基于CWQL的山西测震台网准实时背景噪声计算分析

高伟亮 ，殷伟伟 ，王卓君 ，张 娜 ，梁永烨 ，吕 睿

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

山西测震台网由1个台网中心和57个测震台站组成，台网中心采用JOPENS系统对台站数据进行接收、存储及处理。因台站配置仪器种类多，造成地震台站的背景噪声计算流程繁杂，需花费大量的时间。为此，应用JOPENS系统和CWQL工具软件，完成山西测震台网57个台站背景噪声功率谱的统一计算、对比分析等，实现对数字测震台网波形数据质量、背景噪声变化的监控及各频段噪声特性的对比分析。

在宽频带数字测震观测系统中，系统故障、波形数据的突跳阶跃、传输信道的短时中断及观测环境强噪声源的出现，这些都是影响测震波形数据质量的主要因素[1]。及时监控数字测震台网波形数据质量及识别台站观测环境干扰源，成为山西数字测震台网数据质量监控技术中的重要研究课题之一。

1 CWQL软件功能

CWQL是工具性软件，能从数字测震台网的JOPENS波形数据流服务器上读取连续波形数据及测震台站仪器配置参数，并对波形数据进行计算分析。软件主要采用Matlab语言进行开发，与目前各区域地震台网所运行的JOPENS5.2系统实现无缝连接。通过对连续波形数据进行背景噪声功率谱密度和台基环境地噪声水平RMS值的计算，画出PSD曲线，实现对山西测震台网数据记录质量和台站环境背景噪声水平的准实时监控[2]。

2 数据处理方法

JOPENS5.2系统在地震分析处理中，需准确使用JBOSS控制台中测震台站的仪器配置参数。测震系统记录的波形数据是无量纲数值，传递函数反褶积扣除仪器响应才能得到地动速度。JOPENS5.2系统测震仪器的配置参数需与仪器出厂参数相同。其中，地震仪输出电压和数采灵敏度的正确输入较重要。如配置数值不准确，会使地震处理中出现震级偏差。准确了解并评估JOPENS5.2系统测震仪器配置参数，成为山西数字测震台网迫切需要解决的问题。CWQL软件可实现对波形数据背景噪声功率谱密度的计算，通过各频段噪声功率谱的对比分析，可有效判断JOPENS5.2系统仪器参数配置的准确性[2]。

2.1 环境地噪声水平RMS计算

实测地脉动速度值计算公式为:

(1)

式中:V为观测地脉动速度值(单位：m/s)；N为实际记录背景噪声值(单位：counts)；D为数据采集器电压转换因子(单位：V/count)；S为地震计输出电压灵敏度(单位：V·s/m)；U为输入峰值电压(单位：V)；K为数据采集器正常运行时的增益；R为仪器分辨率(单位：counts)[3]。

地脉动噪声均方根值RMS可以衡量地震台台基背景噪声水平，即：

(2)

2.2 背景噪声功率谱PSD计算

PSDa(ω)=ω2PSDv(ω),

(3)

式中：ω=2πf；PSDa的单位为(m/s2)2/HZ；PSDv(ω)的单位为(m/s)2/HZ[3]。

3 成果分析应用

3.1 测震波形质量准实时评估结果的服务界面

在山西测震台网安装CWQL工具软件并进行参数配置，开展运行调试，连续波形质量准实时评估结果的服务界面为http://10.14.XX.X X:8080/CWQL/CWQL.html，实现了对台网所属的57个测震台站连续波形数据质量、JOPENS系统台站配置参数的准实时监控及台站观测环境背景噪声功率谱密度的对比分析，辅助测震速报和系统维护人员能及时发现测震台网运行中出现的故障信号，以便快速修复仪器故障，保证测震台网的正常运行。

3.2 台基背景噪声分析

及时发现测震台站观测环境变化,实现山西测震台网的57个台站背景噪声水平RMS和背景噪声功率谱密度PSD的统一计算、对比分析等问题，可显著提高工作效率。

例如，对台网57个台站2020年4月14日17:00至24日17:00的波形进行背景噪声功率谱计算分析(共233条功率谱结果)。图1a为霍州台BHZ分向的背景噪声功率谱概率密度曲线，属于台基状态较好的曲线形态，白天和夜间的差别较小，且在低频段和高频段都贴近Peterson的地球低噪声新模型；在图1b神池台BHZ分向的背景噪声功率谱概率密度曲线中，存在3～5 Hz的干扰源，经现场勘察，分析认为是台站周围正在运行的风电机组造成；在图1c太谷台BHZ分向的背景噪声功率谱概率密度曲线中，存在1个3～4 Hz的干扰源，分析认为是由台站周围村庄施工造成；图1d为寿阳台BHE分向的背景噪声功率谱概率密度曲线，可以看出，低频段干扰严重，分析认为是台站仪器受气流扰动或是地震计摆线受潮等原因造成。

图1 台站功率谱概率密度曲线对比图Fig.1 Comparison of power spectrum probability density curves of stations

3.3 追踪地震计故障

当测震观测系统数采正常运行,地震计出现故障时，测震速报和系统维护人员通常情况下浏览连续波形难以直观地发现。经计算后，可从台站背景噪声功率谱密度图中直观地辨别记录波形中不同频率信号间的细微差异。

图2d是左权台2020年5月8日10时的三分向连续波形，可以看出，三分向的连续波形数据形态相差不大，不能直观地通过浏览连续波形发现BHN和BHE分向的数据中存在的故障信息，但通过台站噪声功率谱密度曲线图分析得出,当天在9时至9日10时(24条功率谱结果)期间，左权台三分向功率谱概率密度函数的变化过程。通过比较图2a、2b、2c看出，EW和NS两个分项的噪声功率谱概率密度曲线形态呈斜线型，与BHZ正常分向的噪声概率密度曲线形态不一致。测震台站维护人员通过检测确定为地震计BHN和BHE分向摆锤机械零点故障。通过对测震波形数据进行背景噪声功率谱计算分析，可了解测震台站仪器的运行状态。

3.4 JOPENS系统参数配置异常分析

图2 左权台功率谱密度函数及相应的连续记录波形Fig.2 Power spectral density function of left weight station and its continuous recording waveform

当JOPENS5.2系统JBOSS控制台中的台站观测仪器配置参数输入错误时，测震速报人员在时域浏览连续波形显示不能发现系统异常，但是在频域，对比分析台站噪声功率谱密度曲线图可以发现配置参数错误和模板使用的不准确。运用CWQL软件计算山西测震台网57个测震台站背景噪声功率谱概率密度函数，既可及时快速检测测震观测系统故障，又可发现JOPENS5.2系统台站观测仪器配置参数的异常，保证观测系统正常运行及观测数据的可靠产出[2]。

数据修复前PSD曲线如第45页图3a、3b、3c所示，可以看出，图3c展示的UD向功率谱概率密度曲线幅度比图3a中的EW向和图3b中的NS向约低20 dB，UD向功率谱概率密度曲线在0.05～1 Hz,低于全球低噪声新模型(NLNM)，表明UD向功率谱概率密度曲线异常。

同一个台站测震仪器正常运行时的三分向连续波形背景噪声功率谱值可认为数值相似。通过分析，造成UD向的PSD比EW和NS向偏差大的原因有：仪器发生故障和JOPENS5.2系统JBOSS控制台中的观测仪器配置参数与仪器出厂参数不一致。通过对仪器进行脉冲标定，仪器恢复正常。分析UD向连续波形数据功率谱密度曲线异常是由于JOPENS5.2系统JBOSS控制台中的台站观测仪器参数配置错误造成。通过JBOSS控制台检查JOPENS系统中阳高台地震计和数据采集器的配置参数，发现UD向数据采集器的灵敏度配置数值(6711409.396 count/V)与实际正确数值(838861 count/V)不一致，即公式(1)中参数D(数采灵敏度=1/D)的配置不正确。

登陆JOPENS5.2系统JBOSS控制台，在阳高台仪器配置参数中的UD通道响应里更新为数据采集器正确的灵敏度，SSH登录JOPEN5.2系统服务器，在目录/etc/init.d下输入./memcached restart命令行更新台站仪器配置参数。使用CWQL软件读取更新后的阳高台观测仪器参数并计算RMS和PSD值。阳高台UD向PSD曲线如图3d所示，相比图3c，功率谱密度曲线高约20 dB，与EW、NS向功率谱密度曲线特征形态一致，且落在Peterson模型之间。

图3 阳高台功率谱密度曲线Fig.3 Power spectral density curve of Yanggao station

4 结语

运用CWQL软件实现对山西测震台网的57个台站背景噪声水平的准实时监控，给出观测数据质量评估结果，可辅助系统维护人员及时发现测震台站环境干扰和有效检测JOPENS5.2系统台站观测仪器配置参数的准确性，保证山西测震台网的正常运行。研究结果实现了对山西数字测震台网连续波形数据质量、JOPENS系统台站配置参数的准实时监控及台站观测环境背景噪声功率谱密度的对比分析。