策克臺井下寬頻帶地震計(jì)GL-S120B正弦波標(biāo)定衰減因子的討論

馮雪東 李貴明 劉芳 安全 胡瑋

1)烏加河地震臺，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015331 2)內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地震監(jiān)測環(huán)境受到的干擾越來越大。安裝一套受環(huán)境噪聲干擾小的地震計(jì)對臺站產(chǎn)出高質(zhì)量數(shù)據(jù)尤為重要。在多種地震監(jiān)測設(shè)備中，井下寬頻帶地震計(jì)由于遠(yuǎn)離地面干擾源而降低了環(huán)境對數(shù)據(jù)的干擾，提高了信噪比，具有良好的應(yīng)用前景(周煥鵬，1986)。

內(nèi)蒙古地震局烏加河中心地震臺策克子臺是中國地震背景場探測項(xiàng)目建設(shè)的固定觀測臺站之一，策克臺井下寬頻帶地震計(jì)GL-S120B現(xiàn)已安裝完畢并即將投入運(yùn)行。筆者對 GL-S120B 的頻率特征進(jìn)行正弦標(biāo)定，選擇一系列頻點(diǎn)進(jìn)行測試，用來測量地震計(jì)在全頻帶上的幅度響應(yīng)(江曉濤等，2015)，為今后的儀器穩(wěn)定運(yùn)行及維護(hù)奠定基礎(chǔ)。為保證標(biāo)定檢測結(jié)果的準(zhǔn)確可信，在標(biāo)定之前必須選用一套合理的頻點(diǎn)參數(shù)?，F(xiàn)針對GL-S120B正弦波標(biāo)定過程中頻點(diǎn)參數(shù)的選擇進(jìn)行分析，最終確定一組合理的參數(shù)，并對該參數(shù)相應(yīng)的標(biāo)定響應(yīng)波形進(jìn)行計(jì)算。

1 頻點(diǎn)討論

策克臺井下寬頻帶地震計(jì)GL-S120B采用的數(shù)據(jù)采集器為EDAS-24GN6。如前所述，在對GL-S120B進(jìn)行標(biāo)定之前必須設(shè)置一套合理的頻點(diǎn)參數(shù)，但GL-S120B的儀器說明書中未給出正弦標(biāo)定的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，從地震臺網(wǎng)目前積累的各類資料中，也未找到對應(yīng)型號的標(biāo)定參數(shù)，筆者就該問題咨詢了多位相關(guān)專家，建議采用相近型號的BBVS-120寬頻帶地震計(jì)的頻點(diǎn)參數(shù)(表1)進(jìn)行標(biāo)定。

表1 BBVS-120正弦標(biāo)定的頻點(diǎn)參數(shù)

在采用表1 的參數(shù)完成標(biāo)定后，發(fā)現(xiàn)各頻點(diǎn)的周期數(shù)與周期/頻率的設(shè)置均正確，但是第3至第7頻點(diǎn)的波形出現(xiàn)了振幅超范圍的問題(圖1)，表明寬頻帶地震計(jì)BBVS-120的正弦標(biāo)定頻點(diǎn)參數(shù)不能直接作為GL-S120B的正弦標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 參照BBVS-120的正弦標(biāo)定頻點(diǎn)參數(shù)對GL-S120B進(jìn)行正弦標(biāo)定的結(jié)果

結(jié)合地震計(jì)靈敏度、標(biāo)定靈敏度及數(shù)據(jù)采集器量程等地震儀固有參數(shù)特征，綜合分析正弦標(biāo)定的原理，筆者認(rèn)為限幅的原因在于正弦標(biāo)定設(shè)置的衰減因子λ偏小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集器設(shè)定的標(biāo)定電流輸入到地震計(jì)后偏大，地震計(jì)向數(shù)據(jù)采集器輸出的電壓值超過了數(shù)據(jù)采集器的量程范圍。因此需要從標(biāo)定過程進(jìn)行分析，通過修正現(xiàn)有資料中的衰減因子，設(shè)定合理的正弦標(biāo)定頻點(diǎn)參數(shù)。

1.1 標(biāo)定過程分析

在EDAS-24GN6數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置正弦標(biāo)定的頻點(diǎn)參數(shù)：衰減因子λ，頻率f，周期數(shù)N；數(shù)據(jù)采集器的標(biāo)定信號發(fā)生器向地震計(jì)標(biāo)定線圈中輸入滿幅值為Im的正弦電流信號，實(shí)時(shí)電流i(t)為恒流信號，即標(biāo)定電流大小與負(fù)載無關(guān)(呂永清等，2007)，僅與頻率f、衰減因子λ、滿幅標(biāo)定電流值Im有關(guān)(蔡亞先等，2005)

i(t)=Im·sin(2πft)/λ

(1)

在GL-S120B的標(biāo)定線圈中輸入正弦電流信號后，電磁感應(yīng)產(chǎn)生磁場，地震計(jì)擺錘在磁場中受到磁力F而擺動(在負(fù)平衡反饋系統(tǒng)作用下，擺錘并未發(fā)生擺動，但地震計(jì)輸出電流等效于擺錘發(fā)生了擺動，即“等效擺動”，下文“擺動”均為等效擺動)。滕云田(2001)給出擺錘擺動加速度a(t)、擺錘質(zhì)量m與電流i(t)的關(guān)系為

F=m·a(t)=B·2πnr·i(t)

(2)

其中，n為標(biāo)定線圈匝數(shù)，r為標(biāo)定線圈半徑，2πnr為標(biāo)定線圈長度，B為磁場強(qiáng)度。令G=2π·Bnr/m為地震計(jì)的標(biāo)定常數(shù)，單位為m/s2/A。則有

a(t)=G·i(t)

(3)

擺錘擺動的速度v(t)為加速度對時(shí)間的積分(江曉濤等，2015)，即

(4)

將式(1)、式(3)代入式(4)，有

v(t)=-G·Im·cos(2πft)/(2πfλ)

(5)

擺錘帶動工作線圈與磁缸相對運(yùn)動，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電動勢能，經(jīng)地震計(jì)系統(tǒng)電子線路處理，產(chǎn)生輸出電壓U(t)(Wielandt et al，1982)

U(t)=S0·v(t)=-S0·G·Im·cos(2πft)/(2πfλ)

(6)

其中，S0為地震計(jì)的電壓靈敏度，單位為V/m/s。U(t)的頻率和輸入電流信號的頻率對應(yīng)相同，但幅度和相位產(chǎn)生了變化(林湛，2008)。據(jù)式(6)，可知地震計(jì)輸出電壓峰值為

│Um│=S0·G·Im/(2πfλ)

(7)

地震計(jì)輸出電壓信號被數(shù)據(jù)采集器采集放大后輸出為標(biāo)定波形。數(shù)據(jù)采集器輸出信號d(t)與地震計(jì)輸出電壓U(t)的關(guān)系為

d(t)·k=U(t)

(8)

其中，k為數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換因子，單位為count/V。數(shù)據(jù)采集器輸出信號峰值為

(9)

(10)

將式(7)、式(9)代入式(10)，有

S0·G·Im/(2πfλ)≤Dm·k

fλ≥S0·G·Im/(Dm·k·2π)

(11)

fλ≥2000×80×0.02/(2π×10)≈50.93

(12)

由式(12)可知，在EDAS-24GN6數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置對GL-S120B地震計(jì)的正弦標(biāo)定參數(shù)時(shí)，頻率f與衰減值λ的乘積應(yīng)至少大于50.93，即fλ的限幅下限值為50.93。

1.2 限幅原因分析

地震計(jì)的歸一化幅頻特性反映了地震計(jì)在不同頻率處的靈敏度特征(中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2017)。GL-S120B的幅頻響應(yīng)特征如圖2所示，為了便于分析，這里將該曲線分為2部分：

圖2 GL-S120B幅頻響應(yīng)

(1)平坦響應(yīng)部分，頻帶為～0.01Hz

表2 平坦響應(yīng)部分出現(xiàn)限幅的頻點(diǎn)參數(shù)

(2)衰減響應(yīng)部分，頻帶為f<～0.01Hz和f>30Hz，此次標(biāo)定的第1、2、3、11和12頻點(diǎn)(圖2 中用紅色圓點(diǎn)標(biāo)出)均處于該段。地震計(jì)對這部分頻帶的響應(yīng)表現(xiàn)為：在低頻部分，靈敏度隨著頻率減小而衰減(如第1至第3頻點(diǎn))；在高頻部分，靈敏度隨著頻率增大而衰減(如第11和12頻點(diǎn))。據(jù)圖2 可知，在該部分，靈敏度下降速率為每倍頻程下降15dB。由于靈敏度的衰減，據(jù)式(11)，fλ的限幅下限值小于50.93，且靈敏度越小，fλ的限幅下限值越小(表3)。

表3 衰減響應(yīng)部分的頻點(diǎn)參數(shù)及其限幅下限

第1、第2頻點(diǎn)處，fλ雖小于50.93，但均大于各自的限幅下限，故均未出現(xiàn)限幅；而第3頻點(diǎn)的fλ略小于其限幅下限值，故其正弦波形表現(xiàn)為輕度限幅。

1.3 正弦標(biāo)定參數(shù)的修正

根據(jù)上述分析可知，由于GL-S120B標(biāo)定常數(shù)G相對較大，所以使用寬頻帶地震計(jì)BBVS-120的正弦標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定后出現(xiàn)標(biāo)定波形限幅問題，但其頻率、周期數(shù)的設(shè)置均無問題，可以較好地覆蓋GL-S120B的整個(gè)頻帶。故僅需適度增大各頻點(diǎn)相應(yīng)的衰減因子(表4)，即可避免出現(xiàn)限幅(圖3)。

表4 修正后的正弦標(biāo)定頻點(diǎn)參數(shù)

圖3 將衰減因子修正后重新標(biāo)定結(jié)果

2 正弦標(biāo)定計(jì)算

正弦標(biāo)定計(jì)算是對設(shè)置了特定正弦標(biāo)定參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行定量檢驗(yàn)，對標(biāo)定工作具有重要意義。

2.1 標(biāo)定參數(shù)的設(shè)置

烏加河地震臺采用Edsp-icheck軟件進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算。進(jìn)行正弦標(biāo)定計(jì)算之前，在計(jì)算軟件中設(shè)置好正弦標(biāo)定參數(shù)。地震計(jì)的標(biāo)定靈敏度以及靈敏度基準(zhǔn)值均為安裝地震計(jì)時(shí)的現(xiàn)場實(shí)測值。參照寬頻帶地震計(jì)BBVS-120正弦標(biāo)定頻點(diǎn)參數(shù)的設(shè)置說明，由于衰減因子λ放大了10倍，在進(jìn)行標(biāo)定結(jié)果計(jì)算時(shí)，應(yīng)該將滿幅標(biāo)定電流Im值縮小10倍，即為2mA。據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算，地震計(jì)靈敏度變化率高達(dá)1000%以上，顯然滿幅標(biāo)定電流設(shè)置不正確。筆者修正后的正弦標(biāo)定的頻點(diǎn)參數(shù)中，衰減因子均為實(shí)際值，并未放大，故應(yīng)將滿幅標(biāo)定電流值仍設(shè)置為20mA，即為20000uA(圖4)。

圖4 Edsp-icheck軟件正弦標(biāo)定參數(shù)設(shè)置界面

2.2 標(biāo)定結(jié)果與討論

依照圖4 設(shè)置的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行計(jì)算(歸一化頻率為1Hz)，得到的正弦標(biāo)定結(jié)果包括12個(gè)頻點(diǎn)的歸一化幅頻特性(表5)、3分向的幅頻響應(yīng)圖(圖5～7)、系統(tǒng)靈敏度以及地震計(jì)靈敏度變化率(表6、7)。計(jì)算結(jié)果顯示：三通道(分向)的幅頻響應(yīng)特征非常接近，GL-S120B 井下寬頻帶地震計(jì)對帶寬(40Hz～120s)內(nèi)的各頻率信號響應(yīng)較為平坦，地震計(jì)靈敏度對出廠實(shí)測值(表8)的變化率均在5%之內(nèi)，標(biāo)定結(jié)果理想。

表5 歸一化幅頻特性

圖5 GL-S120B第一通道幅頻響應(yīng)

表6 地震計(jì)靈敏度、數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換因子和觀測系統(tǒng)靈敏度計(jì)算結(jié)果

表7 地震計(jì)靈敏度標(biāo)定結(jié)果和其基準(zhǔn)值的比較

表8 GL-S120B井下寬頻帶地震計(jì)性能參數(shù)(靈敏度測試頻率為1Hz)

據(jù)圖5、圖6 和圖7，我們注意到在～2～20Hz頻帶內(nèi)，地震計(jì)的幅度響應(yīng)較理論值偏高，使幅頻響應(yīng)曲線在該頻帶范圍內(nèi)不夠平坦。經(jīng)初步分析，我們認(rèn)為該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是：觀測環(huán)境中存在不規(guī)律的高頻干擾信號，地震計(jì)在標(biāo)定時(shí)受到這種干擾，在5Hz、9Hz等頻點(diǎn)處測得的靈敏度較實(shí)際值偏高，與1Hz處測得的正常結(jié)果進(jìn)行散點(diǎn)連接后，造成幅頻響應(yīng)曲線在～2～20Hz頻帶內(nèi)呈現(xiàn)凸起形態(tài)；加之計(jì)算結(jié)果是用“線性”縱坐標(biāo)來表示的(圖4)，使這種“凸起形態(tài)”更為明顯。

圖6 GL-S120B第二通道幅頻響應(yīng)

圖7 GL-S120B第三通道幅頻響應(yīng)圖

地震震級mb、mB、MS分別在0.5～2.5s、3.5～12s和3.8～30s周期內(nèi)測算，即在～0.03～2Hz頻帶內(nèi)測得，而該頻帶內(nèi)幅頻響應(yīng)曲線整體較為平坦，僅在～0.03～0.1Hz范圍內(nèi)略為偏低，使10～30s內(nèi)測得的MS震級略小，故其對震級測定雖有一定的影響，但影響不大。在接下來的工作中，我們將針對這種不規(guī)律的高頻干擾信號展開更深入的研究，以期提高觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過多次實(shí)驗(yàn)，對衰減因子進(jìn)行修正，得出該系統(tǒng)的正弦波標(biāo)定的頻點(diǎn)參數(shù)參考值(表4)。采用同樣型號觀測系統(tǒng)的臺站也可以使用該套頻點(diǎn)參數(shù)對地震計(jì)進(jìn)行正弦標(biāo)定，并可通過放大(縮小)衰減因子來減小(增大)標(biāo)定結(jié)果中正弦波的幅度。

(2)通過分析得出，井下寬頻帶地震計(jì)GL-S120B(標(biāo)定常數(shù)G=80m/s2/A)因參照寬頻帶地震計(jì)BBVS-120(標(biāo)定常數(shù)G=10m/s2/A)的頻點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定常數(shù)G的增大使得GL-S120B正弦標(biāo)定出現(xiàn)響應(yīng)波形限幅問題。

(3)通過標(biāo)定計(jì)算，井下寬頻帶地震計(jì)GL-S120B的電壓靈敏度對其出廠測定值的變化率在5%范圍內(nèi)，其幅頻特性曲線整體較為平坦。

致謝：北京港震科技股份有限公司祝祥工程師為本次研究提供了地震計(jì)性能參數(shù)，審稿專家對本文提出了寶貴意見，在此一并表示感謝。