GL-S120與3T-120甚寬頻帶地震計性能對比分析

吳 雙，李小晗，王杰民，王 良

(山東省地震局，山東 濟南 250000)

目前，地震系統使用的地震計種類繁多，不同廠家、不同型號的地震計在性能和指標上均存在一定差異，這些差異在日常數據處理、分析和深挖掘等工作中會造成一定影響(韓成成等，2016)。通過對GL-S120與3T-120兩種較為常見的甚寬頻帶地震計的性能進行對比分析，可以在地震數據研究中起到一定參考作用(段紹鑫等，2019)。

1 觀測條件及儀器參數

將兩種地震計放置于山東省臨沂市馬陵山比測基地山洞內進行觀測，觀測記錄時段為2018年11月22日至2019年3月27日。馬陵山比測基地地處沂沭斷裂帶南段，監測環境比較優越。GL-S120與3T-120兩種甚寬頻帶地震計放置在馬陵山13號山洞臺基上，同時還設置了三臺地震計進行對比觀測；不同型號地震計連接數據的采集器均統一使用EDAS-24GN，采集器的采樣率也均設置為100 Hz，采用GPS轉發覆蓋。地震觀測儀器參數如表1所示。

表1 地震觀測儀器參數

2 地震計相關性計算

2.1 相關性計算方法

本研究采用Pearson相關系數法進行相關性計算。Pearson相關系數法是英國統計學家皮爾遜在20世紀提出的一種計算直線相關的方法(王凱等，2012)。其計算公式如下：

(1)

通常情況下，可以通過以下取值范圍判斷變量間的相關性：相關系數在0.8～1.0為極強相關，相關系數在0.6～0.8為強相關，相關系數在0.4～0.6為中等程度相關，相關系數在0.2～0.4為弱相關，相關系數在0.0～0.2為極弱相關或無相關。

2.2 地震事件選取

選取2018年12月21日1時1分57秒在科曼多爾群島地區(54.95°N，164.79°E)發生的7.4級地震事件作為比測樣本。GL-S120(G17425VS)與3T-120(T39737)兩種型號地震計記錄波形如圖1所示。

圖1 GL-S120和3T-120型號地震計波形記錄

2.3 相關性計算結果

表2 不同型號地震計間相關性的計算結果

表3 同型號地震計間相關性的計算結果

3 地動噪聲功率譜分析

采用Welsh方法計算地動噪聲功率譜，將輸入數據序列分段，每段之間部分重疊，分別求出每段的譜估計，計算譜估計時使用窗函數，最后將各段數據的譜估計平均值作為最后結果(段天山等，2011)。

選取2019年02月6日5時至6時(該時段內無地震，外界干擾較小)觀測數據作為計算樣本，分別對GL-S120(G17424VS)和3T-120(T39820)地震計進行同一時段的UD向地動噪聲功率譜密度計算。兩種不同型號地震計的UD向臺基噪聲功率譜密度曲線見圖2，由圖可知：1)在0.03 Hz以上頻段，GL-S120和3T-120兩種型號地震計UD向地動噪聲曲線走向基本保持一致；2)在0.03 Hz以下頻段，3T-120型號地震計的UD向同頻點地動噪聲略低于GL-S120型號地震計。背景噪聲相同，兩種型號地震計所計算的臺基噪聲在0.03 Hz以下頻段存在一定差異，這有可能是地震計自身性能差異等因素造成，具體原因還可待進一步研究。

圖2 GL-S120和3T-120地震計UD向臺基噪聲功率譜密度曲線

UD向1～20 Hz速度RMS均值見表4，由表可知：GL-S120和3T-120兩種地震計UD向1/3倍頻程帶寬1～20 Hz頻帶范圍內的速度RMS均值小于3.16×10-8m/s。

表4 噪聲功率譜計算結果

4 地震計自噪聲功率譜對比

計算地震計自噪聲的方法采用目前較為廣泛使用的三儀器法，該方法的二階張量表達式如下：

(2)

式中：Nij為儀器的自噪聲功率譜密度，Pii為儀器輸出信號的自功率譜密度，Pji、Pik和Pjk為儀器輸出信號的互功率譜密度，i,j,k=1,2,3,其中i≠j≠k(尹昕忠，2013)。

由圖3～5可知：1)GL-S120型號地震計在0.03～6 Hz頻帶范圍內自噪聲功率譜密度曲線低于NLNM曲線；3T-120型號地震計在0.03～10 Hz頻帶范圍內自噪聲功率譜密度曲線低于NLNM曲線；2)0.1 Hz以上頻段和0.03 Hz以下頻段，3T-120型號地震計自噪聲功率譜在同一頻點比GL-S120型號地震計略微偏低，此結果與第3部分兩種型號地震計臺基噪聲曲線所得結果基本一致。

圖3 GL-S120地震計UD向自噪聲功率譜密度曲線

圖4 3T-120地震計UD向自噪聲功率譜密度曲線

圖5 GL-S120 VS 3T-120地震計UD向自噪聲平均功率譜密度曲線

由于地震計自噪聲測試結果受多種因素影響，而且不同儀器對環境噪聲水平要求不同。對于寬頻帶地震計而言，需要保證溫度恒定，防止空氣流動。該測試未采取較好的保護措施，忽略了外界干擾影響，結果可能存在一定程度的偏差。

5 結束語

通過同址安裝運行的GL-S120和3T-120兩種型號地震計記錄數據進行對比分析，發現該兩種型號地震計具有較好的一致性。具體為：1)GL-S120和3T-120兩種型號地震計記錄數據相關性高，均能較好反應地動信息；2)兩種型號地震計記錄的臺基噪聲曲線走向總體一致，能真實記錄臺基的噪聲水平；3)GL-S120和3T-120兩種甚寬頻帶地震計UD分向自噪聲功率譜密度曲線在0.03～6 Hz頻帶范圍內均低于NLNM曲線，均具有良好的地震計低噪聲水平。

在整個測試過程中兩種型號的地震計均未配置保溫隔離設施，外界環境可能在一定程度上對計算結果造成影響。在以后工作中，要考慮為地震計配置保溫、隔離設施，減少溫度、濕度、空氣氣流在地震計工作過程中造成干擾。