬頻帶記錄臺(tái)站31 個(gè)，甚寬頻帶記錄臺(tái)站15 個(gè)，超寬頻帶記錄臺(tái)2 個(gè)；地面臺(tái)26 個(gè)，山洞臺(tái)20 個(gè)，井下臺(tái)2 個(gè)；平均臺(tái)間距為160 km；臺(tái)站分別配置了港震公司生產(chǎn)的EDAS-24IP、EDAS-24GN、CMG-DM24 數(shù)據(jù)采集器；配置的地震計(jì)型號(hào)有：30 個(gè)臺(tái)配置BBVS-60 地震計(jì)、1 個(gè)臺(tái)配置BBVS-60DBH 井下地震計(jì)、8 個(gè)臺(tái)配置BBVS-120 地震計(jì)、3 個(gè)臺(tái)配置CTS-1 地震計(jì)、1 個(gè)臺(tái)配置CTS-1EF 地 震 計(jì)、2 個(gè) 臺(tái) 配 置ITC-120A 地 震 計(jì)、2 個(gè)臺(tái)配置JCZ-1T 地震計(jì)、1 個(gè)臺(tái)配置GL-S120B井下地震計(jì)。為了更好地監(jiān)測(cè)省界地震，從周邊8 個(gè)省接入了62 個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)。最終，內(nèi)蒙古測(cè)震臺(tái)網(wǎng)共匯集、處理110 個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)。

圖1 內(nèi)蒙古測(cè)震臺(tái)站分布圖

2 原理和方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

從內(nèi)蒙古測(cè)震臺(tái)網(wǎng)JOPENS 系統(tǒng)流服務(wù)器讀取原始波形后，進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值、去長(zhǎng)周期成分，并將原始波形分段。前人對(duì)于噪聲的研究中，多數(shù)會(huì)將觀測(cè)系統(tǒng)的瞬態(tài)變化、儀器毛刺（如數(shù)據(jù)記錄階躍、限幅、尖峰、標(biāo)定）等信號(hào)去除。本文在數(shù)據(jù)處理過程中，使用McNamara等[3]提出的PDF 方法，該方法認(rèn)為上述信號(hào)出現(xiàn)的概率相對(duì)純粹的背景噪聲是小概率事件，計(jì)算中的連續(xù)波形數(shù)據(jù)可以不全是純粹的背景噪聲，而上述信號(hào)也將被包含在里面，從而可以更科學(xué)地評(píng)估臺(tái)站的噪聲特性。

2.2 功率譜密度的計(jì)算

對(duì)周期時(shí)間序列 y(t)的有限范圍傅里葉變換可表示為

式中： Tr為 時(shí)間序列段長(zhǎng)度， f為頻率。

對(duì)離散頻率值 fk，傅里葉變換定義為

式中：fk=k/（NΔt），其中k=1, 2, 3，···，N-1；Δt 為采樣間隔（0.01 s），N=Tr/Δt 為截取時(shí)間段的采樣點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)維納-辛欽定理，功率譜密度（PSD）定義為

將速度PSD 值轉(zhuǎn)換為加速度PSD，采用以下公式

需要扣除儀器傳遞函數(shù)影響，以反映真實(shí)地動(dòng)噪聲物理量值

式中： PSDα(f)為真實(shí)地面運(yùn)動(dòng)加速度功率譜。

2.3 平滑處理

為了得到PSD，在頻域?qū)?shù)坐標(biāo)中呈等間隔采樣，本文采用1/3 倍頻積分作為平滑處理：

式中： fl=2?1/6fc為 低頻拐角頻率； fh=21/6fc為 高頻拐角頻率；n 為介于二者之間頻率 f 的個(gè)數(shù)。由（6）式得到中心頻率 fc的 PS Dα(f) 平 均值 PS Dα(fc)。作為 fc的 加速度功率譜密度的PSD 值，中心頻率 fc以1/9 倍頻程為增加步長(zhǎng)，即下一個(gè)中心頻率 fc=21/9fc，重新計(jì)算相應(yīng)的 fl和 fh； 然后將新的 fl和 fh之間的PSD 值平均值作為下一個(gè)中心頻率 fc的PSD 取值。這樣，在 fc的取值范圍0.02～40 Hz 內(nèi)，每個(gè)記錄段的PSD 值隨頻率變化情況可由在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系呈等間隔采樣的中心頻率的PSD 值來表示。

2.4 概率密度函數(shù)計(jì)算

每個(gè)中心頻率 fc的PSD 概率密度函數(shù)為：

式中： Nfc為 fc的 頻點(diǎn)的記錄段總數(shù)； NPfc為 fc的頻點(diǎn)的PSD 值落在某PSD 取值范圍內(nèi)的記錄段個(gè)數(shù)，在本研究中PSD 窗長(zhǎng)與步長(zhǎng)都取1 dB，變化范圍為-200～-50 dB。然后，以頻率為橫坐標(biāo)、以PSD 為縱坐標(biāo)、以 PPSD(fc)色塊顏色深淺繪制三維平面圖，得到功率譜概率密度函數(shù)（PDF）分布圖，不同色塊代表某頻點(diǎn)在一定PSD 窗內(nèi)功率譜概率數(shù)。

臺(tái)站環(huán)境背景噪聲水平的速度均方根值（RMS），根據(jù)Bormann[15]提出的下式進(jìn)行計(jì)算，

式中： RBW=(fh?fl)/fc為相對(duì)寬度。

3 噪聲特征分析

以內(nèi)蒙古測(cè)震臺(tái)網(wǎng)JOPENS 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以波形數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件（Continuous Wave Quality Look，簡(jiǎn)稱CWQL）為支撐[11]，從JOPENS 系統(tǒng)mysql 數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)讀取48 個(gè)臺(tái)站參數(shù)，從流服務(wù)獲取48 個(gè)臺(tái)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)自動(dòng)繪制各臺(tái)站各通道PSD 值和PDF 圖；計(jì)算1～20 Hz 頻段背景噪聲水平速度均方根（RMS）值，并存儲(chǔ)結(jié)果；從結(jié)果中讀取2020 年5 月1—7 日7 天結(jié)果數(shù)據(jù)，從中挑選三分向RMS 平均值最低和最高各8 個(gè)臺(tái)站，再從16 個(gè)臺(tái)站中挑選相對(duì)高噪聲和低噪聲各4 個(gè)臺(tái)垂直向（BHZ）和南北向（BHN）PDF 圖進(jìn)行噪聲特征分析。

3.1 RMS 值計(jì)算

統(tǒng)計(jì)了內(nèi)蒙古測(cè)震臺(tái)網(wǎng)48 個(gè)測(cè)震臺(tái)站信息，取2020 年5 月1—7 日連續(xù)7 天觀測(cè)數(shù)據(jù)三分向中1～20 Hz 頻段背景噪聲，計(jì)算其速度均方根（RMS）值，并將三分向RMS 平均值由低到高排序（表1）。

3.2 PDF 圖分析

表1 48 個(gè)臺(tái)站2020 年5 月1—7 日1～20 Hz 頻段RMS（m/s）值

續(xù)表1

圖2 四個(gè)高噪聲臺(tái)南北向（BHN）和垂直向（BHZ）PDF 圖

圖3 4 個(gè)低噪聲臺(tái)南北向（BHN）和垂直向（BHZ）PDF 圖

從表1 中挑選RMS 值較高和較低的臺(tái)各4 個(gè)，畫出該8 個(gè)臺(tái)南北向和垂直向PDF 圖（圖2～3），并進(jìn)行噪聲特征分析。其中，圖2 為相對(duì)高噪聲臺(tái)南北向和垂直向PDF 圖；圖3 為相對(duì)低噪聲臺(tái)南北向和垂直向PDF 圖。

由圖2 和表1 可知：

1）該4 個(gè)高噪聲臺(tái)，在1 Hz 以上的頻段各臺(tái)站兩分向PSD 圖形狀和幅度基本一致，幅度明顯有個(gè)臺(tái)階性的上升，并接近全球高噪聲模型NHNM，個(gè)別臺(tái)站甚至高出該模型，PDF 值也比較集中在一定數(shù)值范圍，通過Google Earth 地圖輸入對(duì)應(yīng)臺(tái)站經(jīng)緯度，查看臺(tái)站附近較大村莊、縣級(jí)以上公路等干擾源距離，發(fā)現(xiàn)該頻段隨著臺(tái)站與干擾源距離由遠(yuǎn)到近，PSD 值拐角頻率由低頻到高頻方向移動(dòng)；

2）在低頻段，地面臺(tái)站南北向和垂直向PSD 值有一定的差距，南北向PSD 值明顯高于垂直向值，而山洞和井下臺(tái)2 分向PSD 值基本一致，這與地面臺(tái)恒溫、恒濕效果不如山洞臺(tái)好有關(guān)，而清水河臺(tái)雖然觀測(cè)方式為山洞，但低頻段受影響明顯大于赤峰臺(tái)，這是由于清水河臺(tái)山洞深度（8 m）不夠深造成的。

由圖3 和表1 可知：

1）低噪聲臺(tái)在整個(gè)頻段PSD 值較平穩(wěn)，沒有像高噪聲臺(tái)那么大的幅值段，PDF 值較集中，只有烏力吉和額肯呼都格臺(tái)南北向低頻段和烏加河臺(tái)兩分向2～5 Hz 段及額肯呼都格臺(tái)2～4 Hz 段幅度偏高一些，這是因?yàn)闉趿皖~肯呼都格臺(tái)屬于地面觀測(cè)，低頻段南北向受溫度和濕度影響造成的，而烏加河臺(tái)2～5 Hz 段及額肯呼都格臺(tái)2～4 Hz 段是因?yàn)槭茌^遠(yuǎn)處的公路影響造成的，且受影響有限；

2）相較于高噪聲臺(tái)PDF 圖，并通過Google Earth 地圖查看臺(tái)站周圍環(huán)境可知，低噪聲臺(tái)站距離村落及縣級(jí)以上公路至少1 km 以上，而大部分高噪聲臺(tái)站距離村落和縣級(jí)以上公路較近，基本在0.5 km以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過計(jì)算內(nèi)蒙古自治區(qū)現(xiàn)運(yùn)行48 個(gè)測(cè)震臺(tái)站0.01～20 Hz 頻帶范圍內(nèi)的功率譜密度和1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)噪聲均方根值，定量分析內(nèi)蒙古區(qū)域背景噪聲水平，得出以下結(jié)論。

1）參照GB/T 19531.1—2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求第1 部分：測(cè)震》，內(nèi)蒙古地區(qū)臺(tái)站背景噪聲水平較好，在1～20 Hz 段臺(tái)站最低平均噪聲水平為2.06×10-9，屬于Ⅰ類噪聲水平；臺(tái)站最高平均噪聲為7.49×10-8，屬于Ⅱ類噪聲水平。內(nèi)蒙古區(qū)域48 個(gè)臺(tái)站中，平均噪聲水平屬于Ⅰ類的臺(tái)站有45 個(gè)，Ⅱ類3 個(gè)。

2）內(nèi)蒙古地區(qū)高噪聲臺(tái)站主要受交通和人為活動(dòng)影響，其中受交通影響大于人為活動(dòng)；

3）內(nèi)蒙古地區(qū)低噪聲臺(tái)站主要分布在距離村落和交通較遠(yuǎn)的偏遠(yuǎn)地區(qū)；

4）內(nèi)蒙古地區(qū)山洞臺(tái)站在低頻段受溫度和濕度影響要比地面臺(tái)小很多，山洞越深受影響越小；

5）內(nèi)蒙古地區(qū)地面臺(tái)水平向噪聲水平要比垂直向受溫度和濕度影響大。