烈度計臺網數據質量分析與異常檢測

方一成 周藍捷 方偉華 王遹其 薛蕾

1.福建省海洋地震觀測中心；2.中國地震局廈門海洋地震研究所

福建省當前共有一般站觀測點1100 個，使用三種不同的地震烈度計，分別是300 臺Palert、310 臺TMA-33、290 臺VH-GL-LDY 以及待建設200 臺。其中Palert 使用電信有線網絡連接，TMA-33 和VH-GL-LDY 通過接入鐵塔集團FSU 使用無線網絡方式連接，同時烈度計臺網包含多個供應商硬件和設備、多種基礎設施，烈度計亦有不同的安裝方式。在臺網運行過程中，部分站點受背景噪聲、儀器自噪聲、安裝情況等因素影響，掉線較為頻繁，波形出現異常，影響地震烈度速報及日常運維工作，而當前對烈度計的相關異常檢測方法較少。本文對福建省900 個一般站觀測數據進行分析處理，通過Python 編程實現一般站地震數據自動化處理，通過Pwelch 法分析烈度計噪聲水平，比較分析三種不同型號烈度計傳感器性能，對900 個一般站進行噪聲異常檢測，確定問題站點，提高運維效率。

1 概述

1.1 烈度計臺網基本情況

2015 年福建簡易烈度計示范項目300 個一般站，覆蓋廈漳泉莆地區，使用Palert 地震烈度計；2020 年6 月30 日，國家地震烈度速報與預警工程子項目完成600 個一般站的建設，覆蓋福建全省，使用TMA-33、VH-GLLDY，通過接入鐵塔集團FSU（基站智能動環監控單元）實現網絡管理與數據傳輸。

如圖1 所示烈度計型號分別為Palert、TMA-33、VH-GL-LDY。

圖1 福建省一般站所用簡易烈度計Fig.1 Simple intensity meter for general station in Fujian Province

1.2 國內外研究現狀

烈度計的相關數據處理包括運行連續率、儀器性能指標、波形記錄、發生地震事件波形記錄、噪聲相關處理等。1993 年，Peterson 研究全球范圍地震臺站的環境噪聲功率譜密度，提出了地球低噪聲新模型和地球高噪聲新模型。2004 年，McNamara 和 Buland 提出了一種新的統計方法，通過計算概率密度函數來評估給定地震臺站的全范圍噪聲[1]。目前，概率密度函數方法被國內外等多個國家廣泛應用于地震臺站背景噪聲水平評價及地震環境噪聲特征分析。2006 年，Marzorati S 通過功率譜概率密度函數分析研究了意大利中北部背景地震噪聲，受到晝夜變化、季節變化、風暴等因素影響[2]。2012 年，Rastin S J 使用PDF 方法分析了新西蘭北島國家地震臺網五年記錄，通過噪聲的每日變化和季節性變化，評估地震檢測能力[3]。2019 年王芳等人利用中國地震臺網兩年內連續波形記錄，通過計算噪聲功率譜密度和概率密度函數，對中國大陸地區的臺基噪聲水平進行了初步分析[4]。2014 年曲明哲等人研究了簡易烈度計中使用的MEMS 加速度傳感器噪聲問題，通過理論分析和實測背景噪聲，對不同的加速度計進行噪聲記錄和噪聲譜分析，得到在特定帶寬內MEMS 加速度計的噪聲水平[5]。2019年許可等人在天津建設了80 個簡易烈度計點，進行地震觀測，與測震臺、強震臺共同組成天津地震預警觀測網，研究烈度計數據記錄、儀器性能指標及噪聲水平[6]。2019年柳艷麗等人通過設計烈度計臺站遠程監控系統，實現對臺站供電、網絡、I/O 開關量、烈度計狀態等信息的采集及遠程控制等功能，并在天津烈度計臺網進行部署，提高了故障排查及維護效率[7]。

2 烈度計臺網噪聲分析及異常檢測

本文使用pwelch 法計算功率譜。周期圖法是將輸入的地震數據進行離散傅里葉變換，再以系數等價功率譜的方法。Welch(加窗平均周期圖法)是一種周期圖法的改進方法，先使相關地震數據x(n)在進行周期圖法計算功率譜之前，乘以窗函數w(n)（n=0，1，…，N-1）,使數據每段數據有一定的重疊率。周期圖法的曲線波動更大，即方差更大，Welch 法的曲線更加平滑，即方差較小。

pwelch 法利用Welch 平均功率圖法返回地震數據的功率譜密度。不定義其他參數，對相關數據使用pwelch函數，地震數據x將被分成8 段，相關片段的重疊率為50%。當輸入的地震數據無法分為滿足50%重疊的8 個片段時，pwelch 函數會對數據進行相應的自動裁剪。當輸入數據x是向量時，它被當做一個單通道信號，當x是矩陣時，x的每一列被當做一個通道的信號，其psd結果相對應與psd的每一列。如果x是實值信號，則pxx是單邊譜估計。如果x是復數信號，則pxx是雙邊譜估計。

pwelch 相關參數設置如下：

pxx為功率譜估計值，f為pxx值所對應的頻率點，fs為繪制功率譜曲線的抽樣頻率，默認數值為1。

通過pwelch 法對900 個一般站數據進行噪聲水平處理分析。三種地震烈度計使用的傳感器都是三分量MEMS加速度計。對某一時段900 個一般站烈度計數據進行噪聲水平處理分析，如圖2 所示。在0.2 ～10Hz 范圍內，900個一般站烈度計整體噪聲水平范圍約40 ～80db。

圖2 900 個一般站地震烈度計噪聲密度曲線Fig.2 Noise density curve of seismic intensity meter at 900 general stations

一般站地震烈度計分為三種型號：即Palert、TMA-33 和VH-GL-LDY。在程序中設置對應烈度計型號的靈敏度參數，對同一時段三種不同型號烈度計數據分別進行噪聲處理分析及異常檢測。具體結果如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 Palert 地震烈度計噪聲密度曲線Fig. 3 Noise density curve of Palert seismic intensity meter

圖4 TMA-33 地震烈度計噪聲密度曲線Fig. 4Noise density curve of TMA-33 seismic intensity meter

圖5 VH-GL-LDY 地震烈度計噪聲密度曲線Fig. 5 Noise density curve of VH-GL-LDY seismic intensity meter

對比三種不同型號的烈度計噪聲曲線及功率譜，在0.1 ～10Hz 頻率范圍內，300 臺Palert 地震烈度計的等效動態范圍約為40 ～82db；310 臺TMA-33 約在50 ～75db之間；290 臺VH-GL-LDY 約在48 ～75db 之間，均有部分站點存在噪聲異常情況。參考國內外對各類加速度計的噪聲譜圖，Palert、TMA-33、VH-GL-LDY 所使用的加速度計均屬于民用及消費品級MEMS 加速度計，因所處理的地震數據帶有大量真實環境噪聲，所繪制的噪聲圖譜的區間數值比理論值更高，離NHNM 更遠，因此福建省臺網烈度計所使用的MEMS 加速度計接近可應用于地震監測的工業級MEMS 加速度計。從噪聲曲線情況看，300 臺Palert 地震烈度計因更科學的選址以及長期有效的運維工作，顯示出更穩定的噪聲水平；新建的600 個一般站所使用的TMA-33 與VH-GL-LDY 有多個站點噪聲曲線波動較大，較多站點存在噪聲異常情況。結合實地上站巡檢情況來看，有多個新建站點建設在高速公路、國道旁，環境噪聲較大；有部分站點存在儀器未固定、膨脹螺絲松動、機箱松動、儀器安裝不符合規范等情況。

對相關站點進行循環檢測，逐臺排查，發現噪聲異常站點代碼為B4410，地址為莆田市秀嶼區湄洲島，其噪聲密度曲線如圖6 所示，三分量中的UD 與NS 均在20db 以上，并且向上漂移。經檢測，B4410 網絡連通正常，延時正常，通過查看其波形情況，發現波形存在異常。經運維人員現場檢查，系統機器內部元件損壞。

圖6 B4410 站點噪聲密度曲線及波形情況Fig.6 Noise density curve and waveform of site B4410

3 結語

當前福建省烈度計臺網有三種不同型號的地震烈度計，同時烈度計有不同的安裝方式，網絡連接方式及安裝環境亦參差不齊。本文在Visual Studio 平臺上使用Python 語言編程，實現實時下載任意時間段900 個一般站地震數據，以MSEED 格式和SAC 格式保存至本地端。通過對900 個一般站地震數據進行噪聲處理分析，得到三種不同類型地震烈度計的傳感器性能區間，Palert的等效動態范圍更接近NHNM，整體曲線更加平滑，更加穩定，TMA-33 與VH-GL-LDY 整體性能接近，三種不同類型的烈度計均存在部分站點噪聲異常情況，分析特定時段三種不同型號地震烈度計的噪聲密度曲線及功率譜，通過循環檢測，逐臺排查，結合相關波形數據，能夠快速確定異常站點，結合實地上站情況，確認相關問題原因，為今后烈度計臺網的運維及遷址工作提供參考。