MI 3000和GL-P2C地震烈度儀性能對比

龍劍鋒 駱佳驥 陳 勝

（中國合肥 230031 安徽省地震局）

0 引言

隨著國家地震烈度速報與預警工程安徽子項目的持續推進，安徽省正逐步構建測震、強震動、地震烈度三網融合的地震預警臺網。地震預警臺網中除采用傳統的地震計和加速度計外，還將采用地震烈度儀。地震烈度儀是配備MEMS 傳感器的加速度計，具有成本低、體積小、能耗低、靈敏度高等優點，便于鋪設高密度臺網。利用高密度部署的地震烈度儀，可在震后幾秒內提供強地面運動圖，在及時提供關鍵性地震信息、減小預警盲區、縮短預警時間等方面具有較大優勢（康濤，2018）。

近年來，針對地震烈度儀已開展許多測試和研究。如：王浩等（2013）對MEMS 加速度計與傳統加速度計記錄數據進行對比分析，結果表明，二者對于較強地面震動的監測效果相當；張紅才等（2017）以2015 年河北昌黎ML4.5 地震中測震、強震及烈度儀臺站記錄事件波形為研究對象，得到對于烈度儀臺站觀測記錄能力及特點的認識；王光沖等（2019）對3 類地震儀器同臺址背景噪聲觀測記錄進行對比分析，結果表明，烈度儀無法有效記錄地脈動。

為進一步規范地震監測專業設備，中國地震臺網中心2019 年發布中國地震局已定型地震監測專業設備名單。文中擬對名單中的MI 3000 和GL-P2C 地震烈度儀進行同臺址觀測，對比分析2 種儀器的波形記錄特征及地震監測能力。

1 資料選取

地震烈度儀觀測數據中大部分記錄為背景噪聲，其影響相對固定，地震記錄僅占少數。背景噪聲在一定程度上能夠直接反映儀器的實際記錄能力，可充分體現觀測儀器的地震監測能力。

2019 年12 月18 日，安徽省地震局在合肥地震臺和該局儀器檢測室開展MI 3000 和GL-P2C 地震烈度儀性能比測試驗。合肥地震臺背景噪聲良好，安徽省地震局儀器檢測室背景噪聲較差，2 種烈度儀均架設在觀測場地同一擺墩上。在實驗過程中，合肥地震臺觀測擺墩上同步運行1 套SLJ-100 型三分向力平衡加速度計。其中：GL-P2C 地震烈度儀由北京港震儀器設備有限公司研制，MI 3000 地震烈度儀由北京東立博遠科技有限公司研制，SLJ-100 型加速度計由中國地震局工程力學研究所研制。各儀器的主要技術指標見表1。

表1 專業儀器主要技術指標Table 1 Main technical indicators of professional instruments

收集整理2019 年12 月至2020 年7 月2 個場地烈度儀觀測記錄，選取無地震事件24 h 背景噪聲記錄，計算其背景噪聲RMS 值、功率譜，總結波形記錄特征，對比分析2種烈度儀性能特征。

2 數據處理分析

2.1 加速度均方根

背景噪聲加速度均方根RMS 可以衡量臺站背景噪聲水平，在同臺址下可有效反映不同儀器的臺基噪聲記錄水平及地震監測能力。對觀測儀器背景噪聲記錄進行去均值、去趨勢等預處理，得到加速度記錄，并根據下式計算加速度均方根

式中，Xi為某點實測地加速度值，n為觀測點總數。

選取合肥地震臺2 套地震烈度儀與1 套加速度儀，安徽省地震局儀器檢測室2 套地震烈度儀，總計5 套儀器24 小時觀測數據，以1 h 觀測數據為基本單位計算加速度均方根，結果見圖1，各分項RMS 值見表2。

由圖1(a)和表2 可知：合肥地震臺同臺址觀測的3 套儀器記錄背景噪聲加速度值均方根RMS 最大值與最小值之間至少相差1 個量級，其中加速度儀記錄的背景噪聲RMS 值最低，三分向均值最高為5.6×10-5m·s-2（NS 向）；MI 3000 地震烈度儀背景噪聲RMS 值最高，三分向均值最高為1.9×10-3m·s-2（UD 向）。

表2 5 套儀器的RMS 值分布Table 2 The distribution of RMS values of five types of instrument

圖1 5 套儀器記錄RMS 值(a)合肥地震臺觀測數據；(b)儀器檢測室觀測數據Fig.1 The RMS values of five types of instrument

觀測儀器記錄的背景噪聲由儀器自噪聲和觀測點臺基噪聲組成，即

開展同臺址觀測對比實驗時，不同儀器相同時間段記錄的背景噪聲中臺基噪聲一致。鑒于3 套儀器記錄的差異性，令加速度儀記錄的背景噪聲為臺基噪聲，即

計算得出合肥地震臺GL-P2C 地震烈度儀記錄的背景噪聲中，臺基噪聲占比約為10.7%；MI 3000 地震烈度儀記錄的背景噪聲中，臺基噪聲占比約為3.7%。由此得知該臺2套烈度儀記錄均為儀器自噪聲，無有效地脈動信號。

對比合肥地震臺2 套地震烈度儀記錄的背景噪聲得知：MI 3000 地震烈度儀自噪聲水平為GL-P2C 地震烈度儀記錄的3 倍左右；2 種地震烈度儀記錄水平向噪聲水平約為垂直向噪聲水平的50%。

對比合肥地震臺和儀器檢測室2 處站點同型號烈度儀記錄的背景噪聲加速度值均方根RMS 值，可以得出：MI 3000 地震烈度儀在2 處站點記錄的背景噪聲RMS 值相近，三分向均值差異比約為7.8%，即儀器檢測室MI 3000 地震烈度儀記錄為儀器自噪聲，無有效地脈動信號；GL-P2C 地震烈度儀在2 處站點記錄的背景噪聲RMS 值相近，三分向均值差異比約為68.00%，即儀器檢測室GL-P2C 地震烈度儀記錄到有效地脈動信號。

2.2 噪聲功率譜

噪聲功率譜分析是依據所采用的數字地震儀類型及其零點和增益參數，計算所在臺基的地噪聲功率譜密度曲線。計算所選取無地震事件記錄的背景噪聲功率譜，得到2 種烈度儀分別在2 個觀測點的噪聲功率譜曲線，見圖2。

圖2 4 套儀器的地震烈度儀的噪聲功率譜(a)合肥地震臺觀測數據；(b)儀器檢測室觀測數據Fig.2 The noise power spectra recorded by four types of instrument

圖2(a)為合肥地震臺2 套烈度儀記錄的儀器自噪聲功率譜曲線，可見GL-P2C 地震烈度儀頻帶范圍為DC—80 Hz，MI 3000 地震烈度儀頻帶范圍為DC—40 Hz。2 套烈度儀噪聲功率譜曲線中部分頻點對應的功率譜數值見表3。由表3 可知：在DC—40 Hz 范圍內，GL-P2C 地震烈度儀信號噪聲功率譜數值比MI 3000 地震烈度儀低，特別是在頻帶0.4—40 Hz，比之降低約10 dB。

表3 2 套儀器的各頻點噪聲功率譜Table 3 The noise power spectra at each frequency of two types of instrument

對比合肥地震臺和儀器檢測室2 處站點4 套烈度儀記錄的噪聲功率譜曲線，可知：在DC—10 Hz 和20—40 Hz 范圍內，不同地點的2 套MI 3000 地震烈度儀噪聲功率譜一致性較好；在DC—10 Hz 范圍內，不同地點的2 套GL-P2C 地震烈度儀噪聲功率譜一致性較好；在10—20 Hz 范圍內，儀器檢測室2 套地震烈度儀噪聲功率譜均降低約10 dB，可知其臺基噪聲集中在10—20 Hz 范圍內。

3 結論與討論

對2 種地震烈度儀在2 個觀測點進行同臺址背景噪聲記錄比測，分析時域范圍加速度均方根和頻域內噪聲功率譜，發現：GL-P2C 地震烈度儀頻帶范圍為DC—80 Hz，MI 3000地震烈度儀的頻帶范圍為DC—40 Hz；MI 3000 地震烈度儀自噪聲水平約為GL-P2C 地震烈度儀自噪聲水平的3 倍。綜上所述，在頻帶范圍、自噪聲等性能上，GL-P2C 地震烈度儀相對優于MI 3000 地震烈度儀。

在國家地震烈度速報與預警工程（以下簡稱預警工程）建設過程中，一般站點由中國鐵搭股份有限公司承建，所有站點依托現有通訊基站建設，站點之間背景噪聲水平相差較大。為了保障預警工程實施安全性，兼顧廠家生產和售后服務能力，按照中國地震臺網中心整體部署，各省預警工程一般站點采用MI 3000 和GL-P2C 兩種不同型號的地震烈度儀，經性能對比，GL-P2C 地震烈度儀更適用背景噪聲水平較優的站點。

優化布局預警工程地震烈度監測網，優選適合監測站點的地震烈度儀，可豐富一般站點的實測記錄，進而提高烈度速報監測網的監測能力。