测震井下观测压制背景噪声特征分析
时间：2023-02-09 20:25:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
安 全 包 莹 刘甜甜 郭延杰
1 内蒙古自治区地震局，呼和浩特市哲理木路80号，010080 2 赤峰地震监测中心站，内蒙古自治区赤峰市红山路，024000
测震台站首要目标是为地震研究、地震监测和地震预警提供高质量观测数据，而这一目标的实现主要取决于台站观测设备性能和台站观测环境，其中台站观测环境背景噪声是影响观测数据质量的主要因素之一。为降低测震台站背景噪声水平，提高观测数据信噪比，在建设测震台站前通常进行台址背景噪声水平测试，并对台址背景噪声水平进行定量评估[1]，最终选择背景噪声较合理的地区作为测震台站拟建设地点。近年来，随着城市化建设的快速推进，传统地表观测测震台站背景噪声水平不断升高，严重影响了观测数据质量。为降低背景噪声水平，国内地震研究者提出了许多新的思路，如通过井下观测、小波阈值滤波等方法压制或过滤高频背景噪声[2-6]，或对地震计增加保温罩压制低频背景噪声等方法，都被广泛应用于测震台站实际观测工作中[7-10]。
测震台站评估背景噪声的方法主要包括功率谱密度(PSD)和功率谱概率密度(PDF)方法[11-12]，国内也有很多利用PSD和PDF方法评估测震台站背景噪声的相关研究[13-15]，但大多停留在背景噪声高频段，且仅使用了1个台站数据，样本较少。本文主要通过对比分析赤峰台和二连浩特台同台不同观测方式间观测数据加速度PSD值、相应的PDF值及1～20 Hz频段RMS值的差异特征，研究井下观测压制测震台站背景噪声特征，为今后井下测震台站的建设及数据应用提供参考依据。
赤峰台和二连浩特台均属于国家测震台，都配备了甚宽频带地震计，主要用于台站所在区域近震和全球远震监测，2台仪器信息见表1。本文应用赤峰台2021-12井下和山洞观测及二连浩特台2021-04井下和地表观测连续1个月的观测数据，通过计算加速度PSD值和相应的PDF值及1～20 Hz频段RMS值，研究井下观测压制背景噪声的特征。
表1 台站信息
本文主要通过以下几个步骤进行数据处理，详细计算公式见文献[1]。
1)数据准备。首先收集赤峰台井下和山洞观测、二连浩特台井下和地表观测各1个月的观测数据，并将观测数据分为小时段(采样率100/s)，再将1 h数据段以50%重叠率分为42个记录段，每个记录段长度约为160 s。
2)数据预处理。利用去均值方法对每条记录段数据进行去长周期和去均值处理，以减少长周期对PSD估计的偏差，其余异常、地震等信息均保留在数据段中；
每条记录段数据扣除仪器响应灵敏度，使其还原为地震动速度值。
3)加速度PSD计算。预处理后的记录段数据经过快速傅里叶变换，得到以频率为自变量的速度PSD值，再将速度PSD值变换至加速度PSD值。为便于与全球高噪声新模型(NHNM)及低噪声新模型(NLNM)进行对比分析，最终将加速度PSD值以dB为单位表示。
4)平滑处理。得到的加速度PSD值采用1/3倍频程平滑处理，使加速度PSD值在对数坐标上均匀分布。
5)PDF值计算。重复步骤1)～4)，得到每小时加速度PSD均值分布；
依次得到2个台站选取数据段PSD均值分布。以-200～-50 dB变化范围、1 dB步长计算加速度PSD值及相应PDF值；
然后，以频率为横坐标、PSD为纵坐标、色块颜色深浅绘制二维平面图，得到PDF分布结果，不同色块代表某频点在一定PSD窗内功率谱概率数。
6)背景噪声速度均方根(RMS)值计算。在计算速度PSD值的基础上根据文献[1]中的式(7)，调用速度PSD值计算1～20 Hz频段三分向RMS均值。
3.1 1～20 Hz频段加速度PSD值分析
为分析井下观测压制高频背景噪声特征，分别计算了赤峰台井下和山洞观测垂直向及二连浩特台井下和地表观测南北向各1个月观测数据中1～20 Hz频段PSD平均值，并以X坐标代表时间、Y坐标代表频率、Z坐标代表最大PDF对应PSD平均值，绘制PSD值时频分布图，以研究1～20 Hz频段加速度PSD特征，具体见图1。
图1 1～20 Hz频段加速度PSD值时变化分布Fig.1 The variation of accelerated PSD at 1—20 Hz frequency band
由图1可看出，赤峰台2～20 Hz频段和二连浩特台1～20 Hz频段PSD值有较规律的高低变化特性，这与人类昼夜活动变化规律特性基本一致；
由图1(a)和1(b)可看出，赤峰台井下观测数据垂直向2～20 Hz频段PSD值明显低于山洞观测，说明在2～20 Hz频段井下观测压制背景噪声效果显著，尤其在9～20 Hz频段井下观测压制背景噪声效果突出；
由图1(c)和1(d)可看出，二连浩特台井下观测PSD值明显低于地表观测，再次说明在2～20 Hz频段井下观测压制背景噪声效果较突出，8～20 Hz频段压制效果最好。
3.2 1～20 Hz频段RMS值特征分析
除使用PSD值来表示地震背景噪声水平外，RMS值也是评估背景噪声水平的方式之一[1]。为分析井下观测压制高频背景噪声效果，计算赤峰台和二连浩特台各1个月观测数据三分向1～20 Hz频段每天24 h的RMS平均值，并取三分向平均值，绘制RMS随日变化分布，具体见图2。
图2 1～20 Hz频段三分向RMS平均值日变化分布Fig.2 The RMS daily variation of three-channel at 1-20 Hz frequency band
由图2(a)可看出，赤峰台井下和山洞观测数据1～20 Hz频段三分向RMS平均值日变化均在0.5 dB以内，说明该台噪声源较为稳定；
赤峰台井下观测相比于该台地表观测数据RMS平均值低4 dB左右，说明在1～20 Hz频段井下观测有效压制了该台背景噪声。由图2(b)可看出，二连浩特台井下和地表观测数据1～20 Hz频段三分向RMS平均值日变化有一定升高趋势，变化率在2.5 dB左右，井下观测相比于地表观测数据RMS平均值低2 dB左右，说明井下观测有效压制了该台1～20 Hz频段背景噪声。由图2可看出，赤峰台井下观测压制1～20 Hz频段背景噪声的幅度大于二连浩特台井下观测，根据表1可知，这可能与赤峰台井下地震计安装深度深于二连浩特台有关。
3.3 加速度PSD概率密度函数分析
图3和4为赤峰台和二连浩特台1个月观测数据加速度PSD概率密度函数(PDF)分布，图中青色实线NHNM和NLNM分别表示全球高噪声新模型和低噪声新模型[10]，黑色实线(AVG)表示最大PDF对应PSD平均值，红色虚线MAX和MIN分别表示最大和最小PSD值，黄色实线分别表示PDF为10%与90%的PSD值。为更直观地分析，将数据分成90～25 s、25 s～2 Hz、2～40 Hz三频段，并对比分析井下和其他观测数据各频段加速度PSD概率密度函数分布的差异。
图3 赤峰台加速度PSD概率密度函数分布Fig.3 Probability density function distribution of acceleration PSD of Chifeng seismic station
对比图3(a)和3(d)、图4(a)和4(d)可看出，在低于25 s频段，赤峰台井下观测最大PDF对应PSD值(黑实线)低于该台山洞观测10 dB左右，二连浩特台井下观测最大PDF对应PSD值相比该台地表观测低5 dB左右，说明在低于25 s频段井下观测有一定的压制背景噪声特征。对比图3(b)和3(e)、图4(b)和4(e)可看出，在25～16 s频段，井下台观测数据最大PDF对应PSD值略低于山洞及地表台，在16 s～2 Hz频段同一台站不同观测方式观测数据最大PDF对应PSD值一致性较高，说明在16 s～2 Hz频段井下观测不能压制背景噪声，地震工作者也可利用此特性，通过计算同台井下和地表观测数据与该频段背景噪声的相关性，检测井下地震计方位角[16]。对比图3(c)和3(f)、图4(c)和4(f)可看出，在大于2 Hz频段，同一台站井下观测方式最大PDF对应的PSD值明显低于该台站其他(山洞、地表)观测方式，说明井下观测在大于2 Hz频段压制背景噪声效果显著。
图4 二连浩特加速度PSD概率密度函数分布Fig.4 Probability density function distribution of acceleration PSD of Erenhot seismic station
由图3和4可看出，赤峰台和二连浩特台井下观测背景噪声动态范围比山洞及地表观测小几个dB到几十个dB，说明井下观测相对于地表和山洞观测有缩小背景噪声动态范围的作用。
本文利用赤峰台井下和山洞观测及二连浩特台井下和地表观测测震数据，通过计算其加速度PSD值和相应的PDF值及1～20 Hz频段RMS值，分析了井下观测压制背景噪声的特征，得到如下结论：
1)在大于2 Hz频段，井下观测相比于山洞和地表观测压制背景噪声效果显著，尤其在大于9 Hz频段压制背景噪声效果突出，井下观测压制高频背景噪声效果与地震计安装深度有关，安装深度越深压制效果越好；
2)在16 s～2 Hz频段，井下、山洞、地表观测测震台站背景噪声水平一致性较高，在该频段井下观测不能压制背景噪声；
3)在低于16 s频段，井下观测相比于山洞和地表观测有一定的压制背景噪声效果；
4)井下观测相比于地表和山洞观测有缩小背景噪声动态范围的作用。
本文研究结果对于背景噪声水平较高的地表及山洞台站的重建、数据质量提高和利用井下观测数据进行地震分析及地震研究等有一定的参考意义。
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