超导重力仪台站背景噪声水平评估及信号提取

张苗苗

中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北 武汉 430077



超导重力仪台站背景噪声水平评估及信号提取

张苗苗

中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北 武汉 430077

超导重力仪台站的背景噪声水平是评价观测数据质量和台站观测环境优良水平的一个关键指标，可以为台站选址、仪器校正以及观测数据用于地球动力学研究的潜力评估提供必要的前提和依据。另一方面，超导重力仪可以探测到许多微弱的地球动力学信号，有些信号甚至“藏”于背景噪声中，对这些信号的检测和研究有助于了解地球内部结构及各种地球动力学过程。本文详细研究了超导重力仪台站背景噪声水平的评估方法，基于该方法评估了中国大陆的2个超导重力仪台站在不同频段的背景噪声水平，并进一步将这一方法扩展到一般连续相对重力仪台站，评估了中国大陆构造环境监测网络(“陆态网络”)中29个连续gPhone弹簧重力仪台站的背景噪声水平；另外，本文研究了集合经验模态分解方法(ensemble empirical mode decomposition，EEMD)，并基于该方法提取和研究了地球背景自由振荡和重力极潮。主要研究内容和结果如下：

(1) 详细阐述了超导重力仪台站在地震、亚地震和潮汐3个频段背景噪声水平的评估方法。对于地震频段(周期约1 min～1 h)，其背景噪声水平由最平静期功率谱和类似于“震级”的地震噪声等级(Seismic Noise Magnitude，SNM)决定。对于亚地震频段(周期约1 h～6 h)，其背景噪声水平评估方法与地震频段评估方法大体相同，也引入了类似于SNM的亚地震噪声等级(sub-seismic noise magnitude，SSNM)。对于潮汐频段(周期>6 h)，通过Eterna软件对预处理后的重力潮汐数据进行调和分析，获得超导重力仪台站的平均噪声水平和不同潮汐频段的噪声水平。

(2) 基于超导重力仪台站在地震、亚地震和潮汐3个频段背景噪声水平的评估方法，首次对武汉台(iGrav-007和OSG -065)、拉萨台(OSG -057)及陆态网络中29个连续gPhone弹簧重力仪台站的背景噪声水平进行了评估。结果表明：武汉、拉萨台均是低背景噪声台站，其中武汉台在地震和亚地震频段iGrav-007的噪声水平均比OSG-065高，在潮汐频段iGrav-007的噪声水平比OSG-065低，拉萨台可探测到微弱的地球背景自由振荡信号；陆态网络中大部分连续重力台站是低背景噪声的，而由于受海洋、活跃的构造运动影响，沿海和青藏高原东部的台站噪声水平较高，同时相比于洞体型台站，大多数地下室型台站的噪声水平较高。另外，本文给出了29个连续gPhone弹簧重力仪台站的噪声水平以及功率谱的下包络线，该包络线代表了gPhone弹簧重力仪在中国大陆最好的观测噪声水平。

(3) 相比于傅里叶分析需要选择截止频率、小波分析需要选择基小波函数，EEMD信号处理方法具有局部、自适应的优良特性。鉴于此，本文首次基于EEMD从超导重力仪观测数据中提取出了地球背景自由振荡信号，并结合积谱分析方法对该信号在时频域内进行了分析；另一方面，基于EEMD从超导重力仪观测数据中提取出了重力极潮信号，并利用最小二乘匹配法分离了极潮中的周年项和Chandler项，进而获得了Chandler周期的极潮潮汐因子。结果表明：该方法能有效消除自由振荡频段以外的其他信号，显著提高地球背景自由振荡信号在时频谱中的分辨率；另外，用该方法得到的极潮潮汐因子与前人基于其他消除仪器漂移方法得到的结果大体上相符合，精度相当甚至更高，由于这种“滤波”方法是自适应的，因此本文结果更能反映实际物理过程。

Author： ZHANG Miaomiao(1986—)，female，received her doctoral degree from Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences on December 2016，majors in estimation of the background noise at SG stations.

E-mail： zhangmm@whigg.ac.cn

Estimation of the Background Noise Levels and Extraction of Signals at SG Stations

ZHANG Miaomiao

State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics, Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China

张苗苗.超导重力仪台站背景噪声水平评估及信号提取[J].测绘学报，2017,46(4)：535.

10.11947/j.AGCS.2017.20160642. ZHANG Miaomiao.Estimation of the Background Noise Levels and Extraction of Signals at SG Stations[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(4):535. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160642.

P228

D

1001-1595(2017)04-0535-01

国家自然科学基金(2014CB845902；41474062；41574072；41374084；41621091；41674083)

2016-12-22

张苗苗(1986—)，女，2016年12月毕业于中国科学院测量与地球物理研究所，获理学博士学位(指导教师：徐建桥研究员)，研究方向为超导重力仪台站背景噪声评估。