CTS-1E与BBVS-120地震计性能对比分析-中国期刊网

CTS-1E与 BBVS-120地震计性能对比分析

李杰管勇李风懿刘涛唐云辉张理

康定地震监测中心站 626001 四川省地震局

摘要通过对 CTS－1E与BBVS－120 地震计系统记录的台基噪声功率谱密度计算、地震事件定位、波形记录质量、运行率、脉冲标定和正弦波标定数据处理等指标进行对比分析，探寻两种地震计在实际工作中的性能差异，为今后有人值守台站地震计选择、更换以及相关研究工作提供依据。

关键词 地震计；对比分析

目前，地震系统使用的地震计种类繁多，所使用的地震计种类更是多种多样，而这些地震计性能及技术参数存在一定的差异。这些差异对于地震观测的数据应用，如日常数据处理、地震速报、地震编目必然会产生一定的影响。对于同一地震的计算结果会有些许不同，这与分析人员的业务工作能力和工作习惯有一定关系，但不同型号不同厂家生产的地震计对于数据结果的影响是不能忽略的^[1][2]。四川省测震台网实时数据接入国家测震基本台共有7个，这些地震观测台站主要使用的地震观测仪器是5个甚宽频带和2个超宽频带长周期地震计，姑咱、乡城、巴塘地震台使用CTS－1E和BBVS－120 甚宽频带地震计同时并行观测。这两种地震计在全国范围内，使用也较为普遍，通过对比观测研究，可以在一定程度上深人了解两类地震计之间的差别，为今后高原地区台站地震计选择、更换以及相关研究工作提供依据。

1、观测环境、台站分布及仪器参数

为了使该项研究工作更加科学、完善，分别选择康定地震中心站辖区范围的姑咱、乡城、巴塘地震台作为对比观测场地。同属于国家测震基本台，位于鲜水河断裂带处于青藏高原东南缘的四川西部，地震频率高的特性。姑咱地震台位于康定县姑咱镇，在构造上该台处于北西向鲜水河断裂带与北东向龙门山断裂带交汇处以北地区。乡城台位于乡城县桑披镇，在构造上处于南北向金沙江逆冲断裂带。巴塘地震台位于巴塘县夏邛镇东南的红军山脚下，在构造上该台处于北东走向的巴塘断裂带。台站观测仪器基本信息见表1。三个台都具备了同一场地同时采用了CTS-1E与BBVS-120型地震计进行观测，在台站地震观测系统上全部采用反馈式地震计和24位数据采集器，因此研究具有可对比性。

表1 姑咱、乡城、巴塘地震台观测仪器设备及参数

名称

代码

属性

地理位置

观测仪器

观测环境

经度（º）

纬度（º）

高程（m）

地震计

数据采集器

观测频带（s-Hz)

台基类型

场地类型

实际动态范围(db)

姑咱

GZA

国家台

102.2

30.1

1410

CTS-1E

BBVS－120

EDAS

-24IP

120S-50Hz

闪长岩

山洞

112.2

巴塘

BTA

国家台

99.1

30.0

2639

CTS-1E

BBVS－120

EDAS

-24IP

120S-50Hz

二叠系砾岩

山洞

109.0

乡城

XAC

国家台

99.8

28.9

3000

CTS-1

BBVS－120

EDAS

-24IP

120S-50Hz

三叠系灰岩

山洞

117.7

噪声功率谱对比

1.1地动噪声功率谱计算方法

本文使用pwelsh函数计算地动噪声功率谱。按公式（1-1）由PSD计算RMS值：

　　RMS(Root-Mean-Square)－均方根(值)

　　计算RMS值是由功率谱密度P来计算RMS

计算方法：（1-1）

式中：　－加速度或速度功率谱密度；

　　　　－分度倍频程中心频率；

　　　　　－相对带宽:

　　　　－分度倍频程上限频率

　　　　－分度倍频程下限频率

1.2地动噪声功率谱及地动噪声RMS值的对比

计算台基地动噪声功率谱可以很好的反映台站各频段台基噪声水平^[4]。然而，在台站台基噪声水平不变的情况下，由于仪器噪声的影响，计算结果与所使用地震计及数据采集器有很大关系，使用不同地震计或数据采集器的地震观测系统计算得到的地动噪声功率谱也不相同。因此，在假定数据采集器完全相同的情况下，通过计算、对比两套观测系统的地动噪声功率谱，可以得到这两类地震计之间的某些差别。

选取姑咱、乡城、巴塘地震台整小时段波形数据进行地动噪声功率谱计算，得到了姑咱地震台的两组观测系统在各频段内的噪声功率谱曲形态几乎一致，见图2。乡城地震台的两组观测系统在各频段内的噪声功率谱曲形态几乎一致，在0.05Hz以下区域，两套系统的噪声功率谱密度曲线呈现一定差别，特别是垂直向，在高频段两套系统三分向所对应噪声功率谱曲线差别较为明显，见图3。巴塘地震台的两套观测系统所对应的噪声功率谱密度曲线在低频部分两套系统所对应的功率谱密度曲线出现一定偏差，特别是垂直向，在0.01Hz及以下频段的差别较大，南北向和东西向则保持较好的一致性，见图4。通过以上两组观测系统噪声功率谱的对比，可以看到两类地震计之间确实存在一定差别，这种差别可能来自于地震计自身噪声，也可能是环境温度变化等因素对不同地震计的影响不同造成，有待进一步分析研究。

图2姑咱（GZA）CTS-1和BBVS-120观测系统噪声功率谱对比

图3乡城（XAC）CTS-1和BBVS-120观测系统噪声功率谱对比

图4巴塘（BTA）CTS-1和BBVS-120观测系统噪声功率谱对比

1.3平均RMS值

本文采用1/3倍频程滤波器在1Hz-20Hz范围内，按公式（1-1）由PSD计算RMS值，求其均值，各个台站的台基噪声测试参数见表2，给出了三分向（UD-EW-NS）的数据均值，并以此判断台基的类型。根据表可看出姑咱、乡城、巴塘CTS-1和BBVS-120环境地噪声水平三分向RMS几乎保持致。

表2 姑咱、乡城、巴塘地震台环境地噪声水平RMS

台站代码	地震计	环境地噪声水平 RMS（m/s)(1－20HZ）			三分项均值	噪声级别
台站代码	地震计	UD	EW	NS	三分项均值	噪声级别
GZA	BBVS-120	6.24E-08	8.73E-08	7.48E-08	7.48E-08	Ⅱ
GZA	CTS-1E	4.34E-08	5.87E-08	5.17E-08	5.13E-08	Ⅱ
BTA	BBVS-120	1.31E-07	9.86E-08	1.15E-07	1.15E-07	Ⅲ
BTA	CTS-1E	1.18E-07	9.28E-08	1.09E-07	1.07E-07	Ⅲ
XCA	BBVS-120	6.78E-08	9.71E-08	6.89E-08	7.79E-08	Ⅱ
XCA	CTS-1E	4.91E-08	7.14E-08	5.08E-08	5.71E-08	Ⅱ

定位结果的对比

2.1 资料选取及震中位置对比计算方法

本文选取姑咱、乡城、巴塘CTS-1和BBVS-120两组观测系统记录到的地震事。研究中仅选用了震中距小于200 km地震事件进行重新定位。研究范围（25.0°N～35°N，97°E～105°E）内ML≥2.0的地震共45个。选取了仪器运行正常、数据可靠、震相记录清晰的45个地震进行研究。对于其中个别定位残差较大的地震，重新进行了地震震相的拾取，保障了地震观测数据的可靠性，保证了重定位结果的准确性^[⁶^]。

2.2 震中位置对比计算方法

按下式分别计算地球上任意两点给定经纬度后，计算两点间的距离采用以下计算公式。

（2-1）

式中Di为两点间的震中距离，单位为km。（φ1，λ1）表示采用全国统一编目测定正式结果的震中参考位置经度和纬度见表3，（φ2，λ2）表示BBVS-12和CTS-1E单台分析结果得到震中经度和纬度。依据此式分别求得表3、表4震中误差（KM）及震级误差。受篇幅所限，乡城台和巴塘计算结果表省略。

2.3结果分析

在相同速度模型的前提下，对上述选取整理好的资料分别采用单台软件MSDP中常用的定位方法进行重新定位。依据（2-1）分别求得和全国统一编目正式结果对比求得震中位移误差（KM）及震级误差，见表3、表4。根据3台计算震级和震中误差汇总得到了两套观测系统震级误差、震中误差（KM）对比见表5。从表5可看出震中位移平均误差、震级平均误差差别不大，两套系统定位结果差别不大。

表3 姑咱台（GZA）BBVS-120震中位移误差（KM）及震级误差

N	全国统一编目正式结果					姑咱（GZA）：BBVS-120单台分析结果					震级误差	震中误差（KM）
N	发震时间	φN/°	λE/°	ML	微观震中	发震时间		φN/°	λE/°	ML	震级误差	震中误差（KM）
1	01-09T00:50	30.387	102.534	3.1	四川宝兴	2016-01-09	00:50:54	30.45	102.47	2.8	0.3	9
2	03-19T10:54	29.619	101.985	3.5	四川泸定	2016-03-19	10:54:58	29.70	101.97	3.1	0.4	9
3	03-21T23:23	29.620	101.993	3.6	四川泸定	2016-03-21	23:23:27	29.65	101.88	3.5	0.1	11
4	03-24T01:55	29.607	102.016	4.2	四川泸定	2016-03-24	01:55:38	29.63	101.98	3.7	0.5	4
5	03-25T06:03	29.609	101.984	3.9	四川泸定	2016-03-25	06:03:54	29.68	101.91	3.8	0.1	11
6	05-05T04:39	30.364	101.616	3.5	四川康定	2016-05-05	04:39:40	30.30	101.59	3.6	-0.1	8
7	09-01T10:59	30.192	102.134	3.6	四川康定	2016-09-01	10:59:11	30.15	102.15	3.5	0.1	5
8	09-29T05:36	29.585	101.887	4.2	四川泸定	2016-09-29	05:36:28	29.60	101.87	3.7	0.5	2
9	12-08T16:09	30.408	102.574	3.2	四川宝兴	2016-12-08	16:09:29	30.57	102.33	3.4	-0.2	30
10	01-25T08:48	29.589	102.028	3.4	四川泸定	2017-01-25	08:48:46	29.68	101.90	3.3	0.1	16
11	02-17T11:12	29.586	102.023	3.8	四川泸定	2017-02-17	11:12:27	29.64	101.92	3.3	0.5	12
12	02-18T21:37	29.608	102.028	3.9	四川泸定	2017-02-18	21:37:22	29.66	101.84	3.3	0.6	19
13	02-20T08:43	29.593	102.027	3.3	四川泸定	2017-02-20	08:43:09	29.66	101.84	3.4	-0.1	20
14	03-19T16:32	30.480	102.889	3.5	四川宝兴	2017-03-19	16:32:26	30.48	102.89	3.2	0.3	0
15	05-21T13:24	30.246	102.980	3.2	四川芦山	2017-05-21	13:24:28	30.25	103.00	3.2	0.0	2
平均误差											0.2	10

表4 姑咱（GZA）CTS-1震中位移误差（KM）及震级误差

N	全国统一编目正式结果					姑咱（GZA）：CTS-1单台分析结果					震级误差	震中误差（KM）
N	发震时间	φN/°	λE/°	ML	微观震中	发震时间		φN/°	λE/°	ML	震级误差	震中误差（KM）
1	01-09T00:50	30.387	102.534	3.1	四川宝兴	2016-01-09	00:50:54	30.45	102.44	3.6	-0.5	11
2	03-19T10:54	29.619	101.985	3.5	四川泸定	2016-03-19	10:54:57	29.67	101.95	3.2	0.3	7
3	03-21T23:23	29.620	101.993	3.6	四川泸定	2016-03-21	23:23:27	29.63	101.90	3.5	0.1	9
4	03-24T01:55	29.607	102.016	4.2	四川泸定	2016-03-24	01:55:39	29.66	102.43	3.7	0.5	40
5	03-25T06:03	29.609	101.984	3.9	四川泸定	2016-03-25	06:03:54	29.67	101.92	3.7	0.2	9
6	05-05T04:39	30.364	101.616	3.5	四川康定	2016-05-05	04:39:41	30.33	101.62	3.7	-0.2	4
7	09-01T10:59	30.192	102.134	3.6	四川康定	2016-09-01	10:59:11	30.15	102.16	3.5	0.1	5
8	09-29T05:36	29.585	101.887	4.2	四川泸定	2016-09-29	05:36:27	29.59	101.87	3.8	0.4	2
9	12-08T16:09	30.408	102.574	3.2	四川宝兴	2016-12-08	16:09:29	30.56	102.39	3.4	-0.2	24
10	01-25T08:48	29.589	102.028	3.4	四川泸定	2017-01-25	08:48:46	29.64	101.96	3.3	0.1	9
11	02-17T11:12	29.586	102.023	3.8	四川泸定	2017-02-17	11:12:27	29.66	101.90	3.3	0.5	14
12	02-18T21:37	29.608	102.028	3.9	四川泸定	2017-02-18	21:37:22	29.66	101.85	3.3	0.6	18
13	02-20T08:43	29.593	102.027	3.3	四川泸定	2017-02-20	08:43:08	29.66	101.83	3.3	0.0	20
14	03-19T16:32	30.480	102.889	3.5	四川宝兴	2017-03-19	16:32:26	30.45	102.90	3.2	0.3	3
15	05-21T13:24	30.246	102.980	3.2	四川芦山	2017-05-21	13:24:27	30.09	103.01	3.2	0.0	18
平均误差											0.1	13

表5 姑咱、乡城、巴塘台两种地震计震级、震中误差（KM）对比表

震计	名称	事件1	事件2	事件3	事件4	事件5	事件6	事件7	事件8	事件9	事件10	事件11	事件12	事件13	事件14	事件15	均值
GZA：BBVS-120	震级误差	0.3	0.4	0.1	0.5	0.1	-0.1	0.1	0.5	-0.2	0.1	0.5	0.6	-0.1	0.3	0	0.2
GZA：CTS-1	震级误差	-0.5	0.3	0.1	0.5	0.2	-0.2	0.1	0.4	-0.2	0.1	0.5	0.6	0	0.3	0	0.1
GZA：BBVS-120	震中误差	9	9	11	4	11	8	5	2	30	16	12	19	20	0	2	10.5
GZA：CTS-1	震中误差	11	7	9	40	9	4	5	2	24	9	14	18	20	3	18	12.9
BTA：BBVS-120	震级误差	0	0	0	0	-0.8	-0.4	-0.5	-0.2	0	-0.4	-0.1	-0.2	-0.5	-0.1	-0.3	-0.2
BTA：CTS-1	震级误差	-0.2	-0.2	-0.1	-0.3	-0.7	-0.4	-0.4	-0.2	0	-0.3	-0.2	-0.3	-0.4	-0.1	-0.3	-0.3
BTA：BBVS-120	震中误差	92	120	61	302	82	677	85	430	21	7	292	84	29	170	540	167
BTA：CTS-1	震中误差	84	106	21	623	661	626	80	511	318	37	148	86	46	170	53	238
XCA：BBVS-120	震级误差	-0.7	-0.3	-0.8	0.3	-0.8	-1	-0.3	0.3	0.9	-1.2	0	-0.8	-0.5	0.4	-0.5	-0.3
XCA：CTS-1	震级误差	-0.7	-0.3	-0.8	0.4	-0.8	-1	-0.3	0.3	0.9	-1.2	0	-0.8	-0.5	0.2	-0.5	-0.3
XCA：BBVS-120	震中误差	59	84	28	33	60	14	26	47	36	106	34	118	71	11	17	49.6
XCA：CTS-1	震中误差	114	85	27	25	59	14	25	47	26	106	34	118	71	39	17	53.8

3 波形质量对比

受篇幅有限，以姑咱台（GZA）为例进行对比观测的两套观测系统2017年2月18日24点记录的一段波形数据进行对比为例，见图5。这两套观测系统所采用的地震计周期均为120s，在图5中可以清楚看到，两组波形无明显差异，几乎一致。表面上看，这两种地震计从地动信号的拾取至输出相差不大。通过环境地噪声水平计算，BBVS-120噪声均方值7.48E-08，CTS-1E噪声均方值5.17E-08，两种地震计得到台基噪声级别都为Ⅱ。从表6震中距（Δ）、方位角（Azi）、振幅、周期测定计算来看，两种波形记录质量几乎一致。

图5 姑咱（GZA）地震台BBVS-120和CTS-1记录的事件波形

表6 姑咱台（GZA）两种地震计震中距（Δ）、方位角（Azi）、振幅、周期对比表

台站代码	地震计	震中距（Δ）	方位角（Azi）	振幅(um/s)	振幅差	周期(s)	周期差
姑咱（GZA）	BBVS-120	100.51	59.3	33.96(SMN)	-0.65	0.11	-0.02
	BBVS-120	100.51	59.3	34.61(SMN)	-0.65	0.13	-0.02
	CTS-1E	100.51	59.3	53.02(SME)	-0.25	0.12	-0.02
	CTS-1E	100.51	59.3	53.27(SME)	-0.25	0.14	-0.02

4 运行率，脉冲标定、正弦标定数据处理

地震计连续稳定运行除了与台站环境、台站供电系统、传输方式及防雷保护等有关外，还与地震计自身运行稳定性有密切的关系。根据《数字遥测台网的建设与管理》的规定，无论台站还是台网，地震观测系统的年正常运行率应保证在95%以上，但对于地震计而言，理论连续稳定运行应达到100% 。统计2016～2017年期间3个台站运行率，CTS－1E与BBVS－120连续率平均值见表7，在一定程度上说明两款地震计在仪器自身运行稳定性上有较好的一致性。总体来讲CTS-1的连续率要高于BBVS-120。

表7 姑咱（GZA）、乡城台（XAC）、巴塘台(BTA)运行率对比表

N	台站名称	年份	地震计	运行率（%）
1	姑咱	2016-2017年	BBVS-120	99.9
			CTS-1E	100
2	巴塘	2017-2018年	BBVS-120	99.6
			CTS-1E	100
3	乡城	2016-2017年	BBVS-120	99.7
			CTS-1E	100

使用脉冲标定、正弦标定方法可对地震计系统响应进行分析处理，获得地震计的工作周期、阻尼等参数，用来检验地震计在低频段的频率特性，判断观测台站地震计的运行状态。为此对脉冲标定、正弦标定数据进行处理和统计，因设备使用时间较长，标定线圈自然老化，造成地震计灵敏度的变化率增大。对比两套设备脉冲标定的测试结果，地震计周期、阻尼误差与灵敏度的变化率都在±10%以内，标定线圈未受温差较大和线圈自然老化的影响，台站观测系统仪器响应较稳定。

5结论

通过对上述两类地震计各类参数及应用的对比分析，运行状况总体是达到观测精度的要求，运行稳定性能也能达到所期望的。两款地震计的计算工作周期、阻尼及频带响应参数基本符合我国现行地震台网观测系统规范要求，CTS－1E运行稳定性略优于BBVS－120。造成这种现象的原因是多方面的，包括地震计的结构、材料等因素。还有一个原因，不同的产品灵敏度、传递函数不同，而且同型号的不同个体也有差异。将数据用于一些较为精密的计算时是否产生误差，需要在今后工作中研究确定，而且对于这两类地震计在其他方面的一致性分析也有待研究。

两套观测系统都适合用于记录近远震的宽频带地震计。若需进一步提高这两款地震计在我国监测台网的运行质量和稳定性，进一步改善和改进地震计的运行环境是十分必要的，尤其是在地震计运行环境的台基干扰、恒温、湿度等因素需要改善。同时在台站统计获得台站震级较正标准是解决台站震级偏差的有效方法。

参考文献

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作者简介
姓名：李杰（1975.01.02），性别：男，民族：汉族，籍贯：四川康定，职务职称：工程师，学历：本科，研究方向:地震波形分析。

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CTS-1E与BBVS-120地震计性能对比分析