基于加速度计的强震近场速度观测配套仪器的研制

宋 澄，王余伟，张 勇，吴 彤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

基于加速度计的强震近场速度观测配套仪器的研制

宋 澄，王余伟，张 勇，吴 彤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

目前我国测震台网采用统一的2 000 Vs/m灵敏度，该灵敏度适用于观测微小地震和中强地震。但对于区域内发生的强震，台站使用该灵敏度的反馈式地震计会出现限幅现象，这就影响了台网在震级测定中的作用，且不利于地震波形的研究。本文在现有的“三分向力平衡式加速度计”产品基础上给出可供台站速度观测使用的硬件设计和系统指标测试结果。设计通过一个生成主导二阶极点并完成一次积分的电路转接盒，将三分向力平衡式加速度计输出的加速度波形变换为区域台网使用的工作周期为60 s或120 s、工作阻尼为0.707的速度波形。利用本文介绍的转接盒可以将现有的强震台站产出不限幅的地动速度波形。

反馈式地震计；强震；加速度计；地动速度；主导二阶极点；一次积分

目前，我国测震台网普遍使用的反馈式地震计均为速度平坦型，采用统一的灵敏度——2 000 Vs/m。该灵敏度适合用于观测微小地震和中强地震，因为这两类地震的近场地动速度振幅大约覆盖了六个量级的动态范围(10-2～10-8m/s)。然而，当台网布设区域发生7.0级以上强震时，极震区域附近的台站会因为地动速度振幅超过了现有反馈地震计的动态范围上限(0.01 m/s)而出现限幅现象。地震波形限幅首先影响的是这部分台站在震级测定中的作用，其次是限制了深入分析研究利用完整的近场地震观测波形的可能性。四川省2008年5月12日发生的汶川8.0级特大地震就造成全川绝大多数台站观测波形限幅，大大降低了近场观测资料的可用性。2013年4月20日发生的芦山7.0级强震也造成了距震中100 km以内的台站观测波形限幅。无疑地震仪器的上述限幅现象对于使用近场观测资料深入分析研究这类强震是莫大的损失。

另一方面，采用强震加速度观测虽然可为分析研究提供完整的近场观测地动加速度波形，但强震观测地震数据采集器普遍使用了线性相位滤波[1]。因为该滤波器在震相突变前会引入干扰震相判读的“前缀”波形，难于将其用在以震相判读为主要用途的地震定位及其相关研究之中[2]。线性相位滤波在采用率设置较低时，初动“前缀”波比较明显，容易误导分析人员对初动到时的判读[3]。此外，由于强震台站的建设目的，大多数强震台站多为震后快速评估震害和抗震救灾服务，因此多数强震台站多建设于土层或结构内，对地震观测而言松软层对震波的耗散作用将其用于科学研究并不理想。

因此，本项目的研究目标就是通过研制可供台站观测使用、能够完整记录强震近场地动速度波形的地震计配套仪器，在以四川省为代表的西部强震多发省份布设一定数量可完整记录强震近场地动速度波形的地震观测仪器，既是大震速报的需要，也是强震日常分析编目的需要，更是地震研究的需要。本项目的主要任务是研制一台可供台站观测使用的地震计配套仪器，完成的科研样机可直接用于台站进行观测，能够完整记录强震近场地动速度波形。其技术路线是通过在现有的“三分向力平衡式加速度计”产品基础上，通过一个生成主导二阶极点并完成一次积分的电路转接盒，即：在反馈环外用RC有源电路生成周期为60 s或120 s(可供选择的)、阻尼为0.707的主导二阶极点和完成积分，将三分向力平衡式加速度计输出的加速度波形变换为速度波形。

1 理论基础研究

数字地震观测系统中的传递函数是其重要技术参量，主要是由地震计和地震数据采集器的传递函数构成，而传递函数中部分重要极点——“主导二阶极点”(表征地震计的工作周期和工作阻尼)由地震计中的模拟元器件和机械摆体共同生成[4]，其传递函数模型见图1。图中：S为复频率；ωn为主导二阶极点对应的角频率；Dn为主导二阶极点对应的阻尼；Sn为速度计的速度灵敏度；Ha(S)为加速度计的传递函数。

图1 传递函数模型

根据传递函数模型，K定义为时变换函数的增益，我们可以得出：

(1)

由此得到加速度计与本研究配套转换盒合成的速度传递函数Hv(S)为：

(2)

将式2与速度计的传递函数对比可得到加速度计与转换盒组合的速度灵敏度Sn表达式：

Sn=2DnωnKHa(S)

(3)

加速度计的传递函数Hα(S)是一个低阶次的低通函数，本课题使用的加速度计的幅频特性在0～80Hz范围内保持平直。因此在速度地震观测感兴趣的120 S～40 Hz频带内可以用零频时的加速度灵敏度Ha(o)来取代上式中的传递函数Hα(S)，由此式3可以从函数计算式简化为一个标量计算式。在给定所需的速度灵敏度Sn和主导二阶极点对应的角频率ωn和阻尼Dn，可求得放转换盒在角频率ωn下的电压放大倍率K：

(4)

2 电路设计

要想通过现有的“三分向力平衡式加速度计”将加速度波形变换为速度波形，其主要是需要在反馈环外生成主导二阶极点和完成一阶积分，根据传递函数模型(5)我们得出反馈环外生成主导二阶极点和一阶积分电路，如图2所示。

图2 反馈环外生成主导二阶极点和积分电路原理图

图3 超低频振动台测试框图

图中，运算放大器IC2与电阻R4、R5，电容C1、C2组成的二阶带通电路在生成主导二阶极点的同时还完成了一次积分。该电路的传递函数为：

(5)

在S=jωn时，该二阶带通电路的幅频特性达最大值，即：

(6)

(7)

(8)

为保证系统在台站的通用性，供电电源采用的是12V输入，通过DC-DC电源模块输出±30V给运算放大器供电，可以保证观测强震近场地震的速度波形不会出现限幅，电路中用于生成二阶主导极点的RC有源电路网络，在设计时就考虑了工作周期为60 s和120 s两种，即：如果工作周期为120 s，C1和C2将采用两个电容并联的方式。电路中的单刀双掷开关，可分别对应输出双端20 Vs/m和200 Vs/m两档的速度灵敏度，能够在使用时方便用户选择。

3 样机的振动台测试结果

3.1 灵敏度校准与测量

根据上述理论研究，通过实际设计制作完成的实验样机，在位于崇州的超低频振动台上进行指标测试，测试框图见图3所示，利用超低频振动台进行灵敏度的校准与测量。将超低频振动台振动频率置于1 Hz，速度振级置0.1 m/s(和0.05 m/s)，数采置于±20 V(差分)状态。将实验样机置于低灵敏度20 Vs/m档(或高灵敏度200 Vs/m档)，调整电阻R的数值使其输出1Hz正弦波，通过计算得出输出灵敏度，进而对其标称灵敏度进行校准，校准后的灵敏度见表1。

表1 灵敏度测试结果

3.2 工作周期和工作阻尼测试结果

将加速度计置于相对安静的台址上，并与灵敏度校准后的试验样机和地震数据采集器连接好，地震数据采集器置于±20 V(差分)状态，脉冲标定参数幅度设为 1 000 counts，脉冲宽度设为300 s间隔。同时在标定输出端由电流输出转换电压输出，输入给加速度计，通过数采发出的脉冲标定计算得出试验样机的工作周期和工作阻尼。工作周期和工作阻尼测试结果见表2和表3。

表2 工作周期测试结果

表3 工作阻尼测试结果

表4 正弦标定参数

3.3 幅频特性

图4 实验样机三通道幅频特性响应曲线

4 讨论

图5 本方案最大可测振幅受限图

可完整记录强震近场地动速度波形的观测仪器是通过在三分向力平衡加速度计外增加一个生成主导二阶极点和完成一次积分的电路转接盒，将加速度计输出的加速度波形变换为速度波形，同时生成地震观测所需的主导二阶极点。该项目定位在国家台网和区域台网中使用，在设计时已充分考虑了灵敏度选择(20 Vs/m和200 Vs/m两档)和工作周期(60 s和120 s两档)选择的问题，可通过跳线或者并联电容的方式，达到灵敏度和工作周期的选择，通过与现有的 2 000 Vs/m的高灵敏度微震观测并行使用，可产出供地震研究的地动速度波形，同时该电路转接盒将加速度计的电压标定转换成速度记录的电流标定，可反应地震计运行的异常状态。做为专门用于观测强震近场波形的速度平坦型地震计配套设备，能够在不新建台站观测系统的前提下，仅需要在有加速度计观测的台站增加该电路转接盒，就能够以保证观测强震近场地震的速度波形不会在传感器环节限幅，产出不失真的地动速度波形，达到快速地震参数测定的目的。应当指出，用本研究给出的实现强震近场速度观测方案虽然较直接用闭环反馈制作大量程速度计成本更低、制作也更容易，但可观测的最小波形受所用加速度计自噪声的限制，不易兼顾微震观测的需要。另一方面，本方案由于采用反馈环外积分，受加速度计大振幅限幅的影响频带高端不能输出满振幅。在速度坐标系中，其高频输出振幅受限如图5所示。图5是以最大可测加速度为2g的加速度计为例绘制的。由图可见：当最大可测速度为1 m/s时，频率高于3.12 Hz就无法输出满振幅，而本研究观测的对象是6级以上的强震和8级以上的巨大地震。这类地震震源位移谱的拐角频率都很低(低于0.13 Hz)，其能量主要集中于长周期频段，高频端限幅对于完整地震观测记录这类地震波形几乎没有影响。

致谢：杨晓源先生自始至终对本研究进行了指导，在此表示感谢！

[1] 杨晓源.数字地震观测中的线性和最小相位滤波[J].四川地震,2005(2):1-5.

[2] 邵玉平，韩进，杨晓源，王翠芳，宋澄.用于地震观测的瞬态滤波器仿真研究[J].地震地磁观测与研究,2009,30(3):90-93.

[3] 邵玉平，景晟，王翠芳，宋澄.用于地震观测的瞬态滤波实验数据分析[J].地震地磁观测与研究,2010,31(4):45-50.

[4] 杨晓源，王翠芳，戴仕贵，邵玉平.地震观测传递函数的精度问题[J].地震地磁观测与研究,2010,31(6):32-39.

[5] 邵玉平，杨晓源，宋澄，王翠芳.瞬态滤波器设计及其在地方地震观测中的应用研究[J].地震工程学报,2014,36(3):705-712.

[6] 饶文松，杨晓源.速度传感反馈地震计的动态范围上限[J].地震地磁观测与研究,2007,28(5):63-70.

DevelopmentofNear-fieldSiteVelocityObservationMatchingInstrumentBasedonAccelerometer

SONG Cheng,WANG Yuwei,ZHANG Yong，WU Tong

(Sichuan Earthquake Agency,Sichuan Chengdu 610041,China)

At present,unified 2000 Vs/m sensitivity of seismometer in seismic network is widely used,but the sensitivity is suitable for observation of small earthquakes and moderate earthquakes.When the strong earthquakes occur in the region,the amplitude limiting phenomenon of the feedback seismometer with this sensitivity may occur.Then it will influence magnitude measurement,and make it difficult to study on seismic waveform.The hardware design for velocity observation based on the exisiting three component force-balanced accelerometer and the system test results are shown in the paper.Designing a circuit transfer box for generating dominant second order pole and completing one integral,it can convert the output waveform of three component force-balanced accelerometer to velocity waveform.It is same as output waveform of velocity seismometer with a working cycle of 60 s or 120 s,and a working damping of 0.707.By using the transfer box introduced in this paper,the existing strong motion stations can produce unlimited amplitude velocity waveforms.

feedback seismometer;strong earthquakes;accelerometer;ground motion speed;dominant second order pole;one integral

2017-10-09

中国地震局测震台网青年骨干培养专项资助项目(20140322)

宋澄(1981-)，男，工程师，四川省达州市人，主要从事诱发地震监测和地震观测研究工作。E-mail：26649565@qq.com.

P315.956

B

1001-8115(2017)04-0043-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.04.011