温度对数字石英水平摆倾斜仪观测资料的影响

王晓蕾刘 超谷国梁徐小远张隽威方燕勋1）中国北京100081中国地震局地球物理研究所2）中国天津300201天津市地震局3）中国北京100036中国地震局地震预测研究所4）中国浙江313000湖州地震台



温度对数字石英水平摆倾斜仪观测资料的影响

王晓蕾1), 2)刘 超3)谷国梁2)徐小远2)张隽威2)方燕勋4)
1）中国北京100081中国地震局地球物理研究所2）中国天津300201天津市地震局3）中国北京100036中国地震局地震预测研究所4）中国浙江313000湖州地震台

摘要以数字石英水平摆倾斜仪为研究对象，通过温度实验和地震台站观测，分析温度对水平摆倾斜仪输出信号的影响，从定量角度给出其影响频段，分析表明，温度对长周期地震观测仪器的影响是普遍存在且不可忽略的，开展温度对地震观测资料影响的定量研究，有助于科学评价观测仪器温度效应。

关键词温度实验；数字石英水平摆倾斜仪；温度效应

0 引言

长周期地震观测仪器的广泛应用，对地震台站观测环境提出更为苛刻的要求（中国地震局监测预报司，2003）。其中温度因素一直是地震观测学家关注的热点，温度对地震观测等精密测量仪器的材料性能、元件等参数的影响是普遍存在、不可忽视的（Jens Havskov，2007）。郭金华等（2003）、谢剑波等（2007）就温度对观测数据的影响做了相关观测实验与分析。《地震观测仪器进网技术要求》对地壳形变观测仪——倾斜仪（中国地震局，2008）的山洞测试环境明确要求：日温差不大于0.03℃。

对于形变观测仪器，观测记录数据应该扣掉固体潮及仪器温度飘移等影响观测的扰动成分，才能辨别是否为真正的形变异常，通常异常也是一个微小的观测量。因此，减小温度漂移等扰动影响对仪器的真正观测量尤为重要。在地震台站实际运行中，大部分仪器的观测效果和数据质量依赖于台站环境参数，目前观测数据并未扣除温度影响。温度对观测仪器的影响大多停留在定性认识，从定量角度开展研究较少。

SSQ-2I型数字传输石英水平摆倾斜仪是用于测量地球内部运动引起地面水平向倾斜变化的一种高灵敏度仪器，水平摆观测是进行地震前兆观测的重要手段之一。本文通过实验室测试和地震台站观测实验，初步定量分析温度对石英水平摆倾斜仪的影响。

1 温度变化影响

1.1 测试方法

选择中国地震局地震预测研究所地震观测技术研究中心的低噪声、无强震动、具有良好保温效果的温控测试实验室，于2010年12月1日至2011年1月31日进行温度对石英水平摆倾斜仪影响的静态测试实验，图1为实验示意图。图中1号和2号为两套工作正常的同型号石英水平摆倾斜仪，置于温度箱内，靠近侧壁，紧靠、并摆、同方位角摆放。经校准，使得两摆在合理误差范围内具有相同初始实验状态，以满足对比观测要求。两台水平摆倾斜仪输出端与数据采集器EDAS-24GN输入端相连接，设置采样率为1 Hz，将数据采集器放置在温度箱外，利用GPS保证数据采集器各通道时间的一致性。

图1　数字石英水平摆倾斜仪比测实验及实验温控箱Fig.1 Contrasting observation of horizontal pendulum tiltmeters and the temperature-control room

实验过程中，依次设定降温过程温度点：0℃、-5℃、-10℃；降温完成后，从-10℃开始设定升温过程温度点：-10℃、0℃、5℃。实验要求，温度达到设定点后关闭控温装置，经1—2 h静置，待温度场平衡后，分别读取水平摆倾斜仪1号和2号输出电压。

1.2 温度变化对石英水平摆输出影响

整理对比观测实验数据，见表1，利用Matlab软件编程绘制被测地震计3通道灵敏度温度特性曲线，见图2。设1号、2号数字石英水平摆输出分别为Y1、Y2，单位：10-3″。由表1粗略估计温度变化与石英水平摆输出变化量的关系，见表2。

表1　水平摆温度测试数据Table 1 Experimental data of temperature effects on the horizontal pendulum tiltmeter

表2　温度变化对石英水平摆输出影响估算Table 2 The estimation of temperature effect on the horizontal pendulum telemeter

实验分析表明：1号和2号石英水平摆均存在温漂现象，两台被测仪器随温度升高的变化趋势具有一致性，且仪器温漂系数存在个体差异性；该实验中，温度变化对石英水平摆输出影响在102量级水平（图2）。

图2　1号和2号石英水平摆输出随温度变化曲线Fig.2 Output signal of pendulum tiltmeter No.1 and No.2 with the temperature change

2 台站观测实验分析

2.1 台站观测实验

高质量的地震台站观测数据具有较高的研究价值，在此研究温度对石英水平摆倾斜仪输出信号的影响。2011年4月至2012年12月，选择浙江省湖州地震台水平摆倾斜仪观测洞室，进行宽频地震计BBVS-120、石英水平摆倾斜仪同台墩观测实验，见图3。其中，低温漂、分辨力达到0.001℃的精密测温电路板已改装到BBVS-120机壳内部，并通过数据采集器EDAS-24GN获取测温数据。实验获得地震计输出信号（VBB）、地震计加速度输出（VLP，零点监控信号）、BBVS-120内部同步高分辨温度数据、同台墩数字石英水平摆倾斜仪输出信号，采样率均为1 Hz。

图3　湖州地震台观测实验Fig.3 Observation experiment at Huzhou Seismic Station

取湖州地震台观测数据，获取温度信号和台基噪声，见图4。明显可见，温度信号噪声分辨率达0.05%，即测温分辨达0.000 5℃，电路设计满足0.001℃测温分辨率的设计要求；从台基噪声分析可知，地震计BBVS-120在台站观测实验期间工作正常。

取湖州地震台2011年7月1日至7月4日东西向秒采样观测实验数据，在Matlab环境下，编程得到石英水平摆倾斜仪东西向（EW）潮汐曲线，并将曲线的毛刺处尖峰局部信号放大，见图5，展示了较为光滑的东西向固体潮曲线，毛刺放大图显示其周期约12.6 s，为摆体自身谐振周期，毛刺为地震发生造成，显示石英水平摆具有较高的灵敏度。

2.2 频域角度分析

引入相干函数分析方法，研究数字石英水平摆倾斜仪输出信号与温度变化之间的关系。相干函数Cxy(ω)为0—1的实数，用于检测信号x(t)和y(t)在频域内的相关程度。尝试从温度信号和石英水平摆倾斜仪输出信号相干性分析，得出温度对石英水平摆倾斜仪输出信号影响的频段范围。

图4　湖州地震台实验温度及台基噪声曲线Fig.4 The curves of experimental temperature and noise of Huzhou Seismic Station

图5　数字石英水平摆倾斜仪输出信号(a)秒值变化曲线；(b)尖峰局部放大Fig.5 Output signal of digital quartz horizontal pendulum tiltmeter

取湖州地震台2011年7月1日00时至01时实验数据，在Matlab环境下，编程得到温度信号和石英水平摆倾斜仪东西向（EW）、南北向（NS）输出信号相干函数曲线，见图6。由图6可知，水平摆倾斜仪输出信号与温度信号在0.004—0.05 Hz频带内具有较好的相关性。该分析表明，温度对石英水平摆倾斜仪输出信号的影响确实存在，且不可忽略。

该台站实验数据分析结果表明，在0.004—0.05 Hz频带内，温度是水平摆倾斜仪输出信号的主要影响因素，可以进一步研究温度对水平摆倾斜仪输出信号的影响量级。

图6　温度和石英水平摆倾斜仪输出信号相干函数曲线Fig.6 The coherence function curve of temperature signal and quartz horizontal pendulum tiltmeter’s output signal of East-West (EW) and North-South (NS)

在 ＞100 s的频段范围内，定义石英水平摆输出量对温度的灵敏度为ST，功率谱估计为ST(ω)，评价温度变化对数字石英水平摆输出信号的影响水平。分析可知，此频段内温度变化信号可以看作石英水平摆输出的主要信号源，根据系统输出功率谱相关定义，可知

其中Pax(ω)为数字石英水平摆地倾斜量功率谱估计，PT(ω)为温度变化信号功率谱估计。

取2011年7月3日00:00—23:59数据，在Matlab环境下，根据公式（1）编程处理，得到石英水平北南向（NS）、东西向（EW）输出信号对温度的灵敏度幅频特性曲线，并将大于100 s频段的曲线列出，见图7。图中，NS向、EW向输出对温度的灵敏度系数，在频率0.079 Hz左右（即12.6 s）存在尖峰，该频率点不在本研究讨论的频率范围内，推测该尖峰由非温度因素引起。

图7　石英水平摆输出信号对温度变化的灵敏度功率谱估计Fig.7 The spectral estimation of the temperature effect on the quartz horizontal pendulum tiltmeter’s output signal of East-West (EW), and North-South (NS)

统计石英水平摆EW向输出信号对温度变化的灵敏度系数分别在10-4—10-2Hz频段的取值范围，见表3。

表3　ST(ω)在0.000 1—0.01 Hz频段的取值Table 2 Effect of temperature on the horizontal pendulum telemeter in frequency range of 0.000 1—0.01 Hz

实验数据分析表明，温度对数字石英水平摆输出信号的影响水平，在10-3—10-2Hz频段范围内，取值在103（10-3″/℃）量级水平上；在10-4—10-3Hz频段范围内，取值在102（10-3″/℃）量级上。该分析结果与本文标题1.2分析结果一致，即台站观测数据与实验室温度实验数据的分析结果一致。

3 结论

综上所述，温度对石英水平摆倾斜仪的影响确实存在，且不可忽略。通过分析可以得出以下结论：①在 ＞100 s频带内，温度是水平摆倾斜仪输出信号的主要影响因素；②在102—103s（＜1 h）频带内，温度变化对水平摆倾斜仪输出信号影响在103（10-3″/℃）量级水平；③在103—104s（＞1 h）频带内，温度变化对水平摆倾斜仪输出信号影响在102（10-3″/℃）量级水平。即周期为103—104s的温度变化信号，温度变化0.01℃，可能引起数字石英水平摆1—9（10-3″）的误差，周期为102—103s的温度扰动信号，温度变化0.01℃，可能引起数字石英水平摆10—99（10-3″）的误差。印证了中国地震局在《地震观测仪器进网技术要求》中关于地壳形变观测仪——倾斜仪（中国地震局，2008）的山洞测试环境明确要求：日温差不大于0.03℃。

由于地震观测系统大量引入宽频观测仪器，使得现代地震主要是慢变量观测，因此对温度影响参量的评估比较有意义。开展温度、气压等环境因素对地震观测资料影响的研究，有利于提高地震观测技术人员对观测仪器工作状态、观测数据质量的认识水平以及对震兆异常资料的识别水平。

参考文献

郭金华，刘宁，池建军. 台站环境实时监测的重要性及其作用[J]. 地震地磁观测与研究，2003，24（3）：81-86.

谢剑波，何寿清，等. 宽频带地震计的安装[J]. 地震地磁观测与研究，2007，28(1)：57-62.

中国地震局监测预报司. 数字地震观测技术[M]. 北京：地震出版社，2003：1-2.

中国地震局. 地震观测仪器进网技术要求——地壳形变观测仪：倾斜仪[S]. 北京：地震出版社，2008.

Jens Havskov, Gerardo Algvacil著，赵仲和，赵建和译. 地震观测技术与仪器[M]. 北京：地震出版社，2007.

Effect of temperature on observation data of digital quartz horizontal pendulum tiltmeter

Wang Xiaolei1), 2)，Liu Chao3)，Gu Guoliang2)，Xu Xiaoyuan2)，Zhang Junwei2)and Fang Yanxun4)
1) Institute of Geophysics，China Earthquake Administration， Beijing 100081， China 2) Earthquake administration of Tianjin Municipality， Tianjin 300201， China 3) Institute of Earthquake Science， China Earthquake Administration， Beijing 100036， China 4) Huzhou Seismic Station， Zhejiang Province 313000， China

Abstract

In this paper， we take the digital quartz horizontal pendulum tiltmeter as the research object. Through analysis of the experimental and station observation data， we get the influence of temperature on output signal of the horizontal pendulum tiltmeter. And we quantitatively study the effect of temperature on the frequency band range of the horizontal pendulum tiltmeter’s output signal. The results show that the effect of temperature on long period seismic observation instrument is universal and cannot be ignored. Continuous research on the effect of temperature on the seismic observation data will help us evaluate the temperature effect of the observation instrument more scienti fi cally.

Key words：temperature experiment，digital quartz horizontal pendulum tiltmeter，temperature effect

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 016

基金项目：天津地震局青年基金（20131009）和2014年度地震应急青年重点任务（CEA_EDEM-201401）共同资助

作者简介：王晓蕾（1985—），女，中国地震局地球物理研究所在职博士，目前就职于天津地震局滨海地震台，工程师，主要从事地震观测研究工作。E-mail：tjuwangxiaolei@163.com

本文收到日期：2014-10-29