地震科学探测台阵甚宽频带流动观测仪器系统的构建及应用

李程

(中国地震局地球物理勘探中心，河南 郑州 450002)

目前地震科学探测台阵作为高端精密电子仪器，逐步应用于地震学相关的数据采集工作。它是由大量的地震仪器组成，根据研究目的呈几何状布设在一定的范围内，采集有效的天然地震数据来构建出震源尺度和横切断层尺度的高分辨率、强地震孕震构造图像。它拓展了地震记录频带宽度地震记录的动态范围，同时记录到微弱和强烈的地震信号，使得研究地震和地球内部结构的分辨率有了很大的提高。本文介绍的是地震科学探测台阵当中应用相对广泛，由CMG-3T甚宽频带地震计作为核心传感器构建而成的流动观测仪器系统。

1 甚宽频带流动观测仪器系统的组成

甚宽频带流动观测仪器系统是一种高精度、低消耗的三分向地震数据采集系统，它的野外适用能力极强，主要应用于天然地震数据的采集，也可应用于大当量炸药爆破的人工地震数据采集。它的构成主要分为以下几部分：基建部分(包括基坑、观测桶与防盗围栏)；地震数据采集系统(REFTEK公司的130系列数据采集器，Güralp公司的CMG-3T三分向甚宽频带地震计)；太阳能供电系统SGSS(太阳能电池板、UPS铅酸蓄电池组、电源管理器)；无线传输和GPS全球定位系统以及PDA个人掌上操作系统。

2 甚宽频带流动观测仪器系统的技术参数

CMG-3T甚宽频带地震计采用标准 26针防水航空接口，保证安全高效的传输信号控制和电源管理。其核心装置由三个密封在一个壳体里的传感器组成，能够同时测量垂直向、北/南向和东/西向的地动信号。频率范围0．003～50Hz，通过变间歇电容传感器和先进的力平衡反馈电路，使宽频响应成为可能。可用于大多数地震观测，也能产生适合现代地震原理分析的真实脉冲记录。与甚宽频带地震计配套构建流动观测仪器系统的Guralp130系列数据采集器是据有高分辨率、大动态(＞135dB)的地震数据采集设备，采用了先进的24位Δ—∑模数转化器，并集成了大容量存储(配置2张8G容量CF存储卡)、远程控制和6通道(channel)数据采集等功能，采样率1～1000sps/Channel。两种设备皆可在-20 ～ 60℃范围内正常工作，工压范围12～24V，功耗较低(有数据传输的情况下，功耗＞1．5W)，闭水与抗震性能优异。野外环境中，在参数设置为采样率100，压缩格式steim1的情况下，可连续采集接收地震数据6个月。

3 甚宽频带流动观测仪器系统的位置选择

在野外工作中，我们通常将仪器架设的位置称为台站，要保障采集到真实有效的地震数据，就必须选择最佳的台站位置。环境背景噪声，是野外环境中是最突出的信号干扰源，因而台站位置的选择，首先要注重选择低噪声背景位置，在此方面一般采用的选址标准如下。第一，远离公路、铁路和其他连续噪声信号源3公里以上，避开高压线路、变电站等电磁干扰。还应考虑到安全问题，包括仪器看护、交通、野生动物啃食、设备老化等可能发生的情况，避开树下、河道等地点，防止雷击、水淹事件发生。第二，台站位置初选后，必须进行1～2小时的连续数据采集，所得数据经过Matlab软件中地震计自噪声计算程序处理后，得到的台站平均噪声水平值，要达到在1s～20Hz频带范围内低于-127dB的标准，方可确定台站位置。

4 甚宽频带流动观测仪器系统的架设

甚宽频带流动观测仪器系统在实际应用当中，多为大批量、多台次呈阵列状架设，为保证所有系统采集数据的真实有效性，在架设过程有着严格的标准和要求，如图1所示，对其进行详细描述。

图1

图2

观测桶：是整个甚宽频带流动观测仪器系统的基础建筑，由6片筒壁与单片桶盖组装完成，安放在事先挖好的基坑内，形成一个内壁直径100cm高230cm的圆柱体密闭环境，用以外部环境因素对观测仪器的干扰侵蚀。其地下部分为保障与大地的完全耦合，必须浇筑混凝土形成坚实地面，减少信号在传递过程中的衰减。观测桶内部由支架和隔板分隔成3～4层结构，分别安装GPS和通讯系统、数据采集系统及太阳能供电系统的部分设备，避免不同设备间的电磁干扰。

太阳能供电系统：为保持全年光照充分，通常采用朝南向水平45°夹角来安装固定式太阳能电池板。并通过电源管理器连接并联状态下的12V蓄电池组，以支持甚宽频带流动仪器观测系统持续不间断的数据采集工作。不建议采取市电接入的方式解决供电问题，避免不可控条件下断电造成的工作中断和设备损坏。

数据采集系统：CMG-3T甚宽频带地震计与130系列数据采集器在架设过程中应分离的安放互不影响，方便后期的数据回收工作。其中地震计必须朝向正北架设在观测桶底部混凝土地面上，通过调节底角螺栓到水平方位后，使用摆线连接置数据采集器；由于两种设备属于高精密仪器，需要加装特质的保温海绵箱体，最大程度的减少温度湿度噪音等外部环境对其造成的影响。

GPS与无线传输系统；作为辅助系统理论上应安装在观测桶内部，但实际操作中为提高坐标精度和保障数据监控的时效性，通常通过加装PT06A10接头的电缆延长线在观测桶外部安装，为数据采集器提供精准的时间和空间位置信息。

5 甚宽频带流动观测仪器系统的数据采集

主要是使用PDA上的程序REF TEK iFSC，通过对130系列数据采集器的内部参数设定，达到数据采集器和地震计的同步运行来完成，这里主要涉及两方面，分别是参数设定与状态设定。

参数设定：参数设定可比喻整个系统的理论基础，其内容的设定决定了数据采集的标准性、有效性，同时决定了仪器设备的工作及修正模式。主要包含以下几方面的参数。

StationParameters(台站信息)：填写台站名称、标号等信息。

ChannelParameters(通道参数)：包括Name(通道名称)、SensorType(传感器类型)、SensorModel(传感器型号 )、SensorSerial No(传感器序列号 ) 、Gain(增益 )；方位角等，通过设置保证数据采集器和地震计的结构参数的同步性，达到同步运行，精准采样的目的。

SteamParameters(数 据 流 参 数)： 包 括RecordLength(记录长度,默认3600S)、SampleRata(采样率)、DataFormat(数据格式)、Trigger Type(触发类型 )、 Disk(存储位置 )、Enet(网络 )、Channels(通道选择)等，用以规范所采集数据内容的标准性及存储的统一性。

SensorCalibrationSignal(传感器标准信号/标定信号参数)：其中可已选择性使用STEP、SINE、SweepBB等9种格式信号，并同时设置标定信号的Amplitude(幅度)、Frequency(频率)等参数，通过统一发送后，检验仪器设备的工作状态和一致性。

SensorCalibrationSchedule(标定信号定时参数)：包括Starts(起始时间)、Repeat lnterval(重复间隔)、Number of Calibrations(标定数量 )、Recordlength(记录长度)。

SensorAutoReCenter(地震计修正参数)：通过Cyclelnterval(修正周期)的设定，完成地震计内部摆锤的定时居中修正，保持地震计正常精准的工作状态。

状态设定：主要是针对的是130系列数据采集器而言，通过设定来完成GPS、无线传输等辅助设备的运行问题，以及数据采集器的启动工作。其常用的设定内容主要包含以下3个方面。

States(状态控制)：在选项中，可以查看Time(数采内置时钟)、Acquisition(工作状态)、Disk(存储卡)、Power(工作电压)、GPS等信息，通过参数设定获取时间和空间的准确信息，控制数采的开启工作。

Sensor＆AuxiliaryControl(传感器与辅助控制)：用以控制和监视地震计的开解锁和工作情况，还可通过RealTimeMonitor(实时监控)选项来直观的查看当前的实时波形，及时发现和解决地震计出现的各种问题。

NetConfig(网络控制)：这一选项的操控主要在甚宽频带流动仪器观测系统加装无线传输系统后使用，设置后，可通过手机或电脑，远程监控整个观测系统的工作状态，起到有效的监管作用。

[1]钱荣毅．REFTEK宽频地震观测仪器系统和野外数据采集[J]．物探装备 ,2004．3．

[2]邱勇．“中国地震科学台阵探测——华北地区中部”专项实施任务书 2016．1