中國數字地震臺網（CDSN）技術系統

田 鑫 鄭 重 田繼楓 周公威

（中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所）

0 引言

中國數字地震臺網（CDSN）是全球地震臺網（IRIS/GSN）的重要組成部分，也是中國第一個大動態、寬頻帶的國家級數字地震臺網。CDSN 始建于1983年5月，于1986年建成，包括：北京、佘山、瓊中、恩施、蘭州、昆明、牡丹江、海拉爾、烏魯木齊等9個數字化地震臺站，以及 CDSN 維修中心（NMC）和數據管理中心（DMC）。1992—2001年，中美雙方對 CDSN 進行2期技術改造，為提高地震監測能力增加拉薩和西安兩個臺站，并對原有設備進行升級，使其數據產出更適合數據處理與國際交換（劉瑞豐等，2009）。此次改造不僅對原有設備和地震計進行升級改造，并且在 CDSN 臺站加裝STS-2地震計或GS-13短周期地震計以及 FBA-23 加速度地震計。CDSN臺站維持近30年的高質量運行，數據可用率超過96%（郝春月等，2006）。為我國地震學與地球內部物理學研究以及核爆炸地震學研究提供了大量高質量的數據。在地震臺網建設、運行維護、數據傳輸等方面為中國數字化地震觀測網絡的建設提供了大量參考和借鑒（周公威等，2005；周公威等，2007；周公威等，2007）。

2011年，為進一步提升 CDSN 的可維護性和數據質量，中國地震局與美國地質調查局（USGS）開始對 CDSN 臺站進行第3期改造，其內容主要有：數采部分由原來的 Q680升級到 Q330HR+BALLER44+SLATE 系統；原有 STS-2 和GS-13 升級為 STS-2.5；FBA-23 升級為 ES-T；替換原有STS-1地震計的底座，為 STS-2.5配備底座和防潮罩；替換原有的臺站分析系統；提供更為先進的分析與監控系統；使用更穩定的傳輸協議。

1 CDSN技術系統

CDSN 第3期改造后，整個技術系統較原系統更復雜、更智能。新系統包括：傳輸系統、地震計、數據采集器和軟件系統。軟件系統中控制單元的加入，保證了數據質量的有效提升，實現了整個系統的遠程監視與維護。

圖 1 CDSN 數據傳輸系統Fig.1 The CDSN data transmission system

1.1 CDSN傳輸系統

新的系統升級完畢后傳輸系統見圖1，臺站端所有設備都通過端口映射的方式連入行業網，將數據傳回設在北京的 CDSN 數據管理中心（CDSN/DMC）。CDSN 臺站實時數據通過 RELAY SEVER接收后，經過具有數據蓄水池功能的服務器處理（王紅，2009），將準實時數據經互聯網傳輸給美國地質調查局國家地震信息中心（USGS/NEIC）。在升級后，系統使用更穩定的傳輸協議（RRP），此協議支持斷點續傳，能夠有效地避免網絡傳輸故障對數據連續性的影響。為了保障行業網內實時數據的安全，采取內外網分割方式，通過防火墻限制未授權用戶的訪問。

1.2 臺站信息

CDSN 臺站既有深入大陸的烏魯木齊臺，又有位于海南的瓊中臺；既有地處高原的西藏拉薩臺，也有高程接近海平面的上海佘山臺。這使得 CDSN 以較少的臺站分布就能夠獲得各種地貌環境下具有代表性背景噪聲的數據。

CDSN 臺站升級改造后配備了STS-1（8.5 Hz—360 s）甚寬頻帶地震計；STS-2.5（50 Hz—120 s）的寬頻帶地震計；ES-T（滿量程為±4 g）的加速度地震計。每個臺站配備了兩臺 6 通道的 Q330HR 數據采集器。每臺 Q330HR 提供3個26位HR通道和3個24位通道；其中26位HR通道的動態范圍大于144 dB。如表1所示，Q330HR 除了提供地震信號的采集外，還提供 STS-1 的真空狀態監控；時鐘授時質量監控；GPS 電流；質心位置等監控信息的采集。這將對后期運行維護中的故障診斷提供良好的數據支持。

表 1 Q330HR 配置信息Table 1 The Q330HR confi guration

1.3 地震計特性

STS-1和STS-2.5是速度平坦型地震計（圖2）。STS-1的360 s超長周期記錄，穩定性。STS-2.5安裝簡易、可維護性高，具有優良的穩定性和較低的自噪聲水平，在固定臺站和流動臺站觀測中應用廣泛。

圖 2 地震計幅頻及相頻特性

1.4 臺站軟件系統

臺站升級完成后，分析處理系統從原有的單一的分析軟件升級到擁有分析、監控、調試等綜合功能的工作站（Seismic Analysis Workstation，簡稱SAW）。SAW 基于Linux系統，集成了地震數據分析軟（DMIAS，Xmax）、數據存檔處理與監控軟件、實時數據顯示軟件、Miniseed重新包裝程序、遠程登錄與控制軟件、Q330 HR監控調試軟件。

（1）DIMAS和Xmax除了能夠對地震數據進行常規的標記震相、計算震級和單臺定位外，還能夠對地震數據進行深入分析。如：進行PSD計算、FFT計算、降噪處理、數據仿真、輸出時頻譜圖、質點運動分析、分量旋轉等操作。

（2）數據存檔與監控軟件把從SLATE（臺站控制單元）傳來的數據實時存儲并監控連接狀況。

（3）數據實時顯示軟件（MSPLOT）實時顯示所有通道的監測數據，包括真空度、零點等監視通道。

（4）Miniseed重新包裝軟件用于組合多個目錄或文件中的Miniseed數據，并將其輸出到一個文件，或根據臺站信息和通道信息，將文件分離輸出到相應文件。

（5） 通過遠程登錄軟件登錄基于Linux系統的SLATE（臺站控制單元），即可使用命令行方式控制數采系統。可以進行地震計自動標定（掃頻自動標定）、STS-1及STS-2.5的零點調整、系統狀態檢查、重新啟動單一設備或整套系統等操作。

（6）SAW能通過Q330監控軟件實時地顯示地震計的零點、真空度、系統的電源狀況，以及GPS授時質量等信息，為CDSN設備的遠程維護，提供的支持。

2 CDSN系統升級

為了讓CDSN新軟硬件系統順利取代原有系統，需使硬件充分發揮作用，并對系統進行有效的運行維護。升級過程中，完備的技術規范和注重細節的實施是不可或缺的。如圖3所示，此次CDSN系統升級工作分4個步驟進行：勘察與設備安裝手冊制作；設備測試；設備安裝與調試；設備初步的運行維護。

2.1 臺站勘察

臺站勘察通常是在臺站建設、改建、擴建時，對臺站周圍的相關地形地貌、天氣狀況、噪聲水平以及基礎設施等方面進行深入的調研，并進行可行性分析。而在臺站設備進行升級改造過程中通常不進行臺站勘察，而此次CDSN升級改造工作，根據中美雙方協商，決定把臺站勘察作為設備升級前的必要步驟，并對勘察內容（圖4）和時間做了明確規定。

2011年10月，中美雙方工程師開始按照擬定的勘察內容，進行實地臺站勘察。在實際工作中我們意識到：臺站勘察不但對臺站建設、改建和擴建有著重要作用，而且對臺站設備的升級改造同樣具有不可替代的作用。

圖 3 CDSN升級流程Fig.3 The CDSN upgrade process

圖 4 臺站勘查內容Fig.4 The stations exploration content

臺站勘察的必要性有①觀測室和擺房結構的改變。從臺站初建到現在，多數地震臺進行改建和擴建。大規模的改建和擴建工程基本做了臺站勘察，而較小規模的改建、修繕和裝修并沒有進行記錄。這些小規模工程不同程度地改變了臺站觀測室和擺房布局甚至結構。所以，原有勘察報告內容反而會干擾設備升級工作的進行；②臺站的設備升級改造與臺站的建造、改建、擴建時間不一致，兩者甚至相差十幾年。這樣的時間尺度對臺站的基礎設施可能不會造成過多影響，但是臺站所在區域的氣候狀況可能已經發生較大變化，特別是儀器設備較為敏感的溫度、濕度；③勘察報告由于用處不同，會產生差別。設備升級改造的勘察報告，是由負責設備安裝調試的場地工程師通過實地調研產生的。該報告是場地工程師從專業角度為臺站量身定制的，會對某些在安裝調試過程中影響較大的因素做更為細致的調研；④重新用尋北儀標記地理北。

2.2 勘察報告與設備升級手冊制作

臺站實地勘察的最終目的不僅是提供存檔資料，更為重要的是根據勘察結果設計臺站設備升級的可行方案，產生具有可操作意義的升級操作手冊，如擺放位置（圖5）。以北京地震臺數據鏈路為例（圖6）：北京地震臺觀測室與擺房所在山洞相距2 km，擺房位于山洞內180 m處。如果使用常規CAT5網線和GPS電纜連接，由于距離長，信號有較為明顯的衰減。 光纜傳輸就成為一個理想選擇。用光纜代替普通GPS電纜傳輸，GPS信號應用于數采設備是 CDSN 改造的一個創新。光纜傳輸不僅能有效改善信號衰減問題，提供穩定的數據鏈路，而且能夠有效防雷。

圖 5 北京地震臺設備安裝位置Fig.5 The quipment installation location at Beijing Seismis Station

圖 6 GPS光纖連接（右）設計Fig.6 GPS fi ber connection at Beijin Seismic Station

2.3 安裝前測試

從勘察結束到正式的設備安裝歷時一年。其間除制作臺站升級操作手冊外，大部分時間用于設備的測試，包含各種電纜的制作與測試。所有設備均經過單獨的運行測試，部分設備連接測試以及臺站系統整體連接測試。

單獨運行測試階段，主要檢測儀器是否能夠運行和在不同環境狀況對儀器運行的影響，最后挑選運行狀態良好的儀器設備。部分設備連接測試是將系統分解成幾個相對獨立的部分分別測試。如果出現問題，在相對簡單的結構上進行連接測試能夠更好地確定出現問題的位置，以便快速解決。這部分測試主要針對連接各個儀器的電纜以及軟件。臺站整體系統連接測試要在運往臺站前將整套設備連接，并進行連續的數據記錄。通過對記錄數據的檢測，查找前兩步測試中未發現的問題。

將眾多質量合格設備進行連接，并形成觀測系統時，由于每個臺站情況不同，設備的軟硬件設置、傳輸電纜等都是不同，就需要將各個臺站設備進行逐級連接、運行測試，以確保在臺站實際安裝時有最小的不確定性。

2.4 設備安裝與調試

2.4.1 硬件設備安裝。硬件設備安裝階段在整個過程中占用時間比例小，原因在于設備安裝前準備工作充分，使之變得簡單且高效。升級手冊有完備的標識（幾十條電纜按照功能不同，賦予不同編號），使安裝過程中錯誤率幾乎為零。

2.4.2 標定與調試。系統硬件連接完畢后，進行定與調試。通過SLATE發出各個頻段的標定信號同，對STS-1和STS-2.5進行長達19個小時的全頻段標定。次日通過標定數據評價設備的安裝狀況，對不符合技術指標的地震計進行進一步調整。標定是對臺站系統的又一次整體測試，包含在安裝前測試中未涉及的對從臺站端到北京和從DMC到USGS/ASL的數據傳輸測試。在完成測試、調試后，系統進入初步運行維護階段。

2.4.3 初步運行與維擴。進入初步運行維護階段，工作重點轉移到數據分析。隨著儀器設備長時間運行，工作狀況趨于穩定。新一輪的設備微調試開始，主要對沒有運行在最佳狀態的儀器進行調整，或是更換為穩定的備用設備。設備微調完成，CDSN系統的升級改造工作結束。

3 結束語

中國數字地震臺網（CDSN）3期技術改造的完成，標志著CDSN繼續保持國際先進技術水平。隨著科學技術的進步，CDSN的改造和發展將繼續與時俱進。

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