烈度計(jì)臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與異常檢測

方一成 周藍(lán)捷 方偉華 王遹其 薛蕾

1.福建省海洋地震觀測中心；2.中國地震局廈門海洋地震研究所

福建省當(dāng)前共有一般站觀測點(diǎn)1100 個(gè)，使用三種不同的地震烈度計(jì)，分別是300 臺Palert、310 臺TMA-33、290 臺VH-GL-LDY 以及待建設(shè)200 臺。其中Palert 使用電信有線網(wǎng)絡(luò)連接，TMA-33 和VH-GL-LDY 通過接入鐵塔集團(tuán)FSU 使用無線網(wǎng)絡(luò)方式連接，同時(shí)烈度計(jì)臺網(wǎng)包含多個(gè)供應(yīng)商硬件和設(shè)備、多種基礎(chǔ)設(shè)施，烈度計(jì)亦有不同的安裝方式。在臺網(wǎng)運(yùn)行過程中，部分站點(diǎn)受背景噪聲、儀器自噪聲、安裝情況等因素影響，掉線較為頻繁，波形出現(xiàn)異常，影響地震烈度速報(bào)及日常運(yùn)維工作，而當(dāng)前對烈度計(jì)的相關(guān)異常檢測方法較少。本文對福建省900 個(gè)一般站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過Python 編程實(shí)現(xiàn)一般站地震數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理，通過Pwelch 法分析烈度計(jì)噪聲水平，比較分析三種不同型號烈度計(jì)傳感器性能，對900 個(gè)一般站進(jìn)行噪聲異常檢測，確定問題站點(diǎn)，提高運(yùn)維效率。

1 概述

1.1 烈度計(jì)臺網(wǎng)基本情況

2015 年福建簡易烈度計(jì)示范項(xiàng)目300 個(gè)一般站，覆蓋廈漳泉莆地區(qū)，使用Palert 地震烈度計(jì)；2020 年6 月30 日，國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程子項(xiàng)目完成600 個(gè)一般站的建設(shè)，覆蓋福建全省，使用TMA-33、VH-GLLDY，通過接入鐵塔集團(tuán)FSU（基站智能動(dòng)環(huán)監(jiān)控單元）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理與數(shù)據(jù)傳輸。

如圖1 所示烈度計(jì)型號分別為Palert、TMA-33、VH-GL-LDY。

圖1 福建省一般站所用簡易烈度計(jì)Fig.1 Simple intensity meter for general station in Fujian Province

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

烈度計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)處理包括運(yùn)行連續(xù)率、儀器性能指標(biāo)、波形記錄、發(fā)生地震事件波形記錄、噪聲相關(guān)處理等。1993 年，Peterson 研究全球范圍地震臺站的環(huán)境噪聲功率譜密度，提出了地球低噪聲新模型和地球高噪聲新模型。2004 年，McNamara 和 Buland 提出了一種新的統(tǒng)計(jì)方法，通過計(jì)算概率密度函數(shù)來評估給定地震臺站的全范圍噪聲[1]。目前，概率密度函數(shù)方法被國內(nèi)外等多個(gè)國家廣泛應(yīng)用于地震臺站背景噪聲水平評價(jià)及地震環(huán)境噪聲特征分析。2006 年，Marzorati S 通過功率譜概率密度函數(shù)分析研究了意大利中北部背景地震噪聲，受到晝夜變化、季節(jié)變化、風(fēng)暴等因素影響[2]。2012 年，Rastin S J 使用PDF 方法分析了新西蘭北島國家地震臺網(wǎng)五年記錄，通過噪聲的每日變化和季節(jié)性變化，評估地震檢測能力[3]。2019 年王芳等人利用中國地震臺網(wǎng)兩年內(nèi)連續(xù)波形記錄，通過計(jì)算噪聲功率譜密度和概率密度函數(shù)，對中國大陸地區(qū)的臺基噪聲水平進(jìn)行了初步分析[4]。2014 年曲明哲等人研究了簡易烈度計(jì)中使用的MEMS 加速度傳感器噪聲問題，通過理論分析和實(shí)測背景噪聲，對不同的加速度計(jì)進(jìn)行噪聲記錄和噪聲譜分析，得到在特定帶寬內(nèi)MEMS 加速度計(jì)的噪聲水平[5]。2019年許可等人在天津建設(shè)了80 個(gè)簡易烈度計(jì)點(diǎn)，進(jìn)行地震觀測，與測震臺、強(qiáng)震臺共同組成天津地震預(yù)警觀測網(wǎng)，研究烈度計(jì)數(shù)據(jù)記錄、儀器性能指標(biāo)及噪聲水平[6]。2019年柳艷麗等人通過設(shè)計(jì)烈度計(jì)臺站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對臺站供電、網(wǎng)絡(luò)、I/O 開關(guān)量、烈度計(jì)狀態(tài)等信息的采集及遠(yuǎn)程控制等功能，并在天津烈度計(jì)臺網(wǎng)進(jìn)行部署，提高了故障排查及維護(hù)效率[7]。

2 烈度計(jì)臺網(wǎng)噪聲分析及異常檢測

本文使用pwelch 法計(jì)算功率譜。周期圖法是將輸入的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換，再以系數(shù)等價(jià)功率譜的方法。Welch(加窗平均周期圖法)是一種周期圖法的改進(jìn)方法，先使相關(guān)地震數(shù)據(jù)x(n)在進(jìn)行周期圖法計(jì)算功率譜之前，乘以窗函數(shù)w(n)（n=0，1，…，N-1）,使數(shù)據(jù)每段數(shù)據(jù)有一定的重疊率。周期圖法的曲線波動(dòng)更大，即方差更大，Welch 法的曲線更加平滑，即方差較小。

pwelch 法利用Welch 平均功率圖法返回地震數(shù)據(jù)的功率譜密度。不定義其他參數(shù)，對相關(guān)數(shù)據(jù)使用pwelch函數(shù)，地震數(shù)據(jù)x將被分成8 段，相關(guān)片段的重疊率為50%。當(dāng)輸入的地震數(shù)據(jù)無法分為滿足50%重疊的8 個(gè)片段時(shí)，pwelch 函數(shù)會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)裁剪。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)x是向量時(shí)，它被當(dāng)做一個(gè)單通道信號，當(dāng)x是矩陣時(shí)，x的每一列被當(dāng)做一個(gè)通道的信號，其psd結(jié)果相對應(yīng)與psd的每一列。如果x是實(shí)值信號，則pxx是單邊譜估計(jì)。如果x是復(fù)數(shù)信號，則pxx是雙邊譜估計(jì)。

pwelch 相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

pxx為功率譜估計(jì)值，f為pxx值所對應(yīng)的頻率點(diǎn)，fs為繪制功率譜曲線的抽樣頻率，默認(rèn)數(shù)值為1。

通過pwelch 法對900 個(gè)一般站數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲水平處理分析。三種地震烈度計(jì)使用的傳感器都是三分量MEMS加速度計(jì)。對某一時(shí)段900 個(gè)一般站烈度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲水平處理分析，如圖2 所示。在0.2 ～10Hz 范圍內(nèi)，900個(gè)一般站烈度計(jì)整體噪聲水平范圍約40 ～80db。

圖2 900 個(gè)一般站地震烈度計(jì)噪聲密度曲線Fig.2 Noise density curve of seismic intensity meter at 900 general stations

一般站地震烈度計(jì)分為三種型號：即Palert、TMA-33 和VH-GL-LDY。在程序中設(shè)置對應(yīng)烈度計(jì)型號的靈敏度參數(shù)，對同一時(shí)段三種不同型號烈度計(jì)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行噪聲處理分析及異常檢測。具體結(jié)果如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 Palert 地震烈度計(jì)噪聲密度曲線Fig. 3 Noise density curve of Palert seismic intensity meter

圖4 TMA-33 地震烈度計(jì)噪聲密度曲線Fig. 4Noise density curve of TMA-33 seismic intensity meter

圖5 VH-GL-LDY 地震烈度計(jì)噪聲密度曲線Fig. 5 Noise density curve of VH-GL-LDY seismic intensity meter

對比三種不同型號的烈度計(jì)噪聲曲線及功率譜，在0.1 ～10Hz 頻率范圍內(nèi)，300 臺Palert 地震烈度計(jì)的等效動(dòng)態(tài)范圍約為40 ～82db；310 臺TMA-33 約在50 ～75db之間；290 臺VH-GL-LDY 約在48 ～75db 之間，均有部分站點(diǎn)存在噪聲異常情況。參考國內(nèi)外對各類加速度計(jì)的噪聲譜圖，Palert、TMA-33、VH-GL-LDY 所使用的加速度計(jì)均屬于民用及消費(fèi)品級MEMS 加速度計(jì)，因所處理的地震數(shù)據(jù)帶有大量真實(shí)環(huán)境噪聲，所繪制的噪聲圖譜的區(qū)間數(shù)值比理論值更高，離NHNM 更遠(yuǎn)，因此福建省臺網(wǎng)烈度計(jì)所使用的MEMS 加速度計(jì)接近可應(yīng)用于地震監(jiān)測的工業(yè)級MEMS 加速度計(jì)。從噪聲曲線情況看，300 臺Palert 地震烈度計(jì)因更科學(xué)的選址以及長期有效的運(yùn)維工作，顯示出更穩(wěn)定的噪聲水平；新建的600 個(gè)一般站所使用的TMA-33 與VH-GL-LDY 有多個(gè)站點(diǎn)噪聲曲線波動(dòng)較大，較多站點(diǎn)存在噪聲異常情況。結(jié)合實(shí)地上站巡檢情況來看，有多個(gè)新建站點(diǎn)建設(shè)在高速公路、國道旁，環(huán)境噪聲較大；有部分站點(diǎn)存在儀器未固定、膨脹螺絲松動(dòng)、機(jī)箱松動(dòng)、儀器安裝不符合規(guī)范等情況。

對相關(guān)站點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)檢測，逐臺排查，發(fā)現(xiàn)噪聲異常站點(diǎn)代碼為B4410，地址為莆田市秀嶼區(qū)湄洲島，其噪聲密度曲線如圖6 所示，三分量中的UD 與NS 均在20db 以上，并且向上漂移。經(jīng)檢測，B4410 網(wǎng)絡(luò)連通正常，延時(shí)正常，通過查看其波形情況，發(fā)現(xiàn)波形存在異常。經(jīng)運(yùn)維人員現(xiàn)場檢查，系統(tǒng)機(jī)器內(nèi)部元件損壞。

圖6 B4410 站點(diǎn)噪聲密度曲線及波形情況Fig.6 Noise density curve and waveform of site B4410

3 結(jié)語

當(dāng)前福建省烈度計(jì)臺網(wǎng)有三種不同型號的地震烈度計(jì)，同時(shí)烈度計(jì)有不同的安裝方式，網(wǎng)絡(luò)連接方式及安裝環(huán)境亦參差不齊。本文在Visual Studio 平臺上使用Python 語言編程，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)下載任意時(shí)間段900 個(gè)一般站地震數(shù)據(jù)，以MSEED 格式和SAC 格式保存至本地端。通過對900 個(gè)一般站地震數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲處理分析，得到三種不同類型地震烈度計(jì)的傳感器性能區(qū)間，Palert的等效動(dòng)態(tài)范圍更接近NHNM，整體曲線更加平滑，更加穩(wěn)定，TMA-33 與VH-GL-LDY 整體性能接近，三種不同類型的烈度計(jì)均存在部分站點(diǎn)噪聲異常情況，分析特定時(shí)段三種不同型號地震烈度計(jì)的噪聲密度曲線及功率譜，通過循環(huán)檢測，逐臺排查，結(jié)合相關(guān)波形數(shù)據(jù)，能夠快速確定異常站點(diǎn)，結(jié)合實(shí)地上站情況，確認(rèn)相關(guān)問題原因，為今后烈度計(jì)臺網(wǎng)的運(yùn)維及遷址工作提供參考。