不同供电方式对测震波形记录影响的对比分析

李小军，李冬圣，蔡玲玲，李文军，武有文

（1.河北省地震局，石家庄 050021；2.承德地震中心台，河北 承德 067000）

0 引言

地震观测是地震速报、地震应急、地震科学研究等的首要环节，地震观测波形的记录质量直接关系到数据使用的可靠性及便捷性［1－2］。测震学科中，在地震专业设备如地震计、数据采集器等技术相对比较成熟的大背景下，本文通过对比和分析不同供电对地震计波形记录的影响，就如何进一步提高测震波形记录质量，及供电方式的选择与策略方面给出了一定参考。

1 研究方法

1.1 实验技术系统及电源供电方式

专业设备技术系统构成：FBS－3B宽频带地震计（双端输出，周期20s，电压灵敏度1 000V·s／m）与EDAS－24IP数据采集器（双端输入，±20V，100 Hz）（图1）。

图1 实验技术系统构成示意图

参与对比研究的供电方式：开关电源供电、DZ－2地震专业电源供电、蓄电池供电、线性直流稳压电源供电。

1.2 实验设计及数据处理方法

在不同的供电方式下，用1台六通道的EDAS－24IP数据采集器同时长时间采集FBS－3B地震计的输出信号及供电设备的直流输出信号，六通道采样频率均为，对不同供电模式选取相同时段记录数据分别计算功率谱密度，并采用相关性分析得出地震计各方向记录信号与电源输出之间的平方相关函数。

功率谱密度估计是使用有限长度的数据，给出信号、随机过程的频率成分分布的描述。为随机信号的自相关函数，是的Fourier变换，称为的自功率谱密度（自功率谱），是信号的平均功率相对频率的分布函数，具体见公式（1）。

平方相关函数又称为相关函数（coherence function），如公式（2）：

式中：Pxy（ω）是x（t）和y（t）的互功率谱密度；Pxx（ω）、Pyy（ω）分别为x（t）、y（t）的自功率谱密度；相关函数Cxy（ω）为0～1的实数，用Cxy（ω）来检测信号x（t）和y（t）在频域内的相关程度。若y（t）为x（t）的线性响应，则Cxy（ω）＝1，若x（t）和y（t）完全不相关，则Cxy（ω）＝0，通常的测试过程中0 ＜Cxy（ω）＜1，表明：x（t）和y（t）不完全是线性相关的；系统输出y（t）是由x（t）和其他信号共同得到的；在输出端有噪声干扰混入［3］。

2 实验过程及数据处理

2.1 采用开关电源直接供电

近年来，开关电源以其频率高、效率高、体积小、输出稳定等特征被广泛应用，但由于开关电源工作在高频状态，并且开关电源的电流变化率和电压变化率都很高，使得开关电源存在易产生较强电磁干扰（EMI）信号的情况。EMI信号不但具有很宽的频率范围，还具有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰［4］。在测震地动噪声中经常看到的波形粗且不清晰现象，很多就是由于电源的MOSFET 功率开关在关断时产生的尖峰脉冲导致的［5－6］。在图2中可以看出，在开关电源供电的模式下，地震计三分向输出信号的功率谱密度在3Hz和38Hz左右出现了较高值，说明地震计三分向输出的信号在3 Hz和38Hz左右具有较高能量；开关电源输出信号的功率谱密度在5Hz以后变化趋势较缓，且都在地震计三分向输出信号以下。图3中将地震计三分向输出信号分别与开关电源的输出信号进行了互相关计算，从计算结果可以看出地震计三分向输出信号在1 Hz附近和45Hz以后才与开关电源的输出信号有较高的相关系数，说明图2中地震计三分向输出信号的功率谱密度在3Hz和38Hz左右出现的较高值不是由开关电源的输出信号引入。

图2 在开关电源供电方式下地震计三分向输出信号及开关电源输出信号的功率谱密度曲线图

图3 开关电源供电方式下开关电源输出信号与三分向输出信号的相关函数（采样频率100Hz）

2.2 采用DZ－2型地震专用电源供电

DZ－2型地震专用电源以交流为输入，内置开关电源模块和充放电控制板，通过充放电控制板来控制设备供电及对电瓶的充放电，采取了交直流隔离和电池转换技术，用2 组蓄电池，1 组充电，1 组使用，用电设备只用蓄电池供电，与交流电隔离，防止交流信号的干扰。在图4中可以看出，在DZ 电源供电的模式下，地震计EW 分向及NS分向输出信号的功率谱密度在3Hz、36Hz及40Hz左右出现了较高值，说明地震计EW 分向及NS分向输出的信号在3 Hz、36 Hz及40 Hz左右具有较高能量；DZ电源输出信号的功率谱密度在5 Hz以后出现多次波动，应该与其输出电路设计有关。图5中将地震计三分向输出信号分别与DZ电源的输出信号进行了互相关计算，从计算结果可以看出地震计三分向输出信号在1 Hz以下才与DZ 电源的输出信号有较高的相关系数，说明图4中地震计EW 分向及NS分向输出信号的功率谱密度在3 Hz、36 Hz及40Hz左右出现的较高值不是由DZ电源的输出信号引入。

图4 DZ电源供电方式下地震计三分向输出信号及DZ电源输出信号的功率谱密度曲线图

图5 DZ－2型电源供电方式下电源输出信号与三分向输出信号相关函数（采样频率100Hz）

2.3 采用蓄电池直接供电

使用1块80Ah、12V 的蓄电池对数据采集器供电，由数据采集器采集FBS－3B 宽频带地震计三分向信号以及蓄电池电压信号。在图6 中可以看出，在蓄电池供电的模式下，地震计EW 分向及NS分向输出信号的功率谱密度在3 Hz及38Hz左右出现了较高值，说明地震计EW 分向及NS分向输出的信号在3Hz及38Hz左右具有较高能量；蓄电池输出信号的功率谱密度在5 Hz以后变化趋势较缓，且基本都在地震计三分向输出信号以下。图7中将地震计三分向输出信号分别与蓄电池的输出信号进行了互相关计算，从计算结果可以看出地震计三分向输出信号在1 Hz以下才与蓄电池的输出信号有较高的相关系数，说明图6中地震计EW 分向及NS分向输出信号的功率谱密度在3Hz及38Hz左右出现的较高值不是由蓄电池的输出信号引入。

图6 蓄电池供电方式下地震计三分向输出信号及蓄电池输出信号的功率谱密度曲线图

2.4 采用线性直流电源供电

图7 蓄电池供电方式下蓄电池输出信号与地震计三分向输出信号相关函数（100Hz）

线性直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。本次试验采用的线性稳压直流电源是茂迪（宁波）电子有限公司生产的LPS－305线性直流电源。在图8中可以看出，在线性直流电源供电的模式下，地震计三分向输出信号的功率谱密度在3Hz和38Hz左右出现了较高值，说明地震计三分向输出的信号在3Hz和38 Hz左右具有较高能量；线性直流电源输出信号的功率谱密度在2Hz以后变化趋势较缓，且都在地震计三分向输出信号以上，说明线性直流电源的输出信号在2～50Hz间能量平稳。图9中将地震计三分向输出信号分别与线性直流电源的输出信号进行了互相关计算，从计算结果可以看出地震计三分向输出信号在1 Hz以下和45Hz以上才与线性直流电源的输出信号有较高的相关系数，说明图8中地震计三分向输出信号的功率谱密度在3Hz和38 Hz左右出现的较高值不是由线性电源的输出信号引入。

图8 线性直流电源供电方式下地震计三分向输出信号及线性直流电源输出信号功率谱密度曲线图

2.5 实验结果分析

根据实验数据计算的功率谱密度结果，可以看出在不同供电模式下地震专业技术系统三分向记录的功率谱密度形态基本一致，但线性直流电源供电方式下的地震计三分向输出信号功率谱密度相对较低；4种电源输出的功率谱密度，开关电源和蓄电池供电的在4种电源中相对较低，DZ－2型电源自噪声居中，线性直流电源最高，DZ－2型电源输出信号功率谱密度有多个波动。

图9 线性直流电源供电方式下线性直流电源输出信号与地震计三分向输出信号相关函数

图10 四种电源功率谱密度估计

根据相关函数结果可看出，开关电源供电模式和线性直流稳压电源供电模式下，在0.4 Hz、46～50Hz三分向记录与电源输出信号之间出现了比较高的相关系数；DZ－2型电源供电模式和蓄电池供电模式下，在0.4Hz处三分向记录与电源输出信号之间相关系数较高。

3 结论

测震技术系统信号记录与观测环境的电场及磁场分布有很大的关系，供电设备输出信号噪声的高低不能完全体现供电设备优劣，还应与用电设备组合来分析实用效果。本文通过实验对电源输出信号和地震三分向输出信号进行比较分析，发现在100Hz采样频率下通过采用交直流隔离、直流直流隔离的纯电瓶供电方式，能够有效得减少由电源传导及耦合到观测系统产出信号中的高频分量，排除了上文中所列四种电源在正常工作情况下对使用100Hz作为采样频率的观测系统产出数据的影响，为进一步研究高采样下供电环境与观测系统数据产出的关系打下了基础。

［1］ 胡米东.江苏省部分地震台站CMG－3TB地震计监测能力对比分析［J］.华北地震科学，2013，31（1）：64－68.

［2］ 李小军，李庆武，李冬圣，等.UPS设备对测震台站信号影响的分析［J］.华北地震科学，2012，30（3）：19－21.

［3］ 万永革.数字信号处理的MATLAB实现.北京：科学出版社，2007.

［4］ 朱鹏涛，王大伟，闫民华，等.开关电源中开关管及二极管EMI抑制方法分析研究［J］.电源世界，2009（10）：40－42，33.

［5］ 甘明，李晓莉.同步Buck型开关电源纹波电压抑制方法［J］.电力电子技术，2007，41（5）：51－52.

［6］ 戚浩，夏仕安，张炳，等.省级测震台网系统维护新方法的研究［J］.华北地震科学，2012，30（3）：48－50.