乌加河数字测震台的台基背景噪声分析①

摘 要：该文以位于内蒙古西部山区的乌加河地震台山洞台基为基础，利用台站架设的超宽带速度信号记录仪器和加速度信号记录仪器，在一定时间范围内以其记录的夜间噪声数据为计算资料，使用改进的周期图方法，在1～20 Hz观测频带范围内计算台基噪声功率谱密度及台基噪声有效值RMS值，在考虑台站台基条件和周围干扰因素的情况下，综合分析了乌加河地震台的台基噪声水平，得到的台基噪声水平总体较为理想，按照台基噪声有效值划分为Ⅰ级台基条件，台基噪声功率谱较好地反映了台基噪声水平和分布特征，该台站噪声水平较低，计算的频带范围内均在全球噪声模型下限水平甚至超过低噪声模型NLNM以下，噪声功率谱低频段垂直向明显小于水平向，而两水平向基本水平一致，这是因为对长周期而言，水平噪声功率谱可能明显大于垂直噪声，主要原因是由于倾斜，重力耦合到了水平分量中，而不耦合到垂直分量中，倾斜可能是由交通、风或者当地大庋沽Φ牟ǘ引起的。另外加速度仪器由于自身噪声水平高的原因，计算结果不能有效反映台基噪声水平，但其记录大地震同样出色。

关键词：台基背景噪声 功率谱密度 RMS 乌加河地震台

中图分类号：P31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（c）-0011-05

地震记录本身是一个叠加信号，包含仪器自噪声、地脉动噪声、地震信号等，当地震波的振幅大于台基噪声的振幅时，才能够识别并处理地震波的观测数据。记录信噪比指的是地震波的振幅与台基噪声振幅之比。应用地震学的一个主要研究问题是如何保证地震记录高信噪比，在背景噪声水平高的地区进行地震观测，有时地震信号完全被噪声信号淹没。对于宽频带地震观测来说，无法使用一个简单的信噪比值来描述，需要在频率域中来描述噪声谱的分布。对地震台站的台基噪声记录进行功率谱分析，是了解台基噪声频谱特征、评价台站对地震波观测能力的重要手段，台站的台基噪声水平差别较大，各自特征也不尽相同，该文主要研究乌加河测震观测台址的背景噪声特征，并进行综合分析，通过研究对于提高测震台站观测质量具有实际意义。

1 台址概况

乌加河地震台位于内蒙古自治区西部巴彦淖尔市境内的阴山山脉南麓，测震观测山洞约130 m，台基为古生代花岗岩，观测洞室自然干扰背景小且较为稳定，周围无铁路、公路、河流、厂矿企业等干扰源，观测室温度日变小于0.02℃，年变小于0.5℃。该台站是目前内蒙古测震台网子台中观测条件最好的台站，缘于良好的台基条件，“十五”项目装配了JCZ-1超宽带地震计和BBAS-2加速度计，以及大动态范围的24位数据采集器。JCZ-1地震计频带范围为360 s～50 Hz，采样率为100 sps，动态范围大于140 dB；BBAS-2加速度计频带范围为DC～80 Hz，采样率为200 sps，动态范围大于130 dB。台站数字地震仪器自2007年运行以来，积累了大量波形数据，地震事件记录信噪比高，连续多年资料评比第一名，在地震监测与科学研究方面发挥了极其重要作用。大地震发生时，震中附近速度型地震计记录地震信号往往会限幅，新一代的加速度计，既具有标准的短周期地震计那样高的灵敏度，又具有大动态范围的特性，所以加速度计可以应用于短周期台网，可以工作得像短周期地震计一样出色，同时安装两套传感器才可以保证信号不会限幅，具有6个数据记录通道（3个用来记录微震动，3个用来记录强震动）的产品无疑是最前沿的技术，他们可以覆盖整个大小地震事件的动态范围，从最低点地震噪声到最强烈的破坏性地震事件都能记录到。

2 资料选取

对于某个特定的测震台站，其台基噪声的影响因素相对固定，且变化不大，台基噪声具有相对稳定的分布和幅度[1]。台基噪声是随时间不断变化的，白天和夜间的噪声水平由于环境因素的变化而不同，除地震事件或者大风外，测震台站的台基噪声水平受到天气的影响有一定的起伏变化，日间时段多人为干扰因素存在，夜间时段为最安静时段，基本代表了该测震台站噪声水平和分布特征的统计量，从时域到频域范围研究噪声水平能够反映台基噪声谱在各个频点的幅值分布。数据一般选取无地震事件或其他干扰的时间段，该文选取该台站2016年9月以来00时至05时的多个样本数据，通过浏览确保无地震事件和显著干扰记录后采用计算，当然9月内蒙古西部地区台站区域无大风天气，风力较为稳定。

3 计算方法与步骤

3.1 计算方法

噪声数据是一个叠加各种频率波的随机信号，功率谱密度可以表示随机信号的频率成分及其相对强弱，功率谱密度计算基于有限长度的数据，功率谱的估算通常使用的方法有周期图法、自相关法、参数模型法。该文使用Welch方法，该方法为改进的周期图法[2]，属于功率谱密度的非参数估计方法。

Welch方法由噪声信号的采样序列估算，使用快速傅立叶变换FFT，首先将输入数据分段，数据分段是为了保证频谱分辨率，数据分段数量越多，则计算结果的方差越小，数据分段的长度越长，频谱分辨率越高，越能反映长周期频段的情况。各分段数据之间可以有部分重叠，一般重叠数据50%，然后对每一段数据应用窗函数进行加权处理计算周期图，对分段数据使用汉宁窗函数，降低了FFT计算过程中的频谱泄露，最后对各分段周期图进行平均后得到功率谱，对各分段周期图进行平均可以降低FFT功率谱计算结果的抖动，也就是降低了噪声功率谱结果的标准差。Matlab中提供了可以直接使用的函数pwelch，计算效率高且编程简单，一般为了得到较好的估算结果，我们一般采用整小时连续记录数据进行计算。噪声功率谱采用通用的地脉动噪声加速度功率谱密度Pa（ω）描绘地动背景噪声功率谱，单位为分贝（db），1 db对应1（m/s2）2/Hz，并绘制出在一定频段内的记录台基地动噪声加速度功率谱密度曲线图[3]。

3.2 计算步骤

3.2.1 直流偏移去除

在数字地震记录中往往会出现直流偏移，这个信号不表示真实的地面运动，在实际计算过程中必须消除这一直流分量[4]。具体操作方法是对选取的整个记录点数据取平均，平均值就作为直流偏移量，然后对每个点减去平均值作为该点记录值，这一过程就是直流偏移去除过程，表达式为：

式中为每个采样点的值；N为记录长度的总采样数。

3.2.2 仪器响应扣除

需要将以数字数表示的采样幅值使用地震计灵敏度值和数据采集器的转化因子组成的观测系统灵敏度转换为地动速度值，为获得地动噪声的绝对量值，需要扣除掉仪器的影响，观测系统的传递函数一般表达式为：

式中为系统灵敏度；为归一化常数；和分别代表传递函数的零点和极点。

3.2.3 计算台基噪声功率谱

以时间函数f（t）为处理后的噪声记录信号，进行快速傅立叶变换，取其频域结果绝对值的平方得到噪声功率谱：

式中N的取值为2的幂次，实函数通常称为功率谱或能量谱，更确切地说，叫功率谱密度PSD或能量谱密度[5]。

3.2.4 计算台基噪声有效值

台基噪声有效值即均方跟振幅值RMS，在一定程度表征_基噪声水平，由功率谱密度PSD可计算噪声有效值RMS：

式中为分度倍频程中心频率，为中心频率，根据标准的规定[6]，用1/3倍频程滤波器计算RMS值：

4 计算结果

利用北京港震公司的数字地震仪参数测定系统软件对数据进行了处理，图1为2016年9月4日夜间时段JCZ-1速度记录的三分向噪声功率谱曲线，图2为2016年9月4日夜间时段BBAS-2加速度记录的三分向噪声功率谱曲线，由于篇幅有限，这里仅对台站9月份最具代表性功率谱进行分析，其余时间段除个别时段有干扰外计算结果基本与图1相类似。夜间为平静期，噪声水平基本一致但也不尽完全相同，该文在1～20 Hz观测频带范围内计算功率谱密度及RMS值。表1为夜间00点至05点各个时段的噪声有效值，分别以速度和加速度表示的噪声有效值，二者因噪声功率谱可换算，所以这里也可以换算。表1中系统灵敏度数值偏大是因为选取数据是从EDAS-24GN数采存储中下载，所以存在16倍增益关系，如若是数采实时输出数据便不存在此问题，在实际数据应用中注意了此问题。

地面运动速度记录的功率谱密度（PSD）在1～20 Hz频带范围的均方根（rms）值代表环境地噪声水平，表1中各时段的三分向地噪声水平的平均值分别为2.08×10-8 m/s（UD向），2.12×10-8 m/s（EW向），1.94×10-8 m/s（NS向），按照环境地噪声水平等级划分为Ⅰ级台基条件[7]。

5 分析与结论

由于该次计算数据选取在无其他干扰的较理想时段，计算结果基本反映了台站夜间噪声水平和分布特征，也即最安静时段噪声水平。从速度记录计算得到的台基噪声功率谱密度结果看，在1～20 Hz频带范围内频谱良好，1993年美国USGS（美国地质调查局）利用全球范围75个地点观测数据得到的地动噪声功率谱密度曲线集，由其包络得到了新的全球公认的地球正常噪声新模型[8]，即地球高噪声模型NHNM和低噪声模型NLNM，从图1中可以看出，在0.03～1 Hz频带内台站的噪声谱与NLNM相吻合，证明该台站在该频段噪声水平是非常低的；台站噪声功率谱不仅反映出了周期在6 s附近与主要噪声相关的二次海洋微震动，也较清晰地反映了在14 s±2 s的较小的原始海洋微震动，而且均在其下限水平甚至超过低噪声模型NLNM；在0～0.1 Hz的低频段内，垂直向噪声功率谱明显小于水平向，而两水平向基本水平一致，因为对长周期而言，水平噪声功率谱可能明显大于垂直噪声，这主要是由于倾斜，重力耦合到了水平分量中，而不耦合到垂直分量中，倾斜可能是由交通、风或者当地大气压力的波动引起的；在2～50 Hz的高频段，台基噪声功率谱明显上升，台基噪声主要来源于各种近场干扰源和风吹等高频影响；计算频带内噪声功率谱密度在-180～-140 db之间，总体水平较低，利于地震观测。

利用加速度仪器也可以评估台站噪声水平，图2结果为该台站加速度地震计记录数据计算的噪声功率谱密度，根据与其仪器自噪声的对比，得到的噪声功率谱基本为其仪器本身的噪声功率谱，即仪器自噪声大于外界环境噪声，不能用来考察外界噪声水平，只能说明台站周围无较大干扰源的存在，对于台站的台基噪声水平研究没有实际意义。

地震观测仪器的噪声限制了仪器的分辨力，测震台站台基噪声限制了微震监测能力。从长期来看，台基噪声水平是统计平稳的，也就是说长时间尺度的台基噪声功率谱估计基本代表了台站点台基噪声水平。同时每个台站的台基噪声功率谱的分布有其自身的特点，通过对台基噪声功率谱进行统计分析，跟踪台基噪声水平和台基噪声功率谱形态的变化，识别台基噪声的异常情况，从而为进一步分析判断观测环境变化、观测仪器状态提供信息。台基背景噪声的频谱分布是不均匀的，计算台基噪声得到频谱分布对于评估台站监测能力十分重要，功率谱密度（PSD）在1～20 Hz频带范围的均方根（rms）值也在一定程度代表环境地噪声水平。

参考文献

[1] 中国地震局.测震学原理与方法[M].北京：地震出版社，2015.

[2] 杨晓明，晋玉剑，李永红.经典功率谱估计Welch法的MATLAB仿真分析[J].电子测试，2011（7）：101-104.

[3] 中国地震局监测预报司.地震学与地震观测[M].北京：地震出版社，2007.

[4] 刘瑞丰，陈培善，党京平，等.宽频带数字地震记录仿真的应用[J].地震地磁观测与研究，1997，18（3）：7-12.

[5] 巴特，著.地球物理物理学中的谱分析[M].郑治真，等，译.北京：地震出版社，1978.

[6] GB/T 3241-1998，倍频程和分数倍频程滤波器[S].北京：中国标准出版社，1998.

[7] GB/T 19531.1-2004，《地震台站观测环境技术要求》第1部分：测震[S].北京：中国标准出版社，2004.

[8] J.Peterson.Observation and Modelling of background Seismic Noise[M].U.S geol.surv.tech.rept，Open File Report，1993：93-322.