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内蒙古地震烈度速报与预警工程基本站勘选仪器测试分析

更新时间:2016-07-05

0 引言

内蒙古地震烈度速报与预警工程是国家地震烈度速报与预警工程的子项目,地震烈度速报与预警工程基本站的建设思路是连续观测地面运动加速度,实时传输观测波形,用于地震烈度速报,并可用于地震预警的地震台站。基本站仅配备加速度地震计,将其布设在人口聚集区内环境噪声相对较低的地表场地,其观测数据可以准确地确定台站所在位置的地震仪器烈度以及强震的基本参数,因此其作为地震烈度速报骨干台站、地震预警辅助台站。基本站台站选址后,应进行台基背景噪声测试。测试仪器应采用能直接获取场地脉动加速度量的仪器,仪器频带宽度范围宜不小于0~80 Hz,记录场地脉动加速度时间过程[1]。本文研究在基本站勘选阶段进行台基背景噪声测试得到的地脉动噪声功率谱及特征参数,并对其进行综合分析,对后续的基本站建设和提高观测质量都具有实际意义。

1 观测资料选取

场地干扰背景的噪声大小直接关系到基本站记录地震波形的能力,背景噪声的大小需要噪声记录来计算衡量,结合地震烈度速报与预警工程基本站勘选仪器测试工作,选取内蒙古区域的10个基本站加速度强震计记录数据,每个勘选点连续记录数据不少于24小时,为真实反映台基噪声水平,每个勘选点选取的连续记录数据包含白天和夜间时段,数据一般选取无地震或其他干扰的时段,或将噪声样本数据的时间延后至正常地脉动水平的部分开始正式记录。10个基本站的数据选取在2016年3月17日至2016年4月5日的时间区间内,图1为测试点分布图。

图1 测试基本站分布图 Fig.1  Distribution of test basic stations

2 测试仪器

勘选测试的仪器设备要求采用能直接获取场地脉动加速度记录的仪器。仪器的分辨率应不低于18bit,频带范围DC~80Hz,采样率不低于200sps,灵敏度不低于2.5V/g[2]。根据以上要求选用了北京港震公司生产的BBAS-4型加速度地震计,其应用力平衡电子反馈技术,测量范围为4g,双端差分输出灵敏度为2.5V/g,动态范围>140db,加速度响应平坦频带为DC~100Hz,温度漂移<500μg/℃,重量轻,体积小,布设安装简便。总之该地震计具有线性好,频带宽,动态范围大的特点。数据采集器采用地震监测常用型号EDAS-24GN数采,量程设置为±10V、采样率设置为200sps、转换因子为1.192μv/count,均可匹配加速度地震计各项参数。使用的仪器设备适用于预警项目勘选的基本站仪器测试。每次在测试开始前和结束后应对仪器进行常规标定,并对标定数据进行分析,确保仪器状态正常和参数准确,并为测试数据分析仪器响应扣除环节提供参数。测试时应对布设地震计处的地表进行平整和硬化处理,并保证测试仪器和地面的牢固连接[1]

3 计算方法

3.1 直流偏移去除

在数字地震记录中往往会出现直流偏移,这个信号不表示真实的地面运动,在实际计算过程中必须消除这一直流分量[3]。对选取的整个记录取平均值作为直流偏移量,然后对每个点减去平均值作为该点记录值,这一过程就是直流偏移去除过程,表达式为:

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式中,f1为每个采样点的count值,N为记录长度的总采样数。

3.2 扣除仪器响应

枪声定位模拟实验通过鞭炮声来模拟枪声信号,每次网络检测到枪声信号都存在单一节点直接失效的风险,尤其是簇头的直接失效将会导致整个网络的瘫痪。在一组实验中,存在始终没有作为簇头的节点,并以此节点的实验数据为例,表1中列出了簇头失效情况下的5次检测的结果。序号0表示鞭炮的实际位置,序号1表示单点定位结果,序号2表示本次网络数据融合定位结果。

式中,Sd为系统灵敏度,A0为归一化常数,CkDk分别代表传递函数的零点和极点。

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3.3 计算台基噪声功率谱

以时间函数ft)为处理后的噪声记录信号,进行快速傅立叶变换,取其频域结果绝对值的平方得到噪声功率谱:

需要将以数字表示的采样幅值使用地震计灵敏度值和数据采集器的转化因子组成的观测系统灵敏度转换为地动加速度值,为获得地动噪声的绝对量值,需要扣除掉仪器的影响,观测系统的传递函数一般表达式为:

式中,N的取值为2的幂次,实函数常称为功率谱或能量谱,更确切地说,叫功率谱密度PSD或能量谱密度[4]

3.4 计算台基噪声有效值

基本站勘选场地脉动测试结束后,应对数据进行有效性分析,剔除偶发性干扰后对有效记录数据进行计算分析。本文在1~20Hz观测频带范围内计算功率谱密度及RMS值,通常干扰背景与时间有关,白天的干扰背景噪声大一些,夜间要相对平静一些,当然勘选测试点一定要避开已知的可能影响观测的振动源,如大型的马达、泵站、发电机、塔柱状结构、重型车辆通路、大型管道等设施。对场地脉动观测数据进行处理,评估台点场地的背景振动噪声水平。资料处理时,将全天24小时连续观测记录分为24个时段,计算每个时段内1~20Hz频段内的均方根值,测试场地的最大背景振动加速度噪声均方根值应不大于0.01m/s2,则认为场地满足噪声要求[1]。当采用加速度表示振动噪声时,其功率谱密度的单位为m2s-4/Hz,图2为10个勘选测试点的计算得到的噪声功率谱以及24小时功率谱密度加速度aRMS有效值(平均)时间分布柱状图。

式中,fc为分度倍频程中心频率,RBW为中心频率[5]

4 计算结果

台基噪声有效值即均方根振幅值RMS,即N个观测数据的平方和除以N后开平方的结果,在一定程度表征台基噪声水平,由功率谱密度PSD可计算噪声有效值RMS:

图2 各测试点噪声功率谱与aRMS水平 Fig.2  Each test point noise power spectrum and aRMS level

首先进行带通滤波处理,滤波频率范围宜选择为0.1~80Hz,其次确定台站场地24次观测的背景振动加速度噪声方均根值(aRMS),24次计算结果中最大的背景振动加速度噪声均方根值作为台站最大背景振动加速度噪声。

表1 基本站测试点加速度噪声均方根RMS值

勘选测试点1~20Hz 1/3倍频程各带宽内的加速度噪声有效值aRMS均值(m/s*s)UD向 EW向 NS向XNE 1.73869e-004 7.63004e-005 3.67170e-004 JNQ 3.70684e-005 4.3368e-005 2.89654e-005 CHQ 9.07255e-005 5.92708e-005 4.09702e-005 SBT 2.98496e-005 4.9298e-005 2.60854e-005 HUD 3.00121e-005 4.82357e-005 2.90185e-005 SHD 5.01157e-005 5.37144e-005 4.19391e-005 CYH 5.71393e-005 7.50276e-005 5.28441e-005 CYZ 4.85171e-005 5.35536e-005 4.14335e-005 CGBG 2.65921e-005 3.68166e-005 1.92138e-005 JAN 3.22674e-005 3.26129e-005 2.22217e-005

5 仪器自噪声

[1] DB/T60-2015. 《地震台站建设规范-地震烈度速报与预警台站》[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015: 1-20.

霍尔科姆方法使用两台加速度地震计进行对比观测,根据两台地震计的同址、同步观测资料,计算它们的功率谱和幅值平方相干函数,即可得到地震计的噪声功率谱[6]。图3为使用该方法得到的BBAS加速度计的自噪声功率谱。

6 结论

在野外测试的环境下,温度变化较大,即便是一个小时的噪声数据,加速度计产生的温度零点漂移还是非常明显的,为了消除温漂的影响,计算加速度噪声功率谱的计算程序中加入了0.1~80Hz的带通滤波器,另外还加入了100Hz高端截止频率的高通滤波器,其目的在于消除直流分量引起的零漂[7]。《地震台站建设规范》[1]中要求对测试数据进行带通滤波预处理,以消除由于温漂带来超低频成份增高的因素。XNE、JNQ、CHQ三个点没有对测试数据进行滤波预处理,从图2可以看出,这3个测试点的噪声功率谱在低频段水平较高,这是实际记录数据低频信号成分存在的证明,是实测数据的真实反映,其余7个测试点数据均采用了高通滤波器,从图中也可以看出,其它7个测试点数据均采用了高通滤波器,其噪声功率谱的低频段与未进行滤波处理的结果相比较下降是明显的,100Hz高端截止频率有效去除了直流分量引起的零点漂移,更真实地反映其本身场地的噪声功率谱。至于带通滤波器的选择会造成噪声功率谱低频段更明显的下跌,这是因为在处理数据时要调用加速度计的传递函数来扣除仪器响应,传递函数的零极点参数相当于一个低通滤波器,在低频段是平坦的,处理数据时如果选择带通滤波器频带范围的选择是不合适的,会造成噪声功率谱低频段的畸变。

图2中各测试点的噪声功率谱是每个台站3分向24小时各时段的噪声功率谱的集合,也就是说每个台站有画了72条谱线来表征台站噪声功率谱,大部分测试点的图谱一致性较好,个别测试点如SBT、HUD、CYH、CYZ个别时段的噪声功率谱与其他时段存在不一致的现象,这是由于测试场地突发外界人为干扰与地震事件或非天然地震事件的影响,不能作为场地常规噪声数据来估算,应剔除这些数据来估算,也就是保证噪声数据的有效性,大部分时段和分向集中的图谱作为其真实的噪声图谱。24小时功率谱密度加速度aRMS有效值时间分布柱状图也可以看出,噪声水平基本符合夜间小于白天,上半夜小于下半夜,上午小于下午,这是由于夜间噪声水平实际小于白天噪声水平,其中HUD、CGBG、JAN夜间水平不低甚至高于白天,是由于夜间风扰所致,即测试点气流变化大的影响。

[2] 中国地震局. 国家地震烈度速报与预警台网工程基本站场址勘选技术指南[S]. 北京: 地震出版社,2015: 1-14.

(二)元素性。音乐元素,就相当于人体中所存在的元气,是作为音乐本身所必须具备的一个重要内容。奥尔夫音乐教学法中的音乐技能、音乐素材的收集等元素,都是以一种实用性、原始性的姿态展现在大家面前的。例如:用节奏的反复调试与固定,用简洁的音乐方式表音乐中所蕴含的情感元素等,以此将音乐作品中的情感体现地淋漓尽致,使效果达到最佳。

图3 BBAS加速度计幅频特性与自身噪声功率谱密度曲线 Fig.3  BBAS accelerometer amplitude-frequency characteristics and own noise power spectral

参考文献:

仪器测试时不仅要进行标定以保证仪器工作状态正常和灵敏度等参数的准确,同时对仪器进行自噪声测试也是有必要的。地震计的测量能力可用频带范围和幅值范围来表示,图3为厂家给定的地震计幅频特性,该技术指标确定了仪器频带范围,而幅值范围则由动态范围、限幅电平、地震计自噪声水平来描述。地震计自噪声功率谱的测试对于表示地震计的测量范围比较直观,虽然厂家一般在说明书中给了仪器自噪声功率谱曲线,但对于本次勘选任务有必要对其进行仪器自噪声功率谱测试。

表1中各个测试点的背景振动加速度噪声方均根值aRMS均没有超过0.01m/s2,且相差10-3数量级,均符合基本站的场地噪声水平要求。另外经过比对分析,CGBG测试点的噪声功率谱受外界干扰水平较小,其他测试点不同程度的受外界干扰,尤其在3Hz以上的高频段受高频信号干扰严重,一般来说在仪器正常工作的情况下高频干扰都来自于外界自然与人为影响,结合加速度计的自噪声功率谱,实测的各个场地噪声功率谱在0.003~3Hz基本反映的是加速度仪器的自噪声,总的来看,加速度计本身的自噪声水平还是比较高的,如果单纯以基本站的噪声水平要求来看,使用该加速度计作为勘选地噪声水平测试仪器是可以的,但要在1~20Hz频带范围上考虑多个频点的噪声水平,使用该仪器是不能全面评价的。

[3] 刘瑞丰, 陈培善, 党京平, 等 . 宽频带数字地震记录仿真的应用[J]. 地震地磁观测与研究, 1997, 18(3): 7-12.

利用优化后的GNG算法对3个Rovio机器人进行检测和跟踪。相比原GNG算法,在ROS平台上虽然仍不能达到实时快速跟踪,但聚类速度有着明显的提升。实验结果认可了GNG算法通过对判断条件的改善可加快聚类速度的思路,如图6所示。

[4] 巴特著, 郑治真, 叶正仁, 等译, 朱传镇校 . 地球物理物理学中的谱分析[M]. 北京: 地震出版社, 1978:9-218.

11月11日,由广州科通展览有限公司举办的第21届中国(广州)国际名酒展在广州·广交会琶洲展馆B区圆满闭幕。盛会规模空前,来自全球51个葡萄酒产国103个产区的1000多家葡萄酒庄和3000多家国内酒类优秀进口商与5万家经销商齐聚一堂。首日参观人数突破2万人次。3天内60多场不同主题活动,包括大师班、品鉴会、行业渠道与发展等不同主题的活动,国际化程度再创新高。

[5] GB/T3241-1998. 倍频程和分数倍频程滤波器[S]. 北京: 中国标准出版社, 1998: 1-28.

[6] Holcomb L G. A Direct Method for Calculating Instrument Noise Levels in Side-by-Side Seismometer Evaluations:Open File Report [M]. U.S, 1989: 89-214.

[7] 童旺练. 数字地震仪参数测定软件使用手册[Z]. 北京: 北京港震机电技术有限公司, 2016: 1-86.

就其内部特征,学者们给出如下定义:在法律行业、法律语境或语体中使用[1,3];表达相对单一的法律概念[5]8;指称法律领域特有或相关事物的现象和本质[2]86-90;具有或表达法律意义[6]。

王鑫,张皓明,安全
《防灾减灾学报》 2018年第01期
《防灾减灾学报》2018年第01期文献

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