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MI 3000和GL-P2C地震烈度儀性能對比

2021-10-13 14:31龍劍鋒駱佳驥
地震地磁觀測與研究 2021年3期
關(guān)鍵詞:背景噪聲烈度儀器

龍劍鋒 駱佳驥 陳 勝

(中國合肥 230031 安徽省地震局)

0 引言

隨著國家地震烈度速報與預(yù)警工程安徽子項目的持續(xù)推進(jìn),安徽省正逐步構(gòu)建測震、強震動、地震烈度三網(wǎng)融合的地震預(yù)警臺網(wǎng)。地震預(yù)警臺網(wǎng)中除采用傳統(tǒng)的地震計和加速度計外,還將采用地震烈度儀。地震烈度儀是配備MEMS 傳感器的加速度計,具有成本低、體積小、能耗低、靈敏度高等優(yōu)點,便于鋪設(shè)高密度臺網(wǎng)。利用高密度部署的地震烈度儀,可在震后幾秒內(nèi)提供強地面運動圖,在及時提供關(guān)鍵性地震信息、減小預(yù)警盲區(qū)、縮短預(yù)警時間等方面具有較大優(yōu)勢(康濤,2018)。

近年來,針對地震烈度儀已開展許多測試和研究。如:王浩等(2013)對MEMS 加速度計與傳統(tǒng)加速度計記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明,二者對于較強地面震動的監(jiān)測效果相當(dāng);張紅才等(2017)以2015 年河北昌黎ML4.5 地震中測震、強震及烈度儀臺站記錄事件波形為研究對象,得到對于烈度儀臺站觀測記錄能力及特點的認(rèn)識;王光沖等(2019)對3 類地震儀器同臺址背景噪聲觀測記錄進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明,烈度儀無法有效記錄地脈動。

為進(jìn)一步規(guī)范地震監(jiān)測專業(yè)設(shè)備,中國地震臺網(wǎng)中心2019 年發(fā)布中國地震局已定型地震監(jiān)測專業(yè)設(shè)備名單。文中擬對名單中的MI 3000 和GL-P2C 地震烈度儀進(jìn)行同臺址觀測,對比分析2 種儀器的波形記錄特征及地震監(jiān)測能力。

1 資料選取

地震烈度儀觀測數(shù)據(jù)中大部分記錄為背景噪聲,其影響相對固定,地震記錄僅占少數(shù)。背景噪聲在一定程度上能夠直接反映儀器的實際記錄能力,可充分體現(xiàn)觀測儀器的地震監(jiān)測能力。

2019 年12 月18 日,安徽省地震局在合肥地震臺和該局儀器檢測室開展MI 3000 和GL-P2C 地震烈度儀性能比測試驗。合肥地震臺背景噪聲良好,安徽省地震局儀器檢測室背景噪聲較差,2 種烈度儀均架設(shè)在觀測場地同一擺墩上。在實驗過程中,合肥地震臺觀測擺墩上同步運行1 套SLJ-100 型三分向力平衡加速度計。其中:GL-P2C 地震烈度儀由北京港震儀器設(shè)備有限公司研制,MI 3000 地震烈度儀由北京東立博遠(yuǎn)科技有限公司研制,SLJ-100 型加速度計由中國地震局工程力學(xué)研究所研制。各儀器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 專業(yè)儀器主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of professional instruments

收集整理2019 年12 月至2020 年7 月2 個場地烈度儀觀測記錄,選取無地震事件24 h 背景噪聲記錄,計算其背景噪聲RMS 值、功率譜,總結(jié)波形記錄特征,對比分析2種烈度儀性能特征。

2 數(shù)據(jù)處理分析

2.1 加速度均方根

背景噪聲加速度均方根RMS 可以衡量臺站背景噪聲水平,在同臺址下可有效反映不同儀器的臺基噪聲記錄水平及地震監(jiān)測能力。對觀測儀器背景噪聲記錄進(jìn)行去均值、去趨勢等預(yù)處理,得到加速度記錄,并根據(jù)下式計算加速度均方根

式中,Xi為某點實測地加速度值,n為觀測點總數(shù)。

選取合肥地震臺2 套地震烈度儀與1 套加速度儀,安徽省地震局儀器檢測室2 套地震烈度儀,總計5 套儀器24 小時觀測數(shù)據(jù),以1 h 觀測數(shù)據(jù)為基本單位計算加速度均方根,結(jié)果見圖1,各分項RMS 值見表2。

由圖1(a)和表2 可知:合肥地震臺同臺址觀測的3 套儀器記錄背景噪聲加速度值均方根RMS 最大值與最小值之間至少相差1 個量級,其中加速度儀記錄的背景噪聲RMS 值最低,三分向均值最高為5.6×10-5m·s-2(NS 向);MI 3000 地震烈度儀背景噪聲RMS 值最高,三分向均值最高為1.9×10-3m·s-2(UD 向)。

表2 5 套儀器的RMS 值分布Table 2 The distribution of RMS values of five types of instrument

圖1 5 套儀器記錄RMS 值(a)合肥地震臺觀測數(shù)據(jù);(b)儀器檢測室觀測數(shù)據(jù)Fig.1 The RMS values of five types of instrument

觀測儀器記錄的背景噪聲由儀器自噪聲和觀測點臺基噪聲組成,即

開展同臺址觀測對比實驗時,不同儀器相同時間段記錄的背景噪聲中臺基噪聲一致。鑒于3 套儀器記錄的差異性,令加速度儀記錄的背景噪聲為臺基噪聲,即

計算得出合肥地震臺GL-P2C 地震烈度儀記錄的背景噪聲中,臺基噪聲占比約為10.7%;MI 3000 地震烈度儀記錄的背景噪聲中,臺基噪聲占比約為3.7%。由此得知該臺2套烈度儀記錄均為儀器自噪聲,無有效地脈動信號。

對比合肥地震臺2 套地震烈度儀記錄的背景噪聲得知:MI 3000 地震烈度儀自噪聲水平為GL-P2C 地震烈度儀記錄的3 倍左右;2 種地震烈度儀記錄水平向噪聲水平約為垂直向噪聲水平的50%。

對比合肥地震臺和儀器檢測室2 處站點同型號烈度儀記錄的背景噪聲加速度值均方根RMS 值,可以得出:MI 3000 地震烈度儀在2 處站點記錄的背景噪聲RMS 值相近,三分向均值差異比約為7.8%,即儀器檢測室MI 3000 地震烈度儀記錄為儀器自噪聲,無有效地脈動信號;GL-P2C 地震烈度儀在2 處站點記錄的背景噪聲RMS 值相近,三分向均值差異比約為68.00%,即儀器檢測室GL-P2C 地震烈度儀記錄到有效地脈動信號。

2.2 噪聲功率譜

噪聲功率譜分析是依據(jù)所采用的數(shù)字地震儀類型及其零點和增益參數(shù),計算所在臺基的地噪聲功率譜密度曲線。計算所選取無地震事件記錄的背景噪聲功率譜,得到2 種烈度儀分別在2 個觀測點的噪聲功率譜曲線,見圖2。

圖2 4 套儀器的地震烈度儀的噪聲功率譜(a)合肥地震臺觀測數(shù)據(jù);(b)儀器檢測室觀測數(shù)據(jù)Fig.2 The noise power spectra recorded by four types of instrument

圖2(a)為合肥地震臺2 套烈度儀記錄的儀器自噪聲功率譜曲線,可見GL-P2C 地震烈度儀頻帶范圍為DC—80 Hz,MI 3000 地震烈度儀頻帶范圍為DC—40 Hz。2 套烈度儀噪聲功率譜曲線中部分頻點對應(yīng)的功率譜數(shù)值見表3。由表3 可知:在DC—40 Hz 范圍內(nèi),GL-P2C 地震烈度儀信號噪聲功率譜數(shù)值比MI 3000 地震烈度儀低,特別是在頻帶0.4—40 Hz,比之降低約10 dB。

表3 2 套儀器的各頻點噪聲功率譜Table 3 The noise power spectra at each frequency of two types of instrument

對比合肥地震臺和儀器檢測室2 處站點4 套烈度儀記錄的噪聲功率譜曲線,可知:在DC—10 Hz 和20—40 Hz 范圍內(nèi),不同地點的2 套MI 3000 地震烈度儀噪聲功率譜一致性較好;在DC—10 Hz 范圍內(nèi),不同地點的2 套GL-P2C 地震烈度儀噪聲功率譜一致性較好;在10—20 Hz 范圍內(nèi),儀器檢測室2 套地震烈度儀噪聲功率譜均降低約10 dB,可知其臺基噪聲集中在10—20 Hz 范圍內(nèi)。

3 結(jié)論與討論

對2 種地震烈度儀在2 個觀測點進(jìn)行同臺址背景噪聲記錄比測,分析時域范圍加速度均方根和頻域內(nèi)噪聲功率譜,發(fā)現(xiàn):GL-P2C 地震烈度儀頻帶范圍為DC—80 Hz,MI 3000地震烈度儀的頻帶范圍為DC—40 Hz;MI 3000 地震烈度儀自噪聲水平約為GL-P2C 地震烈度儀自噪聲水平的3 倍。綜上所述,在頻帶范圍、自噪聲等性能上,GL-P2C 地震烈度儀相對優(yōu)于MI 3000 地震烈度儀。

在國家地震烈度速報與預(yù)警工程(以下簡稱預(yù)警工程)建設(shè)過程中,一般站點由中國鐵搭股份有限公司承建,所有站點依托現(xiàn)有通訊基站建設(shè),站點之間背景噪聲水平相差較大。為了保障預(yù)警工程實施安全性,兼顧廠家生產(chǎn)和售后服務(wù)能力,按照中國地震臺網(wǎng)中心整體部署,各省預(yù)警工程一般站點采用MI 3000 和GL-P2C 兩種不同型號的地震烈度儀,經(jīng)性能對比,GL-P2C 地震烈度儀更適用背景噪聲水平較優(yōu)的站點。

優(yōu)化布局預(yù)警工程地震烈度監(jiān)測網(wǎng),優(yōu)選適合監(jiān)測站點的地震烈度儀,可豐富一般站點的實測記錄,進(jìn)而提高烈度速報監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測能力。

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