高采样率下不同供电方式对地震波形记录影响的对比分析

李冬圣，李文军，李小军，蔡玲玲

(1.河北省地震局，河北　石家庄　050021；2.河北承德中心地震台，河北　承德　067000)



高采样率下不同供电方式对地震波形记录影响的对比分析

李冬圣1，李文军2，李小军1，蔡玲玲1

(1.河北省地震局，河北石家庄050021；2.河北承德中心地震台，河北承德067000)

摘要：目前，测震台站设备的供电组合方式多种多样，采样率在不断提高，同时也混杂进了一些干扰信号。文章论述了使用同一套测震设备，在高采样率下不同供电方式对地震波形的记录影响情况。试验表明，供电方式和屏蔽措施的改变可以有效地减少由供电设备输出耦合到仪器记录中的干扰信号。

关键词：地震波形；供电方式；信噪比

0引言

地震观测是地震速报、地震应急、地震科学研究等的首要环节，地震观测波形的记录质量直接关系到数据使用的可靠性及便捷性[1]。随着研究的深入，地震观测中的采样率由过去的50 Hz提高到现在100 Hz，并有逐步提高的趋势。伴随采样率的提高，一些频率的干扰信号也混杂到了观测数据当中，在一定程度上对观测资料的使用造成不便。在地震专业设备(如地震计、数据采集器等)和观测技术相对较成熟的情况下，该文通过对比高采样率下，采用不同供电对地震计波形记录影响的分析，就如何进一步提高地震波形记录质量，在供电方式的选择与屏蔽措施的改进等方面提出参考依据。

1研究方法

1.1实验技术系统及电源供电方式

专业设备技术系统由FBS-3B宽频带地震计与EDAS-24IP数据采集器构成(见图1)。

参与对比研究的供电方式有：开关电源供电、加屏蔽措施的开关电源、线性直流稳压电源供电、加屏蔽措施的线性直流稳压电源、蓄电池供电、加装屏蔽的蓄电池供电。

屏蔽措施：在数采的供电端和电源输出端加装扣式消磁环。

1.2实验设计及数据处理方法

在不同的供电方式下，用一台六通道的EDAS-24IP数据采集器同时长时间采集FBS-3B地震计的输出信号及供电设备的直流输出信号，六通道采样频率均为500 Hz，对不同供电模式选取相同时段记录数据分别计算功率谱密度，采用相关性分析得出地震计各方向记录信号与电源输出之间的平方相关函数。

图1　实验技术系统构成示意图Fig.1　Constitution of experimental technology system

功率谱密度估计是使用有限长度的数据，给出信号随机过程的频率成分分布的描述。Rx(τ)为随机信号x(t)的自相关函数，Sx(f)是Rx(τ)的Fourier变换，称Sx(f)为x(t)的自功率谱密度(自功率谱)，Sx(f)是信号x(t)的平均功率相对频率的分布函数，具体见公式(1)。

(1)

平方相关函数又称为相关函数(coherence function)，如公式(2)：

(2)

式中：Pxy(ω)是x(t)和y(t)的互功率谱密度；Pxx(ω)、Pyy(ω)分别为x(t)、y(t)的自功率谱密度。相关函数Cxy(ω)为0～1的实数，用Cxy(ω)来检测信号x(t)和y(t)在频域内的相关程度。若y(t)为x(t)的线性响应，则和Cxy(ω)=1；若x(t)和y(t)完全不相关，则Cxy(ω)=0。通常的测试过程中，0

2实验过程及数据处理

2.1采用开关电源直接供电

近年来，开关电源以其频率高、效率高、体积小、输出稳定等特征被广泛应用，但由于开关电源工作在高频状态及其存在高di/dt和高dv/dt，使得开关电源容易产生比较强的电磁干扰(EMI)信号。EMI信号不但具有很宽的频率范围，还具有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰[4]。在测震地动噪声中经常看到的波形粗且不清晰现象，很多就是由于开关电源的MOSFET功率开关在关断时产生的尖峰脉冲导致[5-6]。

从图2a中可以看出，在开关电源供电方式下，观测系统记录的波形及开关电源的输出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同时出现凸起，说明在这些频率点上的频谱能量较高。图2b中，在开关电源供电方式下，加装扣式屏蔽磁环后，观测系统记录的波形及开关电源的输出在100 Hz、150 Hz都同时出现凸起，说明在这些频率点上的频谱能量较高，但在50 Hz、200 Hz的频点上只有开关电源的输出出现凸起，且频谱能量较不加扣式屏蔽磁环时降低。

图2　开关电源供电方式下各检测量功率谱密度曲线Fig.2　Power spectral density of each test item under the mode of switching power supply

第39页图3a中，在开关电源供电方式下，观测系统记录的波形及开关电源的输出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz的相关系数都较高，说明在这些频率点上，观测系统记录的波形与开关电源的输出之前存在较强的耦合关系。图3b中，在开关电源供电方式下，加装扣式屏蔽磁环后，观测系统记录的波形及开关电源的输出在100 Hz、150 Hz、200 Hz的相关系数都较高，说明在这些频率点上，观测系统记录的波形与开关电源的输出之前仍存在较强联系，但是较加扣式屏蔽磁环之前，在50 Hz频点上的相关系数明显降低，说明通过加装屏蔽磁环，有效地降低了观测系统记录波形与开关电源输出之间的耦合程度。

2.2采用线性直流稳压电源供电

线性直流稳压电源的特点是：输出电压比输入电压低，反应速度快，输出纹波较小，工作产生的噪声低，效率较低，发热量大(尤其是大功率电源)，间接地给系统增加热噪声。本次试验采用的线性直流稳压电源是茂迪(宁波)电子有限公司生产的LPS-305线性直流电源。

第39页图4a中，在线性直流稳压电源供电方式下，观测系统记录的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz、200 Hz都同时出现凸起，说明观测系统记录的波形在这些频率点上的频谱能量较高。线性直流稳压电源的输出在150 Hz、210 Hz的频点出现凸起，说明该电源输出在此频点上的频谱能量较高。图4b中，在线性直流稳压电源供电方式下，加装屏蔽设施后，观测系统记录的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz、200 Hz、215 Hz都同时出现明显凸起，说明观测系统记录的波形在这些频率点上的频谱能量较高。线性直流稳压电源的输出在150 Hz、210 Hz频点出现凸起，说明该电源输出在这些频点上的频谱能量较高。

图3　开关电源供电与三通道记录相关函数Fig.3　Correlation function of switching power supply and three channel recording

图4　线性直流稳压电源供电方式下各检测量功率谱密度曲线Fig.4　Power spectral density of each test item under the mode of linear DC power supply

第40页图5a中，在线性直流稳压电源供电方式下，观测系统记录的波形及开关电源的输出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、215 Hz的相关系数都较高，说明在这些频率点上，观测系统记录的波形与开关电源的输出之前存在较强的耦合关系。图5b中，在线性直流稳压电源供电方式下，加装扣式屏蔽磁环后，观测系统记录的波形及开关电源的输出在100 Hz、150 Hz、200 Hz、215 Hz的相关系数都较高，说明在这些频率点上，观测系统记录的波形与开关电源的输出之前存在较强的耦合关系，但是较安装消磁环之前，在50 Hz频点上的相关系数明显降低，说明通过加装屏蔽磁环，有效地降低了观测系统记录的波形与开关电源输出之间的耦合程度。

2.3蓄电池供电

用一块80 AH、12 V的蓄电池对数据采集器供电，由数据采集器采集FBS-3B宽频带地震计三分向信号及蓄电池电压信号。

第40页图6a中，在蓄电池供电方式下，观测系统记录的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同时出现凸起，说明观测系统记录的波形在这些频率点上的频谱能量较高。蓄电池输出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同时出现凸起，说明蓄电池的输出在这些频率点上的频谱能量较高。图6b中，在蓄电池供电方式下，加装扣式屏蔽磁环后，观测系统记录的波形在40 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同时出现凸起，说明观测系统记录的波形在这些频率点上的频谱能量较高。蓄电池输出在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz都同时出现凸起，说明蓄电池的输出在这些频率点上的频谱能量较高。

图5　线性直流稳压电源供电与三分向相关分析Fig.5　Correlation analysis of linear DC power supply and three components

图6　蓄电池供电模式下各检测量的功率谱密度Fig.6　Power spectral density of each test item under the mode of battery power supply

图7a中，在蓄电池供电方式下，观测系统记录的波形及开关电源的输出在100 Hz的相关系数较高，说明在这个频率点上，观测系统记录的波形与开关电源的输出之前存在较强的耦合关系。图7b中，在蓄电池供电方式下，加装扣式屏蔽磁环后，在100 Hz频点上的相关系数明显降低，说明通过加装屏蔽磁环，有效地降低了观测系统记录的波形与开关电源输出之间在该频点的耦合程度。

图7　蓄电池供电与三分向相关函数Fig.7　Correlation function of battery power supply and three components

2.4实验结果分析

根据实验数据计算的功率谱密度结果，在500 Hz采样频率下，在不同供电模式中，加装屏蔽装置前后的地震专业技术系统三分向记录的功率谱密度形态，基本一致。4种电源输出的功率谱密度，在工频及工频奇次谐波都有较高的能量，其中线性直流稳压电源在工频偶次频率相较其他供电方式，能量值明显偏低。

根据相关函数结果可看出，开关电源供电模式下，未加屏蔽装置时，在50 Hz、100 Hz、150 Hz及200 Hz处三分向记录与电源输出信号之间出现比较高的相关系数。加装屏蔽装置后，50 Hz处相关程度明显降低；线性直流稳压电源供电模式下，未加屏蔽装置时，在50 Hz、100 Hz、150 Hz及200 Hz处三分向记录与电源输出信号之间出现比较高的相关系数。加装屏蔽装置后，50 Hz处相关程度明显降低；蓄电池供电模式下，未加屏蔽装置时，在100 Hz处三分向记录与电源输出信号之间出现比较高的相关系数。加装屏蔽装置后，100 Hz处相关程度明显降低。

3结论

测震技术系统信号记录与观测环境的电场及磁场分布有很大的关系，供电设备输出信号噪声的高低不能完全体现供电设备优劣，还应与用电设备组合来分析实用效果。本文通过比较分析发现，通过采用交直流隔离、直流隔离、适当加装电磁屏蔽的供电方式，能够有效减少由电源输出传到和耦合到观测系统中的工频干扰成分，尤其是在数据应用要求采样率不断提高的趋势下，奈奎斯特频率也在成正比的提高，如何抑制高频、工频干扰对观测记录的影响，也成为一个重要的研究方向，该研究结果可为地震观测资料的使用者辨别、使用、分析数据提供一定的参考和帮助。

参考文献：

[1]李小军，李庆武，李冬圣，等.UPS设备对测震台站信号影响的分析[J].华北地震科学，2012，30(3)：19-21.

[2]万永革.数字信号处理的MATLAB实现[M].北京：科学出版社，2007.

[3]郝春月，郑重.信号相关性方法在西藏那曲台阵设计中的应用[J].中国地震，2006，22(1)：34-42.

[4]朱鹏涛，王大伟.开关电源中开关管及二极管EMI抑制方法分析研究[J].电源世界，2009(10)：40-42，33.

[5]甘明，李晓莉.同步Buck型开关电源纹波电压抑制方法[J].电力电子技术,2007，41(5)：51-52.

[6]威浩，夏仕安，张炳，等.省级测震台网系统维护新方法的研究[J].华北地震科学，2012，30(3)：48-50.

Comparison of The Influence of Different Power Supply Modes on Seismic Waveform Records under High Sampling Rate

LI Dong-sheng1, LI Wen-jun2, LI Xiao-jun1, CAI Ling-ling1

(1.Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050021, China;2.Hebei Chengde Central Seismological Station, Chengde, Hebei 067000, China)

Abstract:Power Supply modes of equipment at seismic station are in varied forms and the sampling rate continues to increase. It also introduces some other interferences. The influences of different power supply modes on seismic waveform records by using the same set of seismic equipment under high sampling rate are discussed . The test shows that the change of power supply modes and shielding measures can effectively reduce the output coupled interference signal from the power supply devices.

Key words:Seismic waveform; Power supply mode; Signal to noise ratio(SNR)

中图分类号：P315.61

文献标志码：A

作者简介：第一李冬圣(1982—)，女，河北省冀州人。2003年毕业于防灾技术高等专科学校，工程师。

基金项目：河北省地震局青年基金项目(DZ20150423060)。

收稿日期：2015-05-07

文章编号：1000-6265(2016)01-0037-05