強(qiáng)震動觀測儀器面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)1

于海英 周寶峰 王家行 馬新生張同宇 徐 旋 胡振榮

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強(qiáng)震動觀測儀器面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)1

于海英1，2）周寶峰1，2）王家行1，2）馬新生1，2）張同宇1，2）徐 旋1，2）胡振榮1，2）

1）中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080 2）中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱 150080

本文介紹了國內(nèi)外強(qiáng)震儀、力平衡加速度計、烈度計、MEMS加速度儀等強(qiáng)震動觀測儀器的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，概述了強(qiáng)震動記錄中典型異常波形產(chǎn)生的原因和力平衡加速度計的儀器響應(yīng)誤差及校正，建議了解決強(qiáng)震儀器缺陷的措施，分析了強(qiáng)震儀在強(qiáng)震動觀測發(fā)展中面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。研究結(jié)果如下：①進(jìn)行強(qiáng)震動記錄異常波形的研究是有針對性改進(jìn)現(xiàn)有強(qiáng)震儀存在問題的很好途徑；②早期數(shù)字強(qiáng)震儀（力平衡加速度計頻帶范圍0至30Hz）獲取的強(qiáng)震動記錄應(yīng)進(jìn)行儀器校正；③應(yīng)跟蹤強(qiáng)震動觀測新方法和相關(guān)領(lǐng)域新技術(shù)，發(fā)展MEMS加速度儀和光纖加速度儀等新型儀器。

強(qiáng)震儀 力平衡加速度計 烈度計 MEMS加速度儀 強(qiáng)震動記錄異常波形 儀器響應(yīng)誤差

引言

強(qiáng)震動觀測、震害調(diào)查、振動試驗是地震工程研究的3大重要途徑，其中強(qiáng)震動觀測技術(shù)是地震工程得以發(fā)展的重要基礎(chǔ)，強(qiáng)震儀是強(qiáng)震動觀測系統(tǒng)的核心儀器，強(qiáng)震儀與強(qiáng)震動觀測技術(shù)方法相輔相成，相互促進(jìn)。強(qiáng)震動記錄是強(qiáng)震儀產(chǎn)出的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對于研究地震動與結(jié)構(gòu)反應(yīng)特性，確定引起結(jié)構(gòu)破壞的地震動參數(shù)，以及建立這些參數(shù)與震級、距離、場地條件之間的關(guān)系，最終為場地的地震動預(yù)測和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐，尤其是大地震中高質(zhì)量的強(qiáng)震動記錄對于地震工程學(xué)發(fā)展的研究意義重大。通過對這些數(shù)據(jù)的分析研究，能夠推動結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、烈度速報及地震預(yù)警等方面的研究工作。

本文詳細(xì)回顧了國內(nèi)外強(qiáng)震動觀測儀器的發(fā)展歷史，分析了不同時期強(qiáng)震動觀測的發(fā)展對強(qiáng)震儀的需求，研究了強(qiáng)震動記錄中典型的異常波形及力平衡加速度計的儀器響應(yīng)誤差及校正，分析了強(qiáng)震儀在強(qiáng)震動觀測發(fā)展中面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，為改進(jìn)現(xiàn)有強(qiáng)震儀存在的問題和新型強(qiáng)震儀的研制提供一定的參考。

1 歷史與現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的地震儀器發(fā)展于19世紀(jì)并完善于20世紀(jì)，用于測量強(qiáng)震動的儀器于20世紀(jì)30年代才得以發(fā)展。1929年，日本東京召開了世界地震工程大會，會上美國學(xué)者約翰·弗里曼和日本學(xué)者末廣恭二教授強(qiáng)烈呼吁設(shè)計和制造記錄強(qiáng)震動的儀器。1931年，在美國土木工程學(xué)會的報告會上，末廣恭二教授第一次提出了關(guān)于“工程地震”的術(shù)語，為了有效地設(shè)計抗御地震的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)了直接測量強(qiáng)震動記錄的重要性。1931年，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）得到美國國會科研基金的資助用于完成國家強(qiáng)震動計劃，其中包括加速度計的研發(fā)。1932年，美國研制成功了世界上第一臺強(qiáng)震儀（內(nèi)置加速度計），這是現(xiàn)代強(qiáng)震儀的開始。第一批儀器布設(shè)于洛杉磯地區(qū)，并于1933年3月10日的長灘地震中獲得第一條強(qiáng)震動記錄，這標(biāo)志著現(xiàn)代地震工程的誕生（Trifunac，2009）。

1.1 強(qiáng)震儀

美國、日本對于強(qiáng)震儀的研制工作最為活躍。20世紀(jì)70年代，美國先后研制出第一代SMA-1型光記錄式強(qiáng)震儀，第二代SMA-2型和SMA-3型模擬磁帶記錄式強(qiáng)震儀，但是，都存在記錄動態(tài)范圍小、記錄不完整等缺點。20世紀(jì)80年代，美國又研制出第三代DSA-1型和PDR-1型數(shù)字磁帶強(qiáng)震儀，但是存在誤觸發(fā)、需要專門回放設(shè)備等問題。不久，美國又推出了SSR-1型固態(tài)存儲式數(shù)字強(qiáng)震儀，視為第四代強(qiáng)震儀。該儀器可將地震模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在SRAM存儲器里，只需與計算機(jī)的串口相連就可以回收數(shù)據(jù)。20世紀(jì)90年代，美國又先后推出K2型及大動態(tài)范圍的固態(tài)數(shù)字存儲強(qiáng)震儀（段向勝等，2010）。21世紀(jì)初，美國凱尼公司推出ETNA型強(qiáng)震儀，近幾年又先后推出Basalt型、Obsidian型強(qiáng)震儀。這2種型號強(qiáng)震儀較前幾代在系統(tǒng)上有跨越式的發(fā)展，采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，被稱為可進(jìn)行二次開發(fā)的數(shù)字強(qiáng)震儀。Obsidian型相較于Basalt型其主要升級特性有以下幾方面：①數(shù)據(jù)傳輸方面，Obsidian選擇低延時傳輸模式時可實現(xiàn)最快0.1s一個數(shù)據(jù)包，而Basalt僅能做到1s一個數(shù)據(jù)包；②存儲能力方面，Obsidian最大可升級到32G；③Obsidian采用USB接口，可直接與PC或筆記本電腦連接。

日本在工程領(lǐng)域的強(qiáng)震動觀測始于20世紀(jì)50年代。1948年福井地震使研究者深刻意識到進(jìn)行強(qiáng)震動觀測的必要性。1951年，由教授、研究人員和工程技術(shù)人員組成的強(qiáng)震加速度計委員會開始研制強(qiáng)震儀。1953年，SMAC型強(qiáng)震儀研制成功。1995年7月，日本政府頒布實施了《地震災(zāi)害預(yù)防特別法》，根據(jù)該法案規(guī)定，日本政府開始更新地震觀測系統(tǒng)，新安裝了大量強(qiáng)震儀。其中，日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所（NIED）布設(shè)了1034臺強(qiáng)震儀，構(gòu)建了全國范圍的地震觀測網(wǎng)絡(luò)K-net（Kyoshin network）；NIED同時也在建設(shè)Kik-net（KIBAN kyoshin network）強(qiáng)震動觀測網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是Hi-net（High-sensitivity seismograph network）的子網(wǎng)，由安裝在地表和井下（深度超過100m）的660個強(qiáng)震動觀測臺站組成。為了計算日本氣象廳地震烈度和增強(qiáng)近實時數(shù)據(jù)通信功能，NIED研制了新型強(qiáng)震儀（K-NET02），如果強(qiáng)震儀監(jiān)測到地震發(fā)生，將會自動在幾十秒內(nèi)與通信數(shù)據(jù)管理中心聯(lián)系。此外，測量范圍由2000gal增加到4000gal，模數(shù)轉(zhuǎn)換動態(tài)范圍是132dB（Kashima，2000）。

中國地震局工程力學(xué)研究所（以下簡稱工力所）是中國強(qiáng)震動觀測的牽頭單位。1962年3月，廣東新豐江水庫誘發(fā)了6.1級強(qiáng)震，為了研究裂縫產(chǎn)生的機(jī)理并給出應(yīng)對措施，工力所于1966年研制成功了RDZ-12-66型多道電流計記錄式強(qiáng)震加速度儀，先后在全國布設(shè)了數(shù)百個固定和流動臺，迄今已取得數(shù)百條質(zhì)量較好的記錄（李沙白，1987）。后來，水利水電科學(xué)研究院研制了SG-68型電流計式強(qiáng)震儀。80年代，工力所和地震儀器廠合作研制生產(chǎn)了GQIII和GQIIIA型三分量直接光記錄式強(qiáng)震儀，性能和美國SMA-1相當(dāng)（謝禮立等，1984）。1988年，工力所成功研制SCQ-1型數(shù)字磁帶記錄式強(qiáng)震儀。90年代末，工力所又成功研制GDQJ-I型和II型數(shù)字強(qiáng)震儀，“九五”大量布設(shè)到首都圈強(qiáng)震動臺網(wǎng)以及金沙江梯級水電站強(qiáng)震動臺網(wǎng)。另外，水利水電科學(xué)研究院也組織研制生產(chǎn)了適用于水庫大壩結(jié)構(gòu)的EDAS-A型、EDAS-B型三通道和六通道數(shù)字強(qiáng)震儀，布設(shè)在十幾個大壩上，并獲得150余條加速度記錄。隨著數(shù)字強(qiáng)震動觀測技術(shù)的迅速發(fā)展，強(qiáng)震儀逐漸由傳統(tǒng)膠片模擬記錄方式過渡到數(shù)字記錄式，大大加快了數(shù)據(jù)處理分析的速度，同時也增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的可靠性。由于數(shù)字強(qiáng)震儀具有動態(tài)范圍大、頻帶寬、預(yù)存能力強(qiáng)、絕對時標(biāo)精度高等特點，并可遠(yuǎn)程控制和實時數(shù)據(jù)通訊（高光伊等，2001），在中國得到了很大的發(fā)展。2008年5月12日發(fā)生的汶川地震更加刺激了數(shù)字強(qiáng)震儀的研制，如北京港震B(yǎng)BAS-2型、珠海泰德TDA-33M型。同時，國際上的一些新品牌也在涌入中國市場。例如美國凱尼的Basalt型、Obsidian型強(qiáng)震儀，美國Reftek公司的130-SMA/9型強(qiáng)震儀。

1.2 力平衡加速度計

數(shù)字強(qiáng)震儀系統(tǒng)已在世界各國強(qiáng)震動觀測和重大生命線工程監(jiān)測中廣泛使用，數(shù)字強(qiáng)震儀一般都采用力平衡式加速度計，只有少量強(qiáng)震儀采用速度計。早在20世紀(jì)80年代初美國凱尼公司就生產(chǎn)了力平衡式加速度計FBA-3型和FBA-13型等；工力所也研制生產(chǎn)了DCJ型伺服式加速度計和RLJ型差容式力平衡加速度計。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，力平衡式加速度計的性能不斷地完善和提高，且體積和重量越來越小。目前中國強(qiáng)震動臺網(wǎng)使用最普遍的加速度計主要有：①20世紀(jì)90年代工力所研制生產(chǎn)的SLJ-100型（王家行等，1997），技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，性能穩(wěn)定可靠，目前國內(nèi)市場占有率達(dá)90%以上；②21世紀(jì)后美國凱尼公司生產(chǎn)的ES-T型。以上2種力平衡加速度計頻帶的擴(kuò)展使得現(xiàn)今的數(shù)字強(qiáng)震儀系統(tǒng)能夠在具有工程意義的頻率范圍內(nèi)記錄到可靠的地震動信息。一般來說，對于頻帶范圍為0至80Hz或100Hz（如SLJ-100和ES-T）的力平衡式加速度計不作儀器頻率響應(yīng)特性校正（于海英，2007）就能滿足工程抗震感興趣的頻率范圍要求。然而，早期的力平衡式加速度計頻帶范圍仍較窄（0至30Hz），這種儀器的強(qiáng)震動記錄應(yīng)該進(jìn)行儀器校正（于海英，2006），利用該文獻(xiàn)提出的儀器校正方法，經(jīng)過儀器校正處理的加速度時程在工程抗震感興趣的頻率范圍（0至50Hz）沒有高頻失真現(xiàn)象，滿足了工程抗震的要求。儀器校正對低頻誤差影響不大，低頻誤差校正為糾正數(shù)字強(qiáng)震動記錄中基線漂移，結(jié)果可提高強(qiáng)震動記錄的質(zhì)量和應(yīng)用價值。

1.3 烈度計與MEMS加速度儀

為了在破壞性大地震時能夠獲得大量地震動數(shù)據(jù)，需要布設(shè)大量的強(qiáng)震儀。但是，強(qiáng)震儀系統(tǒng)價格較高、難以到處布設(shè)。因此，地震工程學(xué)家很早就提出了研制和布設(shè)價格低廉、維護(hù)方便，能夠隨處布設(shè)的烈度計。早期的烈度計功能簡單，只需提供儀器地震烈度和峰值加速度值等地震動強(qiáng)度的參數(shù)，不需要記錄地震動的全過程。1995年日本兵庫縣南部地震后，日本氣象廳開始將原來的人為判定烈度改變?yōu)橛脙x器來測定烈度，至1996年4月，共布設(shè)了約300臺烈度計，2004年布設(shè)數(shù)量增加到600臺。日本Rion公司的SM-26型烈度計頻帶為0—40Hz，測量范圍為0.015—2000gal。2006年日本消防廳發(fā)布了新一代烈度計標(biāo)準(zhǔn)，要求測量范圍增大到3000gal，分辨率增加到20位，時間系統(tǒng)采用GPS同步。日本System公司根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)了SDP-1000型烈度計，這種烈度計有多個警報輸出接點，可以設(shè)定發(fā)布警報的峰值加速度值、烈度值、譜烈度（SI）值或這些參數(shù)的組合，并且還可以與機(jī)器、廣播和攝影設(shè)備等相連接，用來及時關(guān)閉機(jī)器、引導(dǎo)人員避難。顯然，這種新型烈度計的技術(shù)指標(biāo)與一般的強(qiáng)震儀已沒有很大差別，價格也失去了低廉的優(yōu)點（周雍年，2011）。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)一體化技術(shù)（MEMS）的迅速發(fā)展，英國Guralp等公司都設(shè)計并推出了新型的MEMS地震儀器。斯坦福大學(xué)研究人員設(shè)計并委托一家德國公司生產(chǎn)了便攜型MEMS地震加速度儀，用于強(qiáng)震臺網(wǎng)的布設(shè)。一些研究提出MEMS技術(shù)可以應(yīng)用于強(qiáng)震觀測。美國USGS的科研人員設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于MEMS簡易加速儀的觀測臺網(wǎng)（曲明哲，2014）。在我國，珠海泰德公司生產(chǎn)的TAG-33M/53M一體化加速度儀，采用了24位大動態(tài)范圍（>131dB@ 200Hz），頻帶0—200Hz，測量范圍0—2g。臺灣吳逸民教授與三聯(lián)科技公司合作研制出基于MEMS技術(shù)、體積輕巧的Palert型地震P波感測儀，吳教授經(jīng)5年多分析了各國地震資料，研究出地震S波與P波的對應(yīng)關(guān)系，在P波發(fā)生后前3s檢測到地震參數(shù)，在S波危害抵達(dá)前即可發(fā)出地震警報達(dá)到預(yù)警的功能。與傳統(tǒng)的強(qiáng)震儀相比，MEMS加速度儀具有體積小、成本低、可靠性高、易于集成和實現(xiàn)智能化等特點，近年來此技術(shù)更多地應(yīng)用于地震烈度速報和預(yù)警。

2 強(qiáng)震動記錄中異常波形分析及解決強(qiáng)震儀器缺陷的建議

部分強(qiáng)震動記錄中存在的數(shù)據(jù)異常值給研究帶來了不利影響，為此，總結(jié)分析一些典型的奇異波形，為強(qiáng)震儀的設(shè)計、改進(jìn)、使用提供一定的參考（于海英等，2008；李小軍等，2009；周寶峰，2012）。圖2所示為記錄首部尖刺問題，出現(xiàn)該問題的原因可能是強(qiáng)震儀在記錄事件前緩存內(nèi)容銜接錯誤或緩存清空不徹底造成，屬于儀器軟件問題，或者由于外部供電出現(xiàn)紋波造成儀器內(nèi)部供電突變引起毛刺噪聲，建議存在上述問題的廠家完善強(qiáng)震儀軟件和儀器供電單元的性能。圖3所示為記錄尾部尖刺問題，該問題可能是由于強(qiáng)震儀在記錄數(shù)據(jù)結(jié)束后，在數(shù)據(jù)尾部寫入了一組多余數(shù)據(jù)造成的，建議存在上述問題的廠家完善強(qiáng)震儀軟件。圖4所示為具有等間距的毛刺現(xiàn)象，通過時間軸對比發(fā)現(xiàn)，毛刺幅值都是12.75/cm·s-2，毛刺頻率在1Hz左右，而且只有垂直向出現(xiàn)毛刺，可能是由于該分量混入1Hz噪聲所引起，建議增強(qiáng)強(qiáng)震儀的抗干擾能力，采取有效的儀器接地措施。圖5的非對稱波形現(xiàn)象可能是由于“蹦床效應(yīng)”造成，也可能是加速度計“卡擺”所致，建議檢查有非對稱波形現(xiàn)象的臺站儀器墩是否符合建臺要求，同時取回加速度計在低頻振動臺上進(jìn)行檢測。圖6所示的加速度基線漂移可能是由于“卡擺”造成，或者是地震過程中儀器墩的傾斜造成傳感器零點偏移所致，建議檢查有加速度基線漂移的臺站儀器墩是否在地震中有嚴(yán)重傾斜，同時取回加速度計在低頻振動臺上進(jìn)行檢測。圖7的波形插入式鏡像現(xiàn)象可能來源于儀器軟件缺陷所致，造成該問題的可能原因是強(qiáng)震儀在記錄事件前緩存寫入不正確或保存記錄事件時截取的緩存位置不正確（朱建剛等，2006），建議存在上述問題的廠家完善強(qiáng)震儀軟件。另外，在近年的強(qiáng)震中，存在GPS時鐘失效、記錄儀和加速度計故障、同一個臺站中2個通道有記錄而另一個通道無記錄等現(xiàn)象，建議觀測人員分析故障原因，需到現(xiàn)場解決的及時開展現(xiàn)場巡檢，取回有故障的儀器進(jìn)行檢查或交與生產(chǎn)廠家排除故障。

通過對異常數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震儀中數(shù)據(jù)處理、緩存以及存儲部分設(shè)計的可靠性將直接影響事件記錄的準(zhǔn)確性，對數(shù)據(jù)記錄的質(zhì)量有重要影響。研究人員在對2013年1月23日遼寧燈塔5.1級地震強(qiáng)震動記錄進(jìn)行零線調(diào)整和儀器校正后，原始加速度峰值平均減小約20%，表明儀器有一定零漂現(xiàn)象存在（梁永朵等，2015）。因此，儀器出現(xiàn)故障或產(chǎn)出異常波形時，首先應(yīng)分析原因，屬于強(qiáng)震儀軟件或硬件問題的應(yīng)送回生產(chǎn)廠家檢測，加速度計應(yīng)定期進(jìn)行檢查標(biāo)定，避免儀器由于長期缺乏維護(hù)而導(dǎo)致“卡擺”、“零漂”過大等問題造成記錄不準(zhǔn)確。

3 機(jī)遇和挑戰(zhàn)

30多年來，固態(tài)數(shù)字強(qiáng)震儀在強(qiáng)震動觀測方面取得了巨大成果，日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所（NIED）在1995年阪神地震后布設(shè)了間隔為25km的K-NET和KIK-NET強(qiáng)震動觀測臺網(wǎng)（Toshihide，2000），在2011年3月11日發(fā)生的日本東海大地震中獲得多條PGA大于1g的加速度記錄。1990年，中國臺灣完成了SMART-1臺陣的布設(shè)，并且在1999年9月21日的集集地震中獲得了大量高質(zhì)量的強(qiáng)震動加速度記錄。國家強(qiáng)震動臺網(wǎng)自場站均使用三通道數(shù)字強(qiáng)震儀，強(qiáng)震動儀分別使用GDQJ-II、GDQJ-1A、GSMA-24IP、Etna、K2、GSR-18、MR-2002等7種型號的數(shù)字強(qiáng)震儀，傳感器大部分使用SLJ-100型力平衡式加速度計，只有少部分Etna內(nèi)置傳感器采用ES-T型力平衡加速度計（于海英等，2009）。國家強(qiáng)震動臺網(wǎng)專用臺陣均使用多通道數(shù)字強(qiáng)震動儀。上海環(huán)球金融大廈，北京昌平體育路等6個結(jié)構(gòu)臺陣均使用MCMS型64通道中心記錄式數(shù)據(jù)采集器、SLJ-100力平衡加速度計，通海三維場地影響臺陣使用K2型六通道數(shù)字強(qiáng)震動儀和ES-DH（SBEPI）深井加速計（周雍年，2011）。這些臺站（陣）在2008年正式運行以來，特別是在“5·12”汶川大地震中獲得了大批強(qiáng)震動記錄（中國地震局災(zāi)害防御司，2008）。這些記錄對研究近場地震學(xué)及地震工程學(xué)具有重要意義。

因地震烈度速報和預(yù)警臺網(wǎng)以及不斷涌現(xiàn)的大型建筑結(jié)構(gòu)對于強(qiáng)震動觀測的需要，強(qiáng)震儀迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。2008年的汶川8.0級特大地震，由于缺乏較為可信的烈度速報系統(tǒng)，延誤了部署搶險救援的最佳時機(jī)（喻畑等，2013）。因此，從防震減災(zāi)的需要出發(fā)，在一次大震發(fā)生時，人們不僅需要盡早知道地震發(fā)生地點和震級大小，而且同時也要知道地震動強(qiáng)度（烈度）的分布情況，正是這些需求刺激并推動了大震快速反應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)展。強(qiáng)震數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使得在大震發(fā)生時迅速提供大震的全部信息成為可能。幾種儀器的烈度算法在汶川地震與蘆山地震中，其可靠性得到了比較，研究者們認(rèn)為在未得到更多強(qiáng)震數(shù)據(jù)的檢驗前，建議采用袁一凡（1998）提出的儀器烈度算法，或利用譜烈度值確定儀器烈度的算法，或利用加速度反應(yīng)譜值確定儀器烈度的算法（王玉石等，2013）。中國地震局于2015年3月1日發(fā)布了《儀器地震烈度計算暫行規(guī)程》，如果將儀器烈度計算方法固化到烈度計中，則會給我國的地震烈度速報工作帶來很大的便利。何先龍等（2010）介紹了一種提高單孔法剪切波速測量精度的新方法——多重互相關(guān)函數(shù)法，如果將該算法固化到強(qiáng)震儀中，則可便于為強(qiáng)震動臺站提供場地信息。

隨著強(qiáng)震動觀測方法的不斷創(chuàng)新和多樣化發(fā)展，在儀器性能、種類方面提出了更高要求，對新型儀器的需求十分迫切。例如：用于三維地震動理論研究的井下觀測技術(shù)需要大動態(tài)、高靈敏度、具備智能定位、密封性很高的井下加速度計；扭轉(zhuǎn)地震動理論研究需要能夠記錄扭轉(zhuǎn)分量的觀測技術(shù)和設(shè)備；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需要強(qiáng)震動觀測系統(tǒng)具有時鐘同步、多通道記錄、無線傳感器等功能，將相關(guān)算法固化到儀器中實現(xiàn)系統(tǒng)的高度自動化和智能化的新技術(shù)將使得地震后建筑物或構(gòu)筑物的健康狀況得以快速評估，結(jié)構(gòu)可能遭受的損壞程度可迅速通過布設(shè)在建筑關(guān)鍵部位的傳感器臺陣獲得記錄并得以判斷；重大工程的地震報警和預(yù)警系統(tǒng)需要強(qiáng)震動觀測系統(tǒng)具有高時效性、高可靠性、高準(zhǔn)確性等，近年來我國高速鐵路試驗線地震預(yù)警監(jiān)測設(shè)備大都選擇了低延時傳輸數(shù)據(jù)數(shù)字強(qiáng)震儀（如美國Obsidian型、國產(chǎn)TDE型等），達(dá)到快速應(yīng)急處置的需求。在強(qiáng)震動觀測方法不斷創(chuàng)新及地震工程需求多樣化的刺激下，強(qiáng)震儀也正向多功能、智能化、嵌入式開發(fā)等方向發(fā)展。

國家“十二五”防震減災(zāi)規(guī)劃體系之GH/2-09——地震科技規(guī)劃就明確提出：開展新型傳感技術(shù)和高精度便攜數(shù)字地震觀測技術(shù)的研究，提高地震觀測技術(shù)水平；開展地震烈度與預(yù)警一體化傳感器技術(shù)研究，為地震預(yù)警能力建設(shè)提供技術(shù)支撐。開展井下和結(jié)構(gòu)觀測強(qiáng)震動觀測技術(shù)研究，為場地與建構(gòu)筑物的抗震設(shè)防研究提供觀測技術(shù)支撐。強(qiáng)震儀的發(fā)展進(jìn)步給強(qiáng)震動觀測注入了新的活力，使之從為科學(xué)研究服務(wù)為主拓展至為社會防震減災(zāi)服務(wù)。高質(zhì)量的強(qiáng)震動觀測數(shù)據(jù)不僅僅助力于科學(xué)研究的基礎(chǔ)資料，而且將有效地用于減輕地震災(zāi)害的實踐（李沙白，1998）。鑒于目前使用的強(qiáng)震動觀測儀器還存在著測量靈敏度、帶寬及動態(tài)范圍受限等諸多問題，作者與哈爾濱工程大學(xué)苑立波教授合作申請的國家自然科學(xué)基金資助項目“光纖地震監(jiān)測機(jī)理及其關(guān)鍵技術(shù)研究”，提出了以光波長作為測量基準(zhǔn)，利用光纖干涉位移度量方法代替了傳統(tǒng)的電子位移轉(zhuǎn)換裝置，實現(xiàn)了無需轉(zhuǎn)換地質(zhì)形變和振動的直接測量，具有超高分辨率、超寬測量頻帶和超大動態(tài)范圍。該項目探索研究了一種基于光纖干涉型的地震加速度記錄儀（苑立波等，2008），有望替代傳統(tǒng)加速度計，成為新一代強(qiáng)震動觀測信息獲取和地球物理研究的重要測量手段。光纖地震測試技術(shù)能夠突破靈敏度、帶寬、動態(tài)范圍的綜合性能極限，替代傳統(tǒng)的地震監(jiān)測方法。

另外，便于攜帶、體積小、高度智能化，達(dá)到成本與系統(tǒng)觀測性能指標(biāo)之間的最佳平衡，如用于地震烈度速報和預(yù)警的MEMS加速度計的研究、批量生產(chǎn)以及臺網(wǎng)布設(shè)是強(qiáng)震儀器的發(fā)展重要方向。未來強(qiáng)震儀應(yīng)該保證現(xiàn)場設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，加速度計能夠自動調(diào)平和指北，減小強(qiáng)震儀器放置的方向誤差，同時便于操作，并可以將相關(guān)診斷維護(hù)信息送至強(qiáng)震動臺網(wǎng)中心，便于用戶查詢、診斷并掌控強(qiáng)震儀的運行狀態(tài)，便于快速排除儀器故障，縮短維護(hù)、停測時間，減少維護(hù)工作量并節(jié)約維護(hù)成本，保證強(qiáng)震動臺網(wǎng)的高效運行。

4 結(jié)論

本文綜述了強(qiáng)震儀器由模擬到數(shù)字化的演變過程，表明強(qiáng)震儀器正在由單一功能到多功能智能化發(fā)展，同時，近年我國將投入大量經(jīng)費建設(shè)國家烈度速報與預(yù)警臺網(wǎng)，這對強(qiáng)震動觀測儀器研發(fā)來說既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。抓住這一難得的機(jī)遇，研制出適應(yīng)我國臺網(wǎng)建設(shè)需求的可靠性、時效性和智能化都很高的儀器，以滿足重大工程監(jiān)測、烈度速報和預(yù)警等方面的需求是推動我國強(qiáng)震動觀測發(fā)展的必然趨勢。為此，研究表明：①進(jìn)行強(qiáng)震動記錄中異常波形的研究能夠發(fā)現(xiàn)和有針對性地改進(jìn)現(xiàn)有強(qiáng)震儀存在的問題；②早期數(shù)字強(qiáng)震儀頻帶范圍較窄（0至30Hz），強(qiáng)震動記錄應(yīng)進(jìn)行儀器校正，結(jié)果可提高強(qiáng)震動記錄的質(zhì)量和應(yīng)用價值；③應(yīng)跟蹤強(qiáng)震動觀測新方法和相關(guān)領(lǐng)域新技術(shù)，研制適合我國強(qiáng)震動觀測應(yīng)用所需要的新型儀器，如加強(qiáng)MEMS加速度儀和光纖強(qiáng)震儀的研制，提高強(qiáng)震動觀測技術(shù)水平，迎接強(qiáng)震動觀測發(fā)展中面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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Opportunities and Challenges of Strong Motion Observation Instruments

Yu Haiying1, 2)，Zhou Baofeng1, 2)，Wang Jiahang1, 2)，Ma Xinsheng1, 2)Zhang Tongyu1, 2)，Xu Xuan1, 2)and Hu Zhenrong1, 2)

1) Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China 2) Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China

The development history of strong motion instruments, force-balance accelerometers, seismic intensity meter and MEMS accelerometers is described, and typical abnormal waveforms in strong motion records and instrument response errors correction for force-balance accelerometers are analyzed in brief, then challenges and opportunities of strong motion instruments are studied. The measures to solve the defects of strong motion instruments are suggested. The results are showed as following: (1) it is a good way to promote the development of strong motion instruments by studying abnormal waveforms in strong motion records; (2) for force-balance accelerometers with the band range from 0 to 30Hz, strong motion records obtained by early digital strong motion instruments should be corrected by instrument response; (3) new methods and technology in strong motion observation should be tracked, and new instruments (MEMS accelerometers and Opticalfibre accelerometers) should be developed to meet the demands of our country.

Strong motion instruments; Force-balance accelerometers; Seismic intensity meter; MEMS accelerometers; Strong motion records abnormal waveforms；Instrument response errors

1基金項目 中央級公益性研究所所長基金項目（2014B02）、國家科技支撐計劃項目（2014BAK03B01-06）、黑龍江省自然科學(xué)基金面上項目（E2015069，E2015070）和國家自然科學(xué)基金項目（51308517，41174161）

2016-08-08

于海英，男，生于1962年。研究員。主要從事強(qiáng)震動觀測與數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面研究。E-mail：haiyingyu@126.com

周寶峰，男，生于1978年。博士，副研究員。主要從事強(qiáng)震數(shù)據(jù)處理與地震動特性等方面研究。E-mail：zbf166@126.com

于海英，周寶峰，王家行，馬新生，張同宇，徐旋，胡振榮，2017．強(qiáng)震動觀測儀器面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)．震災(zāi)防御技術(shù)，12（1）：68—77．doi：10.11899/zzfy20170107