基于CWQL的山西測震臺網(wǎng)準實時背景噪聲計算分析

高偉亮 ，殷偉偉 ，王卓君 ，張 娜 ，梁永燁 ，呂 睿

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

山西測震臺網(wǎng)由1個臺網(wǎng)中心和57個測震臺站組成，臺網(wǎng)中心采用JOPENS系統(tǒng)對臺站數(shù)據(jù)進行接收、存儲及處理。因臺站配置儀器種類多，造成地震臺站的背景噪聲計算流程繁雜，需花費大量的時間。為此，應(yīng)用JOPENS系統(tǒng)和CWQL工具軟件，完成山西測震臺網(wǎng)57個臺站背景噪聲功率譜的統(tǒng)一計算、對比分析等，實現(xiàn)對數(shù)字測震臺網(wǎng)波形數(shù)據(jù)質(zhì)量、背景噪聲變化的監(jiān)控及各頻段噪聲特性的對比分析。

在寬頻帶數(shù)字測震觀測系統(tǒng)中，系統(tǒng)故障、波形數(shù)據(jù)的突跳階躍、傳輸信道的短時中斷及觀測環(huán)境強噪聲源的出現(xiàn)，這些都是影響測震波形數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素[1]。及時監(jiān)控數(shù)字測震臺網(wǎng)波形數(shù)據(jù)質(zhì)量及識別臺站觀測環(huán)境干擾源，成為山西數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)中的重要研究課題之一。

1 CWQL軟件功能

CWQL是工具性軟件，能從數(shù)字測震臺網(wǎng)的JOPENS波形數(shù)據(jù)流服務(wù)器上讀取連續(xù)波形數(shù)據(jù)及測震臺站儀器配置參數(shù)，并對波形數(shù)據(jù)進行計算分析。軟件主要采用Matlab語言進行開發(fā)，與目前各區(qū)域地震臺網(wǎng)所運行的JOPENS5.2系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。通過對連續(xù)波形數(shù)據(jù)進行背景噪聲功率譜密度和臺基環(huán)境地噪聲水平RMS值的計算，畫出PSD曲線，實現(xiàn)對山西測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量和臺站環(huán)境背景噪聲水平的準實時監(jiān)控[2]。

2 數(shù)據(jù)處理方法

JOPENS5.2系統(tǒng)在地震分析處理中，需準確使用JBOSS控制臺中測震臺站的儀器配置參數(shù)。測震系統(tǒng)記錄的波形數(shù)據(jù)是無量綱數(shù)值，傳遞函數(shù)反褶積扣除儀器響應(yīng)才能得到地動速度。JOPENS5.2系統(tǒng)測震儀器的配置參數(shù)需與儀器出廠參數(shù)相同。其中，地震儀輸出電壓和數(shù)采靈敏度的正確輸入較重要。如配置數(shù)值不準確，會使地震處理中出現(xiàn)震級偏差。準確了解并評估JOPENS5.2系統(tǒng)測震儀器配置參數(shù)，成為山西數(shù)字測震臺網(wǎng)迫切需要解決的問題。CWQL軟件可實現(xiàn)對波形數(shù)據(jù)背景噪聲功率譜密度的計算，通過各頻段噪聲功率譜的對比分析，可有效判斷JOPENS5.2系統(tǒng)儀器參數(shù)配置的準確性[2]。

2.1 環(huán)境地噪聲水平RMS計算

實測地脈動速度值計算公式為:

(1)

式中:V為觀測地脈動速度值(單位：m/s)；N為實際記錄背景噪聲值(單位：counts)；D為數(shù)據(jù)采集器電壓轉(zhuǎn)換因子(單位：V/count)；S為地震計輸出電壓靈敏度(單位：V·s/m)；U為輸入峰值電壓(單位：V)；K為數(shù)據(jù)采集器正常運行時的增益；R為儀器分辨率(單位：counts)[3]。

地脈動噪聲均方根值RMS可以衡量地震臺臺基背景噪聲水平，即：

(2)

2.2 背景噪聲功率譜PSD計算

PSDa(ω)=ω2PSDv(ω),

(3)

式中：ω=2πf；PSDa的單位為(m/s2)2/HZ；PSDv(ω)的單位為(m/s)2/HZ[3]。

3 成果分析應(yīng)用

3.1 測震波形質(zhì)量準實時評估結(jié)果的服務(wù)界面

在山西測震臺網(wǎng)安裝CWQL工具軟件并進行參數(shù)配置，開展運行調(diào)試，連續(xù)波形質(zhì)量準實時評估結(jié)果的服務(wù)界面為http://10.14.XX.X X:8080/CWQL/CWQL.html，實現(xiàn)了對臺網(wǎng)所屬的57個測震臺站連續(xù)波形數(shù)據(jù)質(zhì)量、JOPENS系統(tǒng)臺站配置參數(shù)的準實時監(jiān)控及臺站觀測環(huán)境背景噪聲功率譜密度的對比分析，輔助測震速報和系統(tǒng)維護人員能及時發(fā)現(xiàn)測震臺網(wǎng)運行中出現(xiàn)的故障信號，以便快速修復儀器故障，保證測震臺網(wǎng)的正常運行。

3.2 臺基背景噪聲分析

及時發(fā)現(xiàn)測震臺站觀測環(huán)境變化,實現(xiàn)山西測震臺網(wǎng)的57個臺站背景噪聲水平RMS和背景噪聲功率譜密度PSD的統(tǒng)一計算、對比分析等問題，可顯著提高工作效率。

例如，對臺網(wǎng)57個臺站2020年4月14日17:00至24日17:00的波形進行背景噪聲功率譜計算分析(共233條功率譜結(jié)果)。圖1a為霍州臺BHZ分向的背景噪聲功率譜概率密度曲線，屬于臺基狀態(tài)較好的曲線形態(tài)，白天和夜間的差別較小，且在低頻段和高頻段都貼近Peterson的地球低噪聲新模型；在圖1b神池臺BHZ分向的背景噪聲功率譜概率密度曲線中，存在3～5 Hz的干擾源，經(jīng)現(xiàn)場勘察，分析認為是臺站周圍正在運行的風電機組造成；在圖1c太谷臺BHZ分向的背景噪聲功率譜概率密度曲線中，存在1個3～4 Hz的干擾源，分析認為是由臺站周圍村莊施工造成；圖1d為壽陽臺BHE分向的背景噪聲功率譜概率密度曲線，可以看出，低頻段干擾嚴重，分析認為是臺站儀器受氣流擾動或是地震計擺線受潮等原因造成。

圖1 臺站功率譜概率密度曲線對比圖Fig.1 Comparison of power spectrum probability density curves of stations

3.3 追蹤地震計故障

當測震觀測系統(tǒng)數(shù)采正常運行,地震計出現(xiàn)故障時，測震速報和系統(tǒng)維護人員通常情況下瀏覽連續(xù)波形難以直觀地發(fā)現(xiàn)。經(jīng)計算后，可從臺站背景噪聲功率譜密度圖中直觀地辨別記錄波形中不同頻率信號間的細微差異。

圖2d是左權(quán)臺2020年5月8日10時的三分向連續(xù)波形，可以看出，三分向的連續(xù)波形數(shù)據(jù)形態(tài)相差不大，不能直觀地通過瀏覽連續(xù)波形發(fā)現(xiàn)BHN和BHE分向的數(shù)據(jù)中存在的故障信息，但通過臺站噪聲功率譜密度曲線圖分析得出,當天在9時至9日10時(24條功率譜結(jié)果)期間，左權(quán)臺三分向功率譜概率密度函數(shù)的變化過程。通過比較圖2a、2b、2c看出，EW和NS兩個分項的噪聲功率譜概率密度曲線形態(tài)呈斜線型，與BHZ正常分向的噪聲概率密度曲線形態(tài)不一致。測震臺站維護人員通過檢測確定為地震計BHN和BHE分向擺錘機械零點故障。通過對測震波形數(shù)據(jù)進行背景噪聲功率譜計算分析，可了解測震臺站儀器的運行狀態(tài)。

3.4 JOPENS系統(tǒng)參數(shù)配置異常分析

圖2 左權(quán)臺功率譜密度函數(shù)及相應(yīng)的連續(xù)記錄波形Fig.2 Power spectral density function of left weight station and its continuous recording waveform

當JOPENS5.2系統(tǒng)JBOSS控制臺中的臺站觀測儀器配置參數(shù)輸入錯誤時，測震速報人員在時域瀏覽連續(xù)波形顯示不能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，但是在頻域，對比分析臺站噪聲功率譜密度曲線圖可以發(fā)現(xiàn)配置參數(shù)錯誤和模板使用的不準確。運用CWQL軟件計算山西測震臺網(wǎng)57個測震臺站背景噪聲功率譜概率密度函數(shù)，既可及時快速檢測測震觀測系統(tǒng)故障，又可發(fā)現(xiàn)JOPENS5.2系統(tǒng)臺站觀測儀器配置參數(shù)的異常，保證觀測系統(tǒng)正常運行及觀測數(shù)據(jù)的可靠產(chǎn)出[2]。

數(shù)據(jù)修復前PSD曲線如第45頁圖3a、3b、3c所示，可以看出，圖3c展示的UD向功率譜概率密度曲線幅度比圖3a中的EW向和圖3b中的NS向約低20 dB，UD向功率譜概率密度曲線在0.05～1 Hz,低于全球低噪聲新模型(NLNM)，表明UD向功率譜概率密度曲線異常。

同一個臺站測震儀器正常運行時的三分向連續(xù)波形背景噪聲功率譜值可認為數(shù)值相似。通過分析，造成UD向的PSD比EW和NS向偏差大的原因有：儀器發(fā)生故障和JOPENS5.2系統(tǒng)JBOSS控制臺中的觀測儀器配置參數(shù)與儀器出廠參數(shù)不一致。通過對儀器進行脈沖標定，儀器恢復正常。分析UD向連續(xù)波形數(shù)據(jù)功率譜密度曲線異常是由于JOPENS5.2系統(tǒng)JBOSS控制臺中的臺站觀測儀器參數(shù)配置錯誤造成。通過JBOSS控制臺檢查JOPENS系統(tǒng)中陽高臺地震計和數(shù)據(jù)采集器的配置參數(shù)，發(fā)現(xiàn)UD向數(shù)據(jù)采集器的靈敏度配置數(shù)值(6711409.396 count/V)與實際正確數(shù)值(838861 count/V)不一致，即公式(1)中參數(shù)D(數(shù)采靈敏度=1/D)的配置不正確。

登陸JOPENS5.2系統(tǒng)JBOSS控制臺，在陽高臺儀器配置參數(shù)中的UD通道響應(yīng)里更新為數(shù)據(jù)采集器正確的靈敏度，SSH登錄JOPEN5.2系統(tǒng)服務(wù)器，在目錄/etc/init.d下輸入./memcached restart命令行更新臺站儀器配置參數(shù)。使用CWQL軟件讀取更新后的陽高臺觀測儀器參數(shù)并計算RMS和PSD值。陽高臺UD向PSD曲線如圖3d所示，相比圖3c，功率譜密度曲線高約20 dB，與EW、NS向功率譜密度曲線特征形態(tài)一致，且落在Peterson模型之間。

圖3 陽高臺功率譜密度曲線Fig.3 Power spectral density curve of Yanggao station

4 結(jié)語

運用CWQL軟件實現(xiàn)對山西測震臺網(wǎng)的57個臺站背景噪聲水平的準實時監(jiān)控，給出觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果，可輔助系統(tǒng)維護人員及時發(fā)現(xiàn)測震臺站環(huán)境干擾和有效檢測JOPENS5.2系統(tǒng)臺站觀測儀器配置參數(shù)的準確性，保證山西測震臺網(wǎng)的正常運行。研究結(jié)果實現(xiàn)了對山西數(shù)字測震臺網(wǎng)連續(xù)波形數(shù)據(jù)質(zhì)量、JOPENS系統(tǒng)臺站配置參數(shù)的準實時監(jiān)控及臺站觀測環(huán)境背景噪聲功率譜密度的對比分析。