GL-S120与3T-120甚宽频带地震计性能对比分析

吴 双，李小晗，王杰民，王 良

(山东省地震局，山东 济南 250000)

目前，地震系统使用的地震计种类繁多，不同厂家、不同型号的地震计在性能和指标上均存在一定差异，这些差异在日常数据处理、分析和深挖掘等工作中会造成一定影响(韩成成等，2016)。通过对GL-S120与3T-120两种较为常见的甚宽频带地震计的性能进行对比分析，可以在地震数据研究中起到一定参考作用(段绍鑫等，2019)。

1 观测条件及仪器参数

将两种地震计放置于山东省临沂市马陵山比测基地山洞内进行观测，观测记录时段为2018年11月22日至2019年3月27日。马陵山比测基地地处沂沭断裂带南段，监测环境比较优越。GL-S120与3T-120两种甚宽频带地震计放置在马陵山13号山洞台基上，同时还设置了三台地震计进行对比观测；不同型号地震计连接数据的采集器均统一使用EDAS-24GN，采集器的采样率也均设置为100 Hz，采用GPS转发覆盖。地震观测仪器参数如表1所示。

表1 地震观测仪器参数

2 地震计相关性计算

2.1 相关性计算方法

本研究采用Pearson相关系数法进行相关性计算。Pearson相关系数法是英国统计学家皮尔逊在20世纪提出的一种计算直线相关的方法(王凯等，2012)。其计算公式如下：

(1)

通常情况下，可以通过以下取值范围判断变量间的相关性：相关系数在0.8～1.0为极强相关，相关系数在0.6～0.8为强相关，相关系数在0.4～0.6为中等程度相关，相关系数在0.2～0.4为弱相关，相关系数在0.0～0.2为极弱相关或无相关。

2.2 地震事件选取

选取2018年12月21日1时1分57秒在科曼多尔群岛地区(54.95°N，164.79°E)发生的7.4级地震事件作为比测样本。GL-S120(G17425VS)与3T-120(T39737)两种型号地震计记录波形如图1所示。

图1 GL-S120和3T-120型号地震计波形记录

2.3 相关性计算结果

表2 不同型号地震计间相关性的计算结果

表3 同型号地震计间相关性的计算结果

3 地动噪声功率谱分析

采用Welsh方法计算地动噪声功率谱，将输入数据序列分段，每段之间部分重叠，分别求出每段的谱估计，计算谱估计时使用窗函数，最后将各段数据的谱估计平均值作为最后结果(段天山等，2011)。

选取2019年02月6日5时至6时(该时段内无地震，外界干扰较小)观测数据作为计算样本，分别对GL-S120(G17424VS)和3T-120(T39820)地震计进行同一时段的UD向地动噪声功率谱密度计算。两种不同型号地震计的UD向台基噪声功率谱密度曲线见图2，由图可知：1)在0.03 Hz以上频段，GL-S120和3T-120两种型号地震计UD向地动噪声曲线走向基本保持一致；2)在0.03 Hz以下频段，3T-120型号地震计的UD向同频点地动噪声略低于GL-S120型号地震计。背景噪声相同，两种型号地震计所计算的台基噪声在0.03 Hz以下频段存在一定差异，这有可能是地震计自身性能差异等因素造成，具体原因还可待进一步研究。

图2 GL-S120和3T-120地震计UD向台基噪声功率谱密度曲线

UD向1～20 Hz速度RMS均值见表4，由表可知：GL-S120和3T-120两种地震计UD向1/3倍频程带宽1～20 Hz频带范围内的速度RMS均值小于3.16×10-8m/s。

表4 噪声功率谱计算结果

4 地震计自噪声功率谱对比

计算地震计自噪声的方法采用目前较为广泛使用的三仪器法，该方法的二阶张量表达式如下：

(2)

式中：Nij为仪器的自噪声功率谱密度，Pii为仪器输出信号的自功率谱密度，Pji、Pik和Pjk为仪器输出信号的互功率谱密度，i,j,k=1,2,3,其中i≠j≠k(尹昕忠，2013)。

由图3～5可知：1)GL-S120型号地震计在0.03～6 Hz频带范围内自噪声功率谱密度曲线低于NLNM曲线；3T-120型号地震计在0.03～10 Hz频带范围内自噪声功率谱密度曲线低于NLNM曲线；2)0.1 Hz以上频段和0.03 Hz以下频段，3T-120型号地震计自噪声功率谱在同一频点比GL-S120型号地震计略微偏低，此结果与第3部分两种型号地震计台基噪声曲线所得结果基本一致。

图3 GL-S120地震计UD向自噪声功率谱密度曲线

图4 3T-120地震计UD向自噪声功率谱密度曲线

图5 GL-S120 VS 3T-120地震计UD向自噪声平均功率谱密度曲线

由于地震计自噪声测试结果受多种因素影响，而且不同仪器对环境噪声水平要求不同。对于宽频带地震计而言，需要保证温度恒定，防止空气流动。该测试未采取较好的保护措施，忽略了外界干扰影响，结果可能存在一定程度的偏差。

5 结束语

通过同址安装运行的GL-S120和3T-120两种型号地震计记录数据进行对比分析，发现该两种型号地震计具有较好的一致性。具体为：1)GL-S120和3T-120两种型号地震计记录数据相关性高，均能较好反应地动信息；2)两种型号地震计记录的台基噪声曲线走向总体一致，能真实记录台基的噪声水平；3)GL-S120和3T-120两种甚宽频带地震计UD分向自噪声功率谱密度曲线在0.03～6 Hz频带范围内均低于NLNM曲线，均具有良好的地震计低噪声水平。

在整个测试过程中两种型号的地震计均未配置保温隔离设施，外界环境可能在一定程度上对计算结果造成影响。在以后工作中，要考虑为地震计配置保温、隔离设施，减少温度、湿度、空气气流在地震计工作过程中造成干扰。