连云港地震台BBVS -120、CTS-1E型地震计系统性能对比

立凯 秦磊 曾智 孙雷

（中国江苏 222061 连云港地震台）

0 引言

连云港地震台属于国家台。目前，连云港地震台有BBVS-120、CTS-1 型2 套测震仪器，其中，CTS-1 型地震计已运行十几年，BBVS-120 型地震计经过多次更新、更换，截至2019 年，BBVS-120 型地震计已在网运行约3 年。本研究通过对连云港地震台相邻台基上同时运行的2 套观测系统进行观测系统性能分析，包括计算2 套仪器台基噪声功率谱密度、处理分析正弦波和脉冲标定数据、分析对比典型近远震震级等，对2 套观测系统的性能差异及原因进行探讨，以期为今后地震监测工作提供一定的数据支持（段绍鑫等，2019）。

1 观测环境与仪器参数

连云港地震台始建于1976 年，位于江苏省东北部连云港台山麓，海拔高程约30 m，该台台基基岩完整，仪器放大倍率高，观测环境好，能有效监测100 km 范围内的ML≥1.0 地震，对黄海海域及山东北部地区的地震活动也有一定的监测能力。台站所处区域在大地构造分区中隶属扬子断块与华北断块之间的苏北—鲁南块体；南以嘉山—响水断裂为界，西与郯庐断裂带为邻，东濒黄海。台站附近主要断裂为NE 向猴嘴—南城断裂、新河—桑墟断裂，地形受构造控制明显。台址基岩属前寒武系云台山组中段，岩性为花岗片麻岩。岩层走向NE—SW，倾向SE，倾角约35°（国家地震局科技监测司，1990）。连云港地震台测震观测仪器基本信息见表1。

表1 连云港地震台观测仪器设备及参数Table 1 The parameters for contrast observations at Lianyungang Seicmic Station

2 台基噪声功率谱

2.1 功率谱分析计算方法

近年来，随着地震观测技术和计算机技术的不断进步，台基噪声水平的分析已成为评估地震台站运行质量的重要技术指标，对1 个地区台基噪声水平的正确评估和全面了解成为进一步改善地震观测质量的重要环节。台基噪声水平是以背景噪声的加速度功率谱（PSD）的概率密度函数（PDF）来表示的，基本计算方法：以各台站3 个分向每小时的连续记录数据为样本，首先采用WELCH 方法在全频段内计算信号的加速度功率谱，再按1/8 倍频为单位间隔滑动计算每条样本的平均功率谱。在实际运用中，为了提高功率谱估计的精度，采用WELCH 方法，它包括对信号重叠分段、加窗函数和FFT 算法等。

2.2 数据的选取与处理结果

选取2019 年5 月1 日1:00—2:00 的BBVS-120、CTS-1 型地震计1 h 波形数据作为数据样本。选取较安静时段的资料可以避开一些不必要的干扰，并保证所选取的时间段没有地震事件，对2 套仪器进行同一时间段的噪声功率谱计算。对地震连续记录数据进行分道计算绘制出噪声功率谱密度曲线和计算噪声的结果，并绘制BBVS-120、CTS-1 型观测系统的噪声功率谱密度曲线。基本计算方法如下：①以台站3 个分向每小时的连续记录数据为样本，首先进行去除记录数据中的线性趋势、去均值等处理，将每小时计算样本分成13 段，为尽量降低噪声PSD 的方差,每段数据之间重合率取50%；②用FFT 方法计算每段功率谱PSD，再根据仪器的传递函数在频域里扣除仪器响应，最后的每小时功率谱密度值是由13 段功率谱密度值取平均值后得到的，这种方法最大程度地减少了重叠后“频谱泄露”效应，增加了频峰的宽度；③将计算得到的PSD 再按1/8 倍频为单位间隔滑动地计算每条样本的平均功率谱，为了与全球新高模型(NHNM)、新低模型（NLNM）进行对比，将功率谱密度值换算成dB 为单位的数值进行绘图分析（立凯等，2021）。

2.3 噪声功率谱的分析

图1 分别为CTS-1、BBVS-120 型地震计的三分向地动噪声功率谱密度曲线对比图。由图1 可见，连云港地震台2 套仪器都在地球低噪声新模型（NLNM）和地球高噪声新模型（NHNM）之间，说明2 套仪器的背景噪声都满足观测要求。根据数字地震测震台站观测技术规范要求，规定台基背景噪声在1—20 Hz 频带范围内的地动速度噪声RMS 值作为台址勘选的评估标准，2 套仪器所得结果均符合Ⅰ类台基标准，即RMS ＜3.16×10-8m/s，计算结果详见表2。由图1 还可见，在低频段0.1Hz 以下频段，2 套仪器的噪声功率谱密度曲线差别不大，BBVS-120 型略优于CTS-1 型地震计，表明2 台仪器对远震的记录相差不大；在0.1—1.0 Hz 频段，2 套仪器的差别不大，几乎一致，因为此频段主要反映的是微震带动特征，主要体现的是海洋噪声水平；在1—20 Hz 频带范围内，CTS-1 型地震计的噪声略高于BBVS-120 型，2 套仪器的垂直向噪声均优于水平向，NS 向噪声比其他分向大的主要原因是连云港地震台背靠大山，在其北面100 m 处有1 条公路，车辆和人员活动的干扰造成NS 向噪声比其他分向偏大，整体上2 套仪器的噪声水平都较稳定，说明连云港地震台台基噪声水平较好，周围环境和人为干扰较小，这为今后2 套仪器并行处理地震数据提供了良好条件。

图1 2019 年5 月1 日1:00—2:00 连云港地震台地动噪声功率谱密度（a）CTS-1 型；（b）BBVS-120 型Fig.1 Comparison of noise power spectral curves of CTS-1 and BBVS-120 seismometers

表2 噪声功率谱计算结果Table 2 Calculation results of noise power spectrum

3 标定信号的处理与分析

3.1 脉冲标定

随着时间的推移和周围环境的变化与干扰，地震计的性能会逐渐变化，因此地震计需要定期进行脉冲标定来检验地震计是否运行正常，参数是否符合规范要求，脉冲标定是检查地震计是否正常工作的有效手段之一。通过对记录的脉冲波形进行分析，可以掌握仪器所处的工作状况，较全面了解仪器长期工作中参数的稳定性，并可据其进行一些仪器性能方面的研究。对连云港地震台2 套仪器2019 年1 月脉冲标定数据进行处理和分析的结果如表3 所示。

表3 地震计脉冲标定结果Table 3 Pulse calibration results of seismometers

由表3 可见，2 套地震计变化率都满足小于5%的系统标定要求。但是CTS-1 型垂直向的阻尼变化率达到了4.5%，手动锁摆开摆之后并没有改善，推测应为系统运行时间较长，摆房夏季湿度较大，里面的电路板霉变，需要开摆更换维修，但目前台站不具备此条件，有待以后继续跟踪分析。由2 套地震计2019 年1 月脉冲结果可知，由于CTS-1 型地震计老化较严重，其灵敏度变化率较大。BBVS-120 型地震计的灵敏度变化率一直较稳定，故目前台站主要使用BBVS-120 型地震计，CTS-1 型地震计为备用仪器，以提高连云港地震台连续记录观测质量。

3.2 正弦标定

对连云港地震台BBVS-120、CTS-1 型地震计进行灵敏度正弦标定，BBVS-120 型正弦标定频点有12 个，CTS-1 型的正弦标定频点有3 个，表4 为灵敏度正弦标定结果。由表4 可见，2 套仪器运行情况均良好，结果符合规范要求。

表4 地震计正弦标定结果Table 4 Sinusoidal calibration results of seismometers

4 近震、远震震级对比

通过对连云港地震台BBVS-120、CTS-1 型地震计的近远震进行对比分析发现（表5、6），总体来说，2 套地震计运行状态都较好，在记录近震和远震震级大小方面2 套仪器的差别不大，但是2 套仪器都存在一定的误差，故震级矫正需要大量的震例进行统计分析，以建立连云港地震台的震级校正值，解决震级偏大偏小的问题。

表5 近震震级对比Table 5 Comparison of magnitudes of near earthquakes

表6 远震震级对比Table 6 Comparison of magnitudes of teleseismic events

5 结论

通过对连云港地震台BBVS-120、CTS-1 型地震计参数进行对比分析发现，2 套仪器运行状态都较好，均能满足台站日常观测运行要求；2 套仪器背景噪声功率谱均满足国家Ⅰ类台站的要求，正弦标定、脉冲标定结果均符合国家地震台网观测要求；2 套仪器在记录近震、远震震级方面差别不大，都存在一定的误差。总之，BBVS-120、CTS-1 型地震计都有较好的运行质量和稳定性。在今后的台站观测工作中，需进一步改善地震计的观测环境，提高2 套仪器的观测精度。