引用本文
宫杰, 居海华, 鲍海英, 立凯, 单菡, 王佳. 2020. 地震流动观测防护罩集成优化与效果分析. 震灾防御技术, 15(4): 855-867, DOI:10.11899/zzfy20200420.
权限
地震流动观测防护罩集成优化与效果分析
宫杰1) 居海华1) 鲍海英1) 立凯2) 单菡1) 王佳1)
1) 江苏省地震局, 南京 210014
2) 江苏省连云港地震台, 江苏连云港 222061
[基金项目]:江苏省地震局青年科学基金项目(201902);徐州市重点研发计划(社会发展)项目(KC20185);地震科技星火计划(XH21011);中国地震局监测、预测、科研三结合课题(3JH-202001035)
[收稿日期]:2020-07-07
[作者简介]:宫杰, 男, 生于1989年。硕士研究生。主要从事地震仪器研发与运维工作。Email: 498602259@qq.com
[通讯作者]:居海华, 男, 生于1979年。硕士研究生, 主要从事地震仪器研发与运维工作。Email: 1958850401@qq.com
摘要

为提升地震流动观测质量,适应恶劣条件下野外长期工作,研制集传感器、供电、通讯网络三大模块于一体的流动观测仪器整体防护罩。利用2套GL-PS2一体化短周期地震仪进行对比观测,一套安装于南京台室内基岩观测墩,另一套配备防护罩浅层掩埋于户外。结果表明新型研制的观测仪整体集成防护罩具有以下优点:①保温性能好,内部环境日温差小于3℃,月温度变化小于5℃。②防水性好,经历多次暴雨大雪天气后,防护罩内部干燥,无水滴或结露现象。③台基噪声略优于室内观测墩。④2台设备相关系数垂直向优于水平向,夜晚优于白天。⑤地震记录波形相关系数均在0.6以上,震级越大,相关性越高,且信噪比差距较小。

关键词: 防护罩  整体集成  对比观测  台基噪声  相关系数  信噪比  


引言

数字化地震流动观测台网一般分为地震现场应急流动台网和科学探测台阵(杨建思,2008姜旭东等,2009温瑞智等,2009任叶飞等,2011李世成等,2017)。地震现场应急流动台网可用于大震前加密观测,提高定位精度,对潜在大震区域地震活动背景进行动态跟踪监测,亦可用于震后余震监测,记录余震变化,为判断地震发展趋势提供依据(李世成等,2011王恒知等,2018)。高分辨率科学探测台阵可进行地震定位、震源机制、震源破裂过程和地震成像研究,提高研究精度,是地震深部探测的重要手段(陈颙等,2005Burdick等,2008Yang等,2008花鑫升等,2018)。目前我国流动观测技术仍处于初级阶段,未建立完善的技术规范。各省地震部门流动观测设备、辅助设备、集成方式等不尽相同,观测仪器防护存在明显缺陷,无法满足恶劣条件下野外长期工作需要。目前地震观测设备防护研究仅局限于固定台站的单一地震计防护,也只追求单一保温性能(孙宏志,2016郅红魁等,2019),针对地震流动观测的系统防护集成优化研究较少。

为满足地震应急流动观测及科学台阵探测对高质量观测数据的要求,江苏省地震局致力于地震观测仪器防护研究,最终研制出新型地震仪防护罩,并通过整体集成优化提升防护效果,保障观测系统运行质量。具体步骤如下:首先研制出铝合金材质地震仪防护罩,作为整体防护基础;其次通过集成传感器、供电、通讯网络三大模块优化防护;最后采用浅层掩埋方式安装,仅太阳能板、GPS、GPRS、WIFI天线外置地表。利用2套北京港震公司生产的GL-PS2一体化短周期地震仪进行对比观测,一套安装于较安静环境下南京台室内基岩观测墩上,另一套配备集成防护罩浅层掩埋户外。从保温性、防水性、台基噪声、相关性分析、地震波相关性及信噪比等方面整体论证观测系统防护水平。

1 方案设计与实现
1.1 防护罩研制

地震观测精密仪器对温度变化及气体流动十分敏感,温度变化及气体流动以速度量叠加于地脉动中,从而增大背景噪声,是影响地震流动观测质量的重要因素,因此防护罩研制必然追求较小的温度变化及气体流动。江苏地区普遍土壤层较厚,实际地震流动观测中难以找寻适合的基岩条件,因此采用浅层掩埋观测方式,以达到保温效果,同时密闭空间可消除气流干扰,提高地震流动观测信噪比。葛洪魁等(2013)开展针对不同台基流动地震观测背景噪声的观测研究,实验表明增加台基深度能有效降低长周期噪声和高频噪声。

为方便携带、运输,选用轻质铝合金材料研制圆柱形密封防护罩,总重量仅为5公斤。防护罩采用整体电镀工艺以防野外酸雨、盐碱地侵蚀,底部采用磨砂工艺确保地震仪与防护罩接触可靠,内部2个铝制隔板具有一定承载能力,并将内部空间分为3层以便于各模块集成。密封顶盖采用4个防水葛兰接头引出太阳能板、GPS、GPRS及WIFI天线,防水等级IP68。密封顶盖与桶身O型密封圈防水连接,实测防水等级IP67,可以承受浸水防护。此外密封顶盖配备水平仪,与防护罩底部高度平行,可满足地震仪水平校正。

1.2 集成优化

地震流动观测系统包括传感器、供电、通讯网络三大模块,基于整体防护、集成优化的思路,将地震仪、锂电池、太阳能控制器及4G路由器全部集成于防护罩内并进行浅层掩埋观测,系统结构如图 1所示。


注: 1-保温层;2-防护罩;3-4G路由器;4-O型密封圈;5-太阳能板葛兰头;6-水平仪;7-覆土;8-GPS、GPRS、WIFI、葛兰头;9-太阳能控制器;10-锂电池;11-铝制隔板;12-地震仪;13-太阳能板
图 1 防护罩集成优化示意图 Fig. 1 Integrated optimization schematic of shield

系统运行中,太阳能控制器为地震仪、4G路由器提供12V直流供电,并通过葛兰接头外接太阳能电池板,内接锂电池。阳光充足条件下持续为整个观测系统供电,同时为锂电池充电,而定制的12V/100Ah圆柱形锂电池亦可满足长期阴雨条件下地震流动观测系统的正常供电需求。太阳能控制器内含RTS温度传感器,支持TCP/IP协议,其RJ45接口连接4G路由器。工业级4G路由器具备VPN拨号功能,将太阳能控制器温度数据及地震仪观测数据实时传至地震行业内网。

配备防护罩集成优化具有如下功能与特点:1)太阳能充放电远程监控;2)地震仪远程断电控制等;3)防护罩内部温度监视;4)非断电故障可利用WIFI信号现场连接设备修复而无需挖出整个观测系统。

2 效果分析

为了解防护罩集成优化真实效能,利用2套北京港震科技有限公司生产的GL-PS2一体化短周期地震仪进行对比实验,一套安放于环境较安静的南京地震台室内基岩摆墩上,一套配备集成优化后的防护罩浅层掩埋于户外,由于邻近绿道,过往行人较多,户外地面噪声较大。2台仪器相距约100m,分别距绿道20m和45m,位置如图 2所示。


图 2 位置示意图 Fig. 2 Location diagram

GL-PS2一体化短周期地震仪电压灵敏度为1000V/(m·s-1),频带范围为0.5—50Hz,阻尼为0.707,数据采集器转换因子为74.5nV/count,采样率设置为100Hz。为确保对比实验结果的科学性及可靠性,排除仪器故障及性能差异干扰,利用相同正弦参数、脉冲幅值及宽度对2套地震仪进行正弦、脉冲标定,标定结果如表 1所示。

表 1 2套设备标定结果 Table 1 Calibration results of two seismographs

根据标定结果可以看出相对于基准值,基岩设备周期变化率不超过5.5%,阻尼变化率不超过1.4%,电压灵敏度变化率不超过0.5%;而集成设备周期变化率不超过2.3%,阻尼变化率不超过2.2%,电压灵敏度变化率不超过0.3%。2套GL-PS2一体化短周期地震仪电压灵敏度、周期以及阻尼均接近基准值,满足正常地震流动观测要求,且三分量一致性较高,2套地震流动观测设备各项参数均较为接近,为后续对比实验提供可靠的硬件支持。

2.1 保温性

地震流动观测野外实际工作要求低功耗、长时间正常运转,额外的电子元器件会增大整个地震流动观测系统的供电负荷,因此主动保温的方式,即通过加热或制冷元器件对地震计工作环境温度进行加热或制冷以达到理想温度区间是不切实际的。基于以下因素,对比实验中防护罩集成优化设备以浅层掩埋方式进行安装,掩埋深度0.8—1m。

(1)浅层掩埋可有效降低长周期及高频干扰;

(2)地震仪器安装0.8m左右单人即可简单快捷实现,具备可操作性和便捷性;

(3)不同于北方冻土,江苏地区可利用大地自身保温性能,实现被动保温;

(4)防护罩内部地震仪采用超低导热系数保温内胆包裹,进一步提高被动保温效能。

对比防护罩内RTS温度及南京地震台气象三要素气温数据,如图 3所示。


图 3 温度对比曲线 Fig. 3 Temperature contrast curve

图 3(a)为2017年6月1日至30日南京地震台室外温度及防护罩内部环境温度,可以看出南京地震台夏季室外日温度变化超过10℃,月温度变化达到17.6℃,而新型研制的防护罩内部日温度变化均在2℃以内,月温度变化不超过3.8℃。图 3(b)为2017年12月1日至31日南京地震台室外温度及防护罩内部环境温度,可以看出南京地震台冬季室外日温度变化超过9℃,月温度变化达到19.8℃,而新型研制的防护罩内部日温度变化均在3℃以内,月温度变化不超过5℃。由此可见,无论夏季还是冬季,新型研制的防护罩集成优化后具有良好的保温性,有利于地震流动观测设备高效运行和高质量数据产出,预期年温度变化在10℃以内。同时半年时间的对比试验从侧面反映了整个观测系统具有低功耗性,能够长期持久运作。

2.2 防水性

地震流动观测设备属于高精密仪器,其辅助供电、网络通讯设备皆不具备防水性能,一旦漏水将破坏整个地震流动观测系统的正常运行,因此新型防护罩集成优化必须满足高防水性要求。通过多次大爆雨雪天气检验防护罩集成优化后的整体防水性能(图 4),最终实验结束开盖后防护罩内部如图 5所示。


图 4 大雪天气下的南京台 Fig. 4 Nanjing Station in heavy snow

图 5 防护罩内部 Fig. 5 Inside of shield

防护罩密封顶盖所采用的防水葛兰实测防水等级IP68,密封顶盖与桶身采用O型密封圈防护,防水等级IP67,可承受浸水防护。经历多次的大爆雨雪天气后打开防护罩,可发现防护罩内部环境十分干燥,没有水滴存在,甚至无结露现象。由此可见,新型研制的地震仪防护罩具有良好的防水性能,可以杜绝因浸水导致内部电子器件失效的隐患,从而保障观测系统在干燥环境下安全正常运行。

2.3 台基噪声及功率谱分析

台基噪声是评定地震流动观测坏境质量的重要指标之一,直接影响地震监测能力(孙路强等,2014张云鹏等,2017)。为深入探讨防护罩集成优化效果,对2017年12月29日07时至2018年1月2日10时(共计连续100个小时)内,2台地震流动观测设备的台基噪声数据进行计算分析,2台设备台基噪声功率谱密度(PSD)曲线如图 6所示。


图 6 2台设备PSD对比曲线(一) Fig. 6 PSD contrast curves of two seismographs

图 6 2台设备PSD对比曲线(二) Fig. 6 PSD contrast curves of two seismographs

0.1Hz以下长周期频段因超出地震计观测范围不做分析。对比分析2台设备PSD曲线可知:在0.1—20Hz中频段范围内,地震流动观测设备配备集成优化防护罩后台基噪声功率谱与室内基岩台基噪声差距较小,在垂直向6—17Hz、东西向10—15Hz及南北向2—17Hz范围内,集成优化防护罩台基噪声略低于室内台基噪声,在20Hz以上高频段,集成优化防护罩台基噪声较室内台基噪声高出约5dB。高频干扰大多来自人类活动,由此推测配备集成优化防护罩的观测设备由于靠近绿道极易受到过往行人车辆干扰,虽浅层掩埋可有效降低高频干扰,但无法彻底消除,导致部分人类活动产生的高频干扰传至地震仪。

通过PSD曲线图发现,在0.1—20Hz范围内2台设备台基噪声差距较小,但为深入分析二者较小台基噪声差异,定性判别台基噪声等级,进一步计算2台设备在该频段范围内每小时台基噪声均方根值(RMS)(图 7)及在100小时内平均台基噪声(表 2)。


图 7 2台设备台基噪声RMS值 Fig. 7 Stylobate noise RMS of two seismographs
表 2 2台设备平均台基噪声 Table 2 Average noises of two seismographs

结合图 7表 2可以看出:

(1)2台设备各自台基噪声随时间大致呈周期性变化,白天噪声水平明显高于夜晚,侧面佐证了对比试验台基噪声计算的正确性。

(2)2台设备各自相同时刻水平向噪声明显大于垂直向,深入观察发现南北向噪声水平最高,可能是受到南北走向绿道影响。

(3)2台设备虽同为Ⅱ级噪声水平,但地震流动观测设备经过防护罩集成优化浅层掩埋于户外后,其总体各向台基噪声平均值略优于安装于安静环境下室内基岩上的设备,白天优势最为明显,其中,垂直向降噪率为12.4%,东西向为4.7%,南北向为18.2%。

2.4 地震波相关性及信噪比分析
2.4.1 日常背景噪声相关性

相关性分析是直观判断集成防护设备与室内基岩设备记录数据相似程度的重要手段。选择2018年1月1日24小时背景噪声数据进行相关性分析,经方位角校正及无滤波处理后2台设备三分向相关系数如图 8所示。


图 8 2台设备相关系数 Fig. 8 Correlation coefficient of two seismographs

图 8可知,2台设备在同时段内垂直向相关系数高于水平向相关系数,夜间安静时段垂直向相关系数可达0.79以上,水平向相关系数可达0.7以上。白天由于人类活动干扰加剧,各向相关系数均有所降低,垂直向最低可降至0.4左右,水平向最低降至0.35左右。此外白天南北向相关性优于东西向,夜晚南北向相关性低于东西向。

2.4.2 地震波形相关性

为直观反映新型研制的集成优化防护罩地震观测情况,选择2套设备记录的39个不同震级且震相清晰的地震波形进行相关性分析,验证防护罩集成优化后浅层观测地震波形质量。以2018年1月6日安徽淮南2.1级地震为例,并给出所有地震波形相关性计算结果,如表 3所示。

表 3 不同地震相关系数统计 Table 3 Statistics of correlation coefficient with different earthquakes

相关系数计算如下:

$ R=\frac{l_{x y}}{\sqrt{l_{x x} l_{y y}}} $ (1)

式中,

$ l_{x x}=\sum\limits_{i=1}^{n}\left(x_{i}-\bar{x}\right)^{2} $ (2)
$ l_{y y}=\sum\limits_{i=1}^{n}\left(y_{i}-\bar{y}\right)^{2} $ (3)
$ l_{x y}=\sum\limits_{i=1}^{n}\left(x_{i}-\bar{x}\right)\left(y_{i}-\bar{y}\right) $ (4)
$ \bar{x}=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^{n} x_{i} $ (5)
$ \bar{x}=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^{n} x_{i} $ (6)

|R|越接近1,线性相关越大。当|R|=1,称为完全线性相关;当|R|=0时,称全无线性相关。其中,xy分别为要求相关系数的两个变量。

通过2套设备的地震记录波形相关性分析发现,几乎所有地震波形相关系数均在0.6以上,总体趋势为震级越大,相关性越高。震级在1.0—2.0区间的地震相关系数基本集中于0.6—0.7区间内,而当地震震级超过6.0时,最大相关系数可达0.9以上。2台设备记录的安徽淮南2.1级地震波形(图 9)相关系数超过0.75,可以看出地震波形形态基本相似,且最大振幅相近。由图 8图 9可知,2台设备记录地震波形相比于日常背景噪声具有更高的相关性。因此,新型研制的集成优化防护罩浅层掩埋观测具有较高稳定性,能够准确反映地震波真实形态,不会产生地震波形失真。


图 9 安徽淮南2.1级地震 Fig. 9 Huainan M2.1 earthquake in Anhui province
2.4.3 地震波形信噪比

地震波信噪比是记录地震波形质量的重要评定标准之一,信噪比越高表明地震信号相对于背景噪声越明显,对2套设备进行地震记录波形信噪比分析,可进一步深入了解集成优化防护罩浅层掩埋观测地震记录质量,直观判断防护效能。选取前文39个震相相对清晰的地震原始波形并进行方位角矫正,设初始P波前30s台基噪声RMS值s1,地震波(从P波起始,波长为P波与S波到时差2.5倍)RMS值为s2,以分贝形式定义地震波信噪比SNR为20log(s2/s1)。SNR1为集成优化的防护罩浅层掩埋设备地震波信噪比,SNR2为室内基岩设备地震波信噪比,其地震波形信噪比偏差统计如表 4所示。

表 4 地震波形信噪比偏差统计 Table 4 Deviation statistics of signal to noise ratio of seismic waveform

当震级小于2.0级时,集成防护设备地震波信噪比略低于室内基岩设备地震波信噪比;震级超过3.0级时,集成防护设备地震波信噪比开始呈现一定优势,随着震级增大,信噪比偏差逐步增大;当震级超过6.0级时,集成防护设备地震波信噪比超过室内基岩设备地震波信噪比1dB;当地震大于7.0级时,集成防护设备地震波信噪比超过室内基岩设备地震波信噪比1.5dB。整体而言,2台设备记录地震波信噪比差距较小,信噪比偏差基本在-0.5—1.5之间。

3 讨论与结论

在地震流动观测中采用新型研制地震仪防护罩并浅层掩埋观测是可行的,通过开展对比观测试验从保温性、防水性、台基噪声、地震波相关性以及信噪比分析得出以下结论:

(1)防护系统具备太阳能充放电远程监控、地震仪远程断电控制、防护罩内部温度监控、非断电故障可利用WIFI信号现场连接设备修复等功能。

(2)无论夏季还是冬季,新型研制的地震仪防护罩内部日温度变化均在3℃以内,月温度变化不超过5℃,具备良好保温性。

(3)经历多次暴雨大雪天气,保温罩内部干燥,无水滴或结露现象,具备良好防水性。

(4)利用新型研制地震仪防护罩并浅层掩埋观测能够达到Ⅱ类台基水平,甚至略优于室内安静环境下基岩摆墩同量级的台基噪声水平。

(5)同时段2台设备日常背景噪声垂直向相关系数高于水平向,夜间安静时段垂直向相关系数可达0.79以上,水平向可达0.7以上。白天由于人类活动干扰,各向相关系数均有所降低,垂直向相关系数最低可降至0.4左右,水平向相关系数最低降至0.35。2台设备日常背景噪声相关性夜晚高于白天,垂直向高于水平向,白天南北向相关性优于东西向,而夜晚南北向相关性低于东西向。

(6)地震记录波形相关性分析发现,几乎所有地震波形相关系数均在0.6以上,震级越大,相关性越高。震级在1.0—2.0级的地震相关系数基本集中于0.6—0.7之间,而当震级超过6.0级时,最大相关系数可达到0.9以上。地震波形相比于日常背景噪声具有更高的相关性。新型研制的防护罩浅层掩埋观测具有较高稳定性,能够准确反映地震波真实形态,不会产生地震波形失真。

(7)2台设备记录的地震波信噪比差距较小,信噪比偏差基本在-0.5—1.5之间。震级小于2.0级时,集成防护设备地震波信噪比略低于室内基岩设备地震波信噪比,地震大于3.0级时,集成防护设备地震波信噪比略高于室内基岩地震波信噪比。

参考文献
陈颙, 周华伟, 葛洪魁, 2005. 华北地震台阵探测计划[J]. 大地测量与地球动力学, 25(4): 1-5.
葛洪魁, 陈海潮, 欧阳飚, 等, 2013. 流动地震观测背景噪声的台基响应[J]. 地球物理学报, 56(3): 857-868.
花鑫升, 石金虎, 谭雅丽, 等, 2018. 浅层地震勘探资料揭示汤东断裂特征[J]. 震灾防御技术, 13(2): 276-283.
姜旭东, 杨建思, 徐志强, 等, 2009. 应对巨大地震的应急流动观测系统[J]. 地震地磁观测与研究, 30(5): 59-65.
李世成, 崔建文, 张潜, 等, 2011. 2009年姚安Ms6[J]. 0强震动应急观测.地震研究, 34(3): 322-330.
李世成, 林国良, 崔建文, 2017. 云南强震动流动观测发展及相关问题讨论[J]. 地震研究, 40(4): 629-637. DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2017.04.015
任叶飞, 温瑞智, 周宝峰, 2011. 强震动记录编目——以汶川余震流动观测记录为例[J]. 震灾防御技术, 6(4): 406-415. DOI:10.3969/j.issn.1673-5722.2011.04.006
孙宏志, 2016. 地震计智能恒温系统的设计与实现[J]. 地震工程学报, 38(6): 1004-1009.
孙路强, 柳艳丽, 刘文兵, 等, 2014. 沉积层地震观测噪声的对比试验[J]. 震灾防御技术, 9(4): 932-936.
王恒知, 俞言祥, 何斌, 等, 2018. 高邮-宝应4[J]. 9级地震地面运动特征分析.地震地质, 40(6): 1349-1361.
温瑞智, 周正华, 李小军, 等, 2009. 汶川Ms8[J]. 0地震的强余震流动观测.地震学报, 31(2): 219-225.
杨建思, 2008. 汶川地震所见的零星感受与启示[J]. 国际地震动态, (7): 40-45. DOI:10.3969/j.issn.0253-4975.2008.07.007
张云鹏, 李孝宾, 王伟涛, 等, 2017. 云南宾川地震信号发射台的流动观测数据服务系统及数据质量评估[J]. 地震研究, 40(4): 525-533. DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2017.04.003
郅红魁, 程楠, 郭慧, 等, 2019. 地震计恒温低湿智能监控仪研制[J]. 地震地磁观测与研究, 40(1): 128-133.
Burdick S., Li C., Martynov V., et al, 2008. Upper mantle heterogeneity beneath North America from travel time tomography with global and USArray transportable array data[J]. Seismological Research Letters, 79(3): 384-392. DOI:10.1785/gssrl.79.3.384
Yang Y. J., Ritzwoller M. H., Lin F. C., et al, 2008. Structure of the crust and uppermost mantle beneath the western United States revealed by ambient noise and earthquake tomography[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 130(B12): B12310.