漳州地震台阵背景噪声的特性研究

2016-09-03郑重郝春月黄昭张爽

中国地震 2016年3期

郑重郝春月黄昭张爽

1）中国地震局地球物理研究所，北京市海淀区民族大学南路5号 100081

2）福建省地震局地震灾害防御中心，福州 350003

0 引言

建设一个新的台阵／台站时，首先应研究这个台阵／台站的噪声场特性，因为噪声状况与该台阵／台站今后的信噪比密切相关。台阵的噪声场特性表现为台阵勘址地点的噪声日变化、噪声水平、测点对间噪声的相关性信息等，而研究目的是为了明确台阵／台站的基底背景噪声，使地震监测、地震定位、地震数据分析以及更深入的地震研究工作得以顺利地进行。早在20世纪70年代，人们便开始进行地震台阵的噪声结构（Hilmar et al，1971）以及地震台台址与噪声源之间最小推荐距离的研究（Willmore，1979）。在最佳台网布局的研究中，都要以信噪比为依据（Kijko，1977；Rabinowitz et al，1990；Steinberg et al，1995）。此类的研究还有Bormann等（1997）等对德国局域台网（GRSN）中台站的地震背景噪声的研究，Harjes（1990）对中欧区域台阵的噪声研究等。近年来，Voulgaris等（2004）对希腊小孔径台阵、Radulian等（2005）对罗马尼亚BURAR台阵、Thomas等（2008）对意大利中部的临时3分向小孔径台阵、郝春月等（2003、2006）对兰州和那曲台阵等分别进行了此方面的研究工作。由于漳州台阵滨临海域，为研究它与大陆内部地震台阵所不同的噪声场特性，本文主要对福建省漳州台阵在2007年10～12月间的勘址测点进行噪声场特性分析，并根据噪声场特性进行噪声源研究。应用背景噪声均方根、噪声功率谱、相干函数分析等研究方法力图解决漳州台阵噪声场评估的诸方面问题。

1 数据资料

漳州台阵测点布设在水库周围，附近是畲族居住区。在漳州台阵的勘址过程中，布设了18个测点（图1），台间距为198～3031m。勘址过程中记录了大量的原始波形数据，其中大部分数据是噪声，这就为勘址地点噪声场特性的研究提供了便利。

图1 漳州台阵测点分布及编号

2 噪声场特性

2.1 各勘址测点的功率谱估计

噪声功率谱是将白噪声信号的平均功率分成各个频率分量所占有的成分，再按照频率大小依次画出各频率分量所占的功率。功率谱估计是信号处理的一项基本内容，它表明了被测信号的功率在各频域随频率的分布情况，因此，又称为功率谱密度。

2.1.1 Welch平均周期图经典谱估计

Welch平均周期图法是对直接法的改进，即把一长度为N的数据xN（n）分成L段（在分段时可允许每一段的数据有部分的重叠），每一段的长度为M。分别求每一段的功率谱，然后加以平均。每一段的功率谱可由下式表示（胡广书，1997）

式中

U为归一化因子，使用它是为了保证所得到的谱是渐近无偏估计。d（n）是汉宁窗（0.5±0.5cos（2pin／N））。这样，几段的平均功率谱可由下式决定

2.1.2 噪声功率谱的计算与结果

本文对每个测点采用随机选出的8个白天和8个晚间的数据样品段进行计算，以便求出每个测点噪声的平均功率谱。样品数据段为30000个点，采用8192点长度的汉宁窗和50%的重叠进行计算。原始噪声数据经过去均值、去倾等预处理后，进行分段、加窗、傅立叶变换等，最后去除仪器响应，获得平均噪声功率谱值（图2）。图2中，上、下2条虚线表示Peterson高低噪声模型，该模型是Peterson（1993）根据世界范围内75个数字地震台在噪声平静期和噪声高潮期测定的地动加速度功率谱密度而建立的，被称为新低噪声模型（NLNM）和新高噪声模型（NHNM），是现今普遍被认同的最高和最低噪声界线的标准。而旧模型也是Peterson于1963年建立的。图2中的所测点都是垂直向地震记录的噪声功率谱结果。

由图2可见，所有的测点显示了相似的特征，即频率小于0.2Hz时，噪声功率谱值更接近高噪声模型（NHNM）。我们知道，0.6～1.5Hz频段主要由中周期的海洋风暴组成，而0.07～0.60Hz频段主要为海洋风暴次生的脉动，由于漳州台阵距海域较近，所以，小于0.2Hz的高噪声主要是由海浪、风波等引起的次生脉动造成的。所有测点在1.5、5.0Hz左右分别有一个高的脉冲值，表示漳州台阵周围在这2个频率段具有噪声源。

总体来说，该阵址的低频背景噪声幅值较高，主要是因为选址地点紧靠大海，海浪对陆地拍击的影响强烈，而高频背景噪声幅值尚可，在5.0Hz处具有噪声源。

2.2 各测点的噪声均方根值

均方根（rootmean square即RMS）是一段数据大小的量度，它给出了数据的量级。在许多科学领域，均方根是计算数据规模的行之有效的方法。在这里，为了找出各测点的各种噪声源和噪声的普遍变化规律，对各测点的均方根值作了计算。关于噪声，从大的方面可分为短周期的人为噪声和海洋、气象因素引起的大于2s的较长周期噪声（张诚，1986）。

2.2.1 均方根定义

均方根的定义是一段信号的振幅值取平方后，再求其在该时段内的平均，然后求其平方根。对于离散信号，均方根计算公式为

其中，n是样本数，xi是第i个样本的幅值。

2.2.2 各测点噪声的均方根值

计算各测点噪声的均方根值时采集了连续4天内的噪声数据，对于每10m in的噪声段，先对其进行滤波，然后根据式（4）计算其幅值的均方根值。滤波器是截止频率为3.0Hz的高通滤波器和带通滤波器（0.05～1.50Hz），它们分别对应人为噪声干扰和海洋、气象噪声的主要频率范围（彼得·鲍曼，2006）。由于功率谱计算结果显示在1.5、5.0Hz左右具有噪声源，所以均方根值的计算还增加了1.0～2.0Hz、4.0～6.0Hz频段的滤波结果。图3给出了部分测点在2007年12月21～24日间的噪声均方根值日变化。

图2 各测点的平均噪声功率谱

由图3可见，各测点在0.05～1.50Hz之间的噪声水平略微高于频率大于3.0Hz时的噪声水平，并且大部分测点在12：00或 12：00～18：00之间出现强振幅值。1.0～2.0Hz频段的噪声均方根值日变化曲线与0.05～1.50Hz频段日变化曲线形状相似（也就是在相同的时段出现强振幅值），但幅值偏低。经过3.0Hz高通滤波的噪声均方根值，呈现出明显的日变化，即白天时段的噪声均方根值要比晚间的高，高出的幅值从10多个到上百个COUNT值不等。经过4.0～6.0Hz滤波的噪声均方根值曲线形状与经过3.0Hz高通滤波的噪声均方根值曲线相似，也呈现了明显的日变化，但幅值偏低。在12：00处也出现强峰值。

2.3 各测点对的噪声相干函数

场地勘址时首先应该对当地的噪声进行相关性分析，这是确定台阵场地布局的关键点。本文主要研究信号在频域中的相关性曲线，即相干函数。相干函数是2个信号在一个固定距离内的相关曲线，通过它可得出最小的噪声相关距离，从而取得台阵布局的依据。

图3 2007年12月21～24日两测点噪声均方根值的日变化

2.3.1 相干函数原理

在频域中，经常用到以功率谱表示的相干函数 rxy（f），相干函数rxy（f）（又称凝聚函数）给出了2个随机信号在频率域的相似性，其中f表示2个随机信号的频率。一般来说，相干函数的值在0～1之间变化。若两信号完全不相关，则相干函数值为零。对于2个相同的信号，其相干函数为 1。相干函数定义（Kulhánek，1973）为

其中，Gxx（f）和 Gyy（f）分别为 2个随机信号 x（t）和 y（t）的自功率谱密度；Gxy（f）为它们的互谱密度。

2.3.2 勘址测点对间的噪声相干函数

为了确定各测点之间的噪声在频域的相关性，并根据此相关性对理想的台阵内外环半径进行初步评估，对各测点的噪声相干函数进行了计算与分析。

噪声相干函数的计算采用了随机选取的8个晚间和8个白天的10m in噪声样品段。利用4096点的汉宁窗（40.96s）和50%的重叠。勘址期间各子台两两配对组成的台间距共有30个，间距值为198～3031m。图4为24个不同间距的噪声相干函数图，由图4可见，随着距离的增加，噪声相干函数值在各频率上逐渐减小。也就是说，测点对距离越近，噪声相干性越好；距离越远，噪声相干性越差。距离为198～797m时，在0.1～1.0Hz之间的噪声高度相干（接近于1），这个距离之后，0.1～1.0Hz频段的噪声相干性开始下降，到1700m左右，0.6Hz以上频率的相干函数基本降到0.5以下。到1760m左右0.8Hz处的噪声就基本不相干了，510m左右2.0Hz处的噪声基本不相干。而远震的优势频率段一般在0.8～2.5Hz，近震的优势频率段一般在2.0～10.0Hz。在不对信号进行相关性处理的情况下，可利用1760、510m这2个距离作为同心圆台阵半径的参考值。根据以上结果，内环半径参考值定为510m，而外环半径参考值定为1700m左右。

3 噪声源分析

地震噪声的季节变化主要是由自然界变化引起的，且噪声周期明显大于2s。海洋风暴产生的脉动频谱峰值在周期T接近7s处，变化可达20dB。高频噪声主要来自人工源（如交通工具运行、机械施工等），通常有一个明显的10～20dB的日变化（彼得·鲍曼，2006）。信噪比是评定台址质量的主要参数，噪声源在很大程度上影响同一频段的地震信号，所以对于噪声源的分析是非常重要的工作。

漳州台阵阵址的噪声数据处理结果表明，该台阵存在明显的噪声源，主要的2个噪声源分布在1.5、5.0Hz左右。下面分别利用3种方法对噪声源进行分析。

3.1 噪声功率谱方法

漳州台阵各测点的噪声功率谱在1.5、5.0Hz处的落差值如表1所示。功率谱是噪声信号的功率随频率的分布情况，也就是能量分布情况，所以能量越强，功率谱值越高。表1表明，在2203测点处，1.5Hz处的噪声源产生了比背景噪声多10.5dB的能量，在所有测点里能量最强。在2101、2201、2202、2203测点组成的区域内和2301～2305组成的环内，噪声源产生的能量均较大，大部分均比背景噪声多8.5dB以上，预示着此区域就是1.5Hz噪声源的发生地（而来自交通干道或其他人为噪声和地质条件引起的噪声干扰，皆会随距离增加而减弱）。5.0Hz处的噪声源在2402、2403、2404、和2405测点处产生了大小相等的强能量值，均比背景噪声强17dB以上，其中，2402测点处产生了高于背景噪声19.9dB的能量。这4个测点的连线方向为NW-SE方向，说明该噪声源来自EN-WS方向，而在4个测点西南向的所有测点在5.0Hz处记录到的信号功率谱值均较小，表明在5.0Hz处产生的噪声源来自EN方向。

图5为1.5、5.0Hz处噪声最大范围示意图。由图5可见，圆内（包括圆周）所有测点都在1.5Hz出现大振幅的噪声干扰，根据这些测点的地理位置，估计是库区大风引起的水浪拍打岸边所致。外围几个测点从上到下分别为2404、2403、2402和2405，表示的是在5.0Hz单频处噪声分贝最大的台站的连线，而其他测点记录的5.0Hz噪声功率谱均较小，预示着噪声源来自EN方向。根据实地考察，认为5.0Hz噪声源来自EN方向距台阵中心点6.4km的发电厂。

图4 测点对间的相干函数

表1 部分测点在2个频率噪声源处产生的功率谱差值

图5 2个频率处噪声最大范围示意图

3.2 噪声均方根值方法

根据噪声均方根值的分析结果，在1.0～2.0Hz滤波的噪声的日变化平稳，在12：00～18：00时段具有高强度脉冲。据勘址报告称，勘址期间的下午都在刮大风，所以推断1.0～2.0Hz的噪声源有可能是大风引起的风浪拍打大坝所造成的。经过4.0～6.0Hz滤波的噪声具有明显的日变化，白天噪声明显升高，晚间噪声明显降低，呈现出清晰的日变化特征，表明5.0Hz噪声源是人工源。

3.3 噪声相干函数方法

根据噪声相干函数分析的结果可知，最外围测点（台点编号第2位以4开头命名的测点）之间组成的测点对在1.5Hz处的相干函数偏低，而包含其他测点（台点编号第2位以1、2或3开头命名的测点）的测点对在1.5Hz处的相干函数偏高，表明了噪声源来自以1～3开头命名的测点内部，如图5所示。根据5.0Hz处的噪声相干函数可知，与部分高分贝噪声测点2402、2404、2406组成的测点对组合，相干函数明显偏高，一般大于0.5，最大可达到0.8，而与低分贝测点2409组成的测点对组合，相干函数偏低，小于0.5。该结果也应与噪声功率谱的结果相符合（图5）。