台基观测方式对地震台站背景噪声影响分析_杨亚运.pdf
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1、杨亚运,汪建,傅卓,等.台基观测方式对地震台站背景噪声影响分析 J.地震科学进展,2023,53(6):241-250.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-152YangYY,WangJ,FuZ,etal.InfluenceanalysisofobservationmodeforseismicstationonbackgroundnoiseJ.ProgressinEarthquakeSciences,2023,53(6):241-250.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-152学术论文台基观测方式对地震台站背景噪声影响分析*杨亚运汪建傅卓张巡(重庆市地震局
2、,重庆401147)摘要重庆地区 3 个地震台站经改造后,台基类型由深坑观测改变为地表观测。分别计算 3 个台站改造前后的噪声功率谱密度(PSD)及相应的概率密度函数(PDF),通过噪声功率谱平均噪声曲线,评估3 个台站台基背景噪声变化情况。计算结果表明,3 个改造台站环境噪声水平有所增加,尤其在 2Hz 以上的频段,其中合川云门台(YUM)最大增加 9dB,开县临江台(LIJ)最大增加 10dB,忠县善广台(SHG)最大增加 4dB。目前,3 个台站 120Hz 频带范围内环境噪声水平仍符合观测规范要求,但改变台基观测方式后,传感器接收到人为干扰噪声信号更丰富。因此,开展地震台站建设、改造施
3、工要慎重改变台基观测方式。关键词重庆地区;噪声功率谱密度;概率密度函数;环境噪声水平中图分类号:P315.61文献标识码:A文章编号:2096-7780(2023)06-0241-10doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-152Influence analysis of observation mode for seismic station on background noiseYang Yayun,Wang Jian,Fu Zhuo,Zhang Xun(ChongqingEarthquakeAgency,Chongqing401147,China)Abstract Thre
4、e seismic stations in Chongqing area have been reconstructed.And the type of station base ischanged from deep pit observation to surface observation.The PSD and PDF of the three stations before and afterreconstructionwerecalculatedrespectively,andthenoisepowerspectrumisusedtoaveragethenoisecurvetoev
5、aluatethebackgroundnoisevariationofthethreestations.Thecalculationresultsshowthat,theenvironmentalnoiselevelofthethreereconstructedstationsstillincreased,especiallyforfrequencybandsabove2Hz.ThemaximumincreaseofPSDis9dBatYUMstation,10dBatLIJstation,and4dBatSHGstation.Buttheoverallenvironmentalnoisele
6、velbetween120Hz bands of the three stations still meets the requirements of the observation specifications.However,afterchangingtheobservationmodeofthestationbase,thecomponentsofthenoisesignalreceivedbythestationchange*收稿日期:2022-10-13;采用日期:2022-11-30。基金项目:中国地震局 2022 年三结合课题(3JH-202201001)资助。通信作者:杨亚运(
7、1990-),男,工程师,主要从事地震台站运行维护工作。E-mail:yang_ya_yun_。第53卷第6期地震科学进展Vol.53No.62023年6月ProgressinEarthquakeSciencesJun.,2023significantly,especiallythehumanactivityrelatednoise.Sowhenwecarryouttheconstructionandreconstructionofseismicstations,itisnecessarytocarefullychangetheobservationmodeofthestationbase.K
8、eywordsChongqingarea;noisepowerspectraldensity;probabilitydensityfunction;ambientnoiselevel引言地震计墩(以下简称摆墩)主要是放置地震传感器,观测地震动现象的必要硬件设施。地震台站观测方式主要包括:地表摆墩观测、地下室摆墩观测、山洞摆墩观测及井下钻孔观测。由于特殊地质环境条件,有的地区风化层或泥岩层较厚,采取深坑摆墩观测也是可行的方式。作为传播地震动信息的载体,摆墩的深度、硬度、甚至形状对传感器接收地震动信息都有一定的影响。如何准确评估因改变台基观测方式造成观测数据质量变化,是值得深入研究的问题1。大量研
9、究表明深坑摆墩台站比地面台基台站地噪声水平低,且深井观测台站数据信噪比要高得多。井下观测随着井深度的增加,地面干扰尤其是高频人为干扰的影响会相应减小。增加台基的深度能够有效降低各种环境噪声中的地面高频段扰动,提高数据质量2。本文从另一个角度,通过对比台基位置相对升高的情况下,分析仪器记录数据噪声水平的变化,探讨改变台基观测方式对台站背景噪声的影响。1地震计墩改造概况重庆地区有 3 个深坑型测震观测台站,具体位置如图 1 所示,台基岩性均为砂岩,早期建设台站摆墩位于数米深处,地震计日常维护十分不便,特别是雨季易出现渗水,极大影响到地震计正常运行。在国家预警工程项目实施期间,根据 DB/T6020
10、15地震台站建设规范:地震烈度速报与预警台站相关技术要求,对台站进行了摆墩加高技术改造处理,将原摆墩清除、打毛、清洗后,一次性整体浇筑出地面。3 个台站均使用短周期数字地震计观测,改造后安装地震计水平向未改变,垂直向位置相对抬升,其他观测条件与改造前基本一致(表 1)。其中:合川云门台(台站代码 YUM)抬升 3.5m,忠县善广台(台站代码 SHG)升高 4.3m,开县临江台(台站代码 LIJ)抬升 2.9m。为评估改造后的 3 个台站摆墩质量,选择垫江新民台(台站代码 XIM)作为参考台站,台站安装地面宽频带地震计,观测环境较为稳定,背景噪声干扰小,与 3 个改造台站的相对距离基本相当,且4
11、 个台站数据采集器均为 100Hz 的采样率,观测房内布局和相关设施条件基本相同。表1台站基本信息Table1Informationofthestations台站名称观测设备信息地震计墩改造情况改造日期地震计型号数采型号频带范围改造前相对地面深度/m改造后相对地面高度/m实际增加高度/mYUMDS-4ATD-324CI2s50Hz3.00.53.52019-12-13SHGDS-4ATD-324CI2s50Hz4.00.34.32020-03-11LIJDS-4ATD-324CI2s50Hz2.30.62.92020-03-17XIMGL-S60EDAS-24GN60s50Hz/未改造合川云门
12、渝北台垫江新民梁平复平开县临江云阳文龙万州台云阳耀灵石柱台丰都龙河仙女山台涪陵台长寿台武隆台新田台黔江台忠县善广重庆台江津麻柳巴南石龙参考台站改造台站断层106 E10710810931 N3029图1台基改造台站及参考台站位置Fig.1Locationofbasereconstructionstationsandreferencestation242地震科学进展2023年2观测数据和处理方法台站环境噪声是影响地震观测数据质量的主要因素之一。从重庆测震台网获取 3 个改造台站和1 个参考台站的 20192021 年每月一天的地脉动噪声数据,为保证数据受干扰尽量小,选取每天夜间安静时段 2 小时
13、数据作为计算样本,每个台站每年共有 24 小时观测数据。采用 McNamara 等3提出应用概率密度函数(PDF)方法进行地噪声功率谱密度(PSD)值计算。该方法的主要思路是:将原始波形数据分为n 个记录段,采用与 Peterson 相同的方法4计算每个记录段 PSD 值,使用 1/8 倍频程的频率间隔对每个记录段 PSD 曲线进行平滑;然后,计算 PSD 值落在某一个频点某一功率窗内的记录段数目,以该记录段数目与总记录段数目 n 的比值作为该频点该功率窗的 PSD 概率密度函数的取值5-6。PDF 噪声分析方法在计算过程中不必排除地震等突发事件,不需要挑选连续平静记录,而是将这些偶然事件统一
14、进行处理,这些扰动将作为低概率事件存在于 PDF 中,不会影响对高概率水平的环境地震噪声水平的评估。因此,PDF 结果能较好地估计台站背景噪声水平的变化特性。2.1 噪声功率谱密度(PSD)计算7-8(1)数据预处理。为了减少对长周期功率谱估计的偏差,需对波形数据进行去均值、去长周期成份处理。为了减少有限长度数据序列进行快速傅里叶变换(FFT 变换)时造成的频率渗漏,需将正弦余弦窗函数应用于记录段数据序列,使数据段两端平滑地衰减至零。需要注意的是,最后计算出来的 PSD值需要补偿应用窗函数所造成的功率值的减小。Y(f)Pv(f)(2)速度功率谱密度值计算。采用 FFT 变换把原始数据变换为以频
15、率为自变量的函数,然后计算每个频点的功率谱密度:Pv(f)=2NtY(f)2(1)Nt式中,为采样点个数;为采样时间间隔。Pv(f)(3)扣除仪器响应。为了得到地动噪声的物理量值,即速度值,需要对功率谱进行仪器响应校正:PSDv(f)=Pv(f)H(f)2(2)H(f)式中,为仪器的传递函数。PSDa(4)加速度功率谱密度计算。为了与全球标准低噪声模型(NLNM)和全球标准高噪声模型(NHNM)进行比较,将公式(2)转换为加速度功率谱密度:PSDa(f)=42f2PSDv(3)(5)平滑处理。为了得到PSD 值在频率对数坐标中呈等间隔采样,本文采用 1/3倍频程积分对每条记录的功率谱密度做平滑
16、处理:PSDa(fc)=1nfhf=flPSDa(f)(4)flfhfc式中,为低频拐角频率,为高频拐角频率,n 为介于二者之间频率 f 的个数,中心频率以 1/9 倍频程为增加步长。2.2 功率谱概率密度函数(PDF)计算9-10所有记录段 PSD 值计算结束后,以 1dB 为间隔将20050dB 范围的功率划分成连续的功率窗,统计每个频点的 PSD 值落在对应功率窗内的记录段个数,然后根据概率密度函数公式计算该频点处各个功率窗的概率:PPSD(fc)=NPfc/Nfc(5)NPfcfcNfcPPSD(fc)fc式中,为在中心频率 处落在某一功率窗的记录段个数,为总记录段个数,为频点处某一功
17、率窗的概率。3噪声计算结果分析由于 3 个台站摆墩改造时间不尽相同,其中YUM 台于 2019 年 12 月 13 日改造,恰好在年底,以XIM 台作为参考台站,分别计算 2 个台站 2019 年、2020 年、2021 年的功率谱概率密度函数,进行年度对比分析。LIJ 台、SHG 台则以改造时间为节点,分别计算改造前和改造后的功率谱概率密度函数,进行改造前后的对比分析。3.1 不同年份噪声对比分析基于选取的原始噪声数据,计算得到 XIM 台和YUM 台垂直向加速度功率谱概率密度函数图(图 2),在图中绘制了 NHNM 与 NLNM 的加速度 PSD 值连线(青色实线)、最大(MAX)与最小(
18、MIN)PSD 值连线(红色虚线)、累计概率密度为 10%与 90%的 PSD值连线(黄色实线)以及平均概率密度(AVG)PSD 值连线(黑色实线),其中各频点最大概率 PSD 值就是该台各频点地震噪声 PSD 的估计值,右侧色标表示的是 PSD 值在该频段处出现的概率。本文数据均选取夜间干扰最少时段数据进行计算,平均概率密度第6期杨亚运等:台基观测方式对地震台站背景噪声影响分析243(AVG)PSD 值最能反映台站的背景噪声水平。因此,在后面的分析中我们提取 AVG 代表各台站的平均噪声水平9。图 2a、2c、2e 为 XIM 台垂直分向功率谱概率密度函数分布图。由图可知,2019 年、20
19、20 年、2021 年观测频段内各频点噪声出现概率大体一致,整体PSD 值概率随频率变化形态较一致,未明显增大或减小,说明该台站环境噪声水平较为稳定。已有研究表明11高频(540Hz)和短周期(1s5Hz)环境噪声主要是由人类活动(交通、工业等)引起的,部分也可能是由自然界因素引起的。XIM 台 3 年的高频和短周期频带内,环境噪声 PSD 值概率分布较为一致,在 1Hz 频段左右,3 年均存在噪声低值区,这与全球噪声模型中噪声随频率的变化形态较为一致;13Hz 频段内,最大概率噪声 PSD 值从160dB 增加到140dB 左右,也比较贴合噪声模型变化形态;3Hz 以上的高频段,噪声水平维持
20、在140150dB之间,但在 20Hz 左右出现噪声高值区,特别是 2019年和 2020 年功率谱概率密度函数分布图一致性较高,说明该台站环境噪声水平较稳定。YUM 台作为摆墩改造台站之一,在 2019 年底完成改造后,2020 年、2021 年功率谱密度概率密度函数分布图,表现出与 2019 年不一样的特征(图 2b、2d、2f),最大(MAX)与最小(MIN)PSD 值概率分布区间范围更大,累计概率密度为 10%与 90%的 PSD值分布区间范围也明显有所扩大。2Hz 以下的频600.300.280.260.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.
21、040.0200.300.280.260.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.040.02080100120140160180200101100f/HzPSD/dB6080100120140160180200PSD/dB101100f/Hz101600.300.280.260.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.040.0200.300.280.260.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.040.02080100120140160180200101100f/HzP
22、SD/dB6080100120140160180200PSD/dB101100f/Hz101600.300.280.260.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.040.0200.300.280.260.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.040.02080100120140160180200101100f/HzMAX90%AVG10%MINPSD/dB6080100120140160180200PSD/dB101100f/Hz101(a)XIM-UD-2019(c)XIM-UD-2020(e)XIM-UD-
23、2021(b)YUM-UD-2019(d)YUM-UD-2020(f)YUM-UD-2021NHNM-PSDaNLNM-PSDaNHNM-PSDaNLNM-PSDaNHNM-PSDaNLNM-PSDaNHNM-PSDaNLNM-PSDaNHNM-PSDaNLNM-PSDaNHNM-PSDaNLNM-PSDa图2XIM 台和 YUM 台垂直分向功率谱概率密度函数分布图Fig.2PDFdistributionofverticalsplitpowerspectrumofXIMstationandYUMstation244地震科学进展2023年段,3 年噪声 PSD 值概率密度分布较为一致,稳定在14
24、0dB 左右;但在 210Hz 范围内,从缓慢上升、均匀分布,变为曲线上升、不均匀分布;1020Hz 频段,由集中变得离散;20Hz 以上频段 PSD 值概率密度分布概率值明显降低,说明台基噪声源成份有所改变。整体来看,该台站 2020 年、2021 年噪声功率谱概率密度函数分布图中 PSD 值大于130dB 的概率,相比 2019 年有明显增加,说明地震计墩改造影响了该台站背景噪声水平。3.2 各年份平均噪声对比分析为进一步说明地震计墩改造确实影响台站噪声水平。从 XIM 台、YUM 台各分向功率谱概率密度函数分布图中,提取平均概率密度(AVG)PSD 值,作为衡量改造前后台站平均噪声水平的
25、均值(图 3)。从不同年份平均噪声功率谱曲线可以看出,XIM 台各分向 3 年的 PSD 曲线形态基本一致,特别是两个水平分向基本重合,仅在低频段部分频点表现出年度差异。而垂直分向(UD)2019 年 PSD 曲线更靠近地球高噪声模型,表明 2019年 UD 分向环境噪声略大于2020 年和 2021 年,可见该台站环境噪声水平是有所降低的。一般宽频带地震计能够清晰记录微震噪声,即在 110s 和 1020s 有个峰值分别称之为次级微震和主微震,其形成机制是海洋波与海底或海岸带的非线性作用引起海底压力脉动12,XIM 台垂直分向微震噪声形态较为一致,但 2020 年、2021 年相比 2019
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