内蒙古区域背景噪声特征分析

安 全，赵艳红，苏日亚，学 峰，宋晓燕

（内蒙古自治区地震局监测中心，呼和浩特 010010）

0 引言

内蒙古地震局地震预警与烈度速报项目现已进入土建、仪器安装阶段，随着该项目的建设与投入使用，今后地震监测台网的主要任务将是地震预警、地震烈度速报、地震监测及地震研究，这些任务的实现均依赖于地震台网台站观测数据。数据质量高低与台站布局是否合理直接影响到上述台网工作的质量，而背景噪声是影响地震观测数据质量高低的主要因素。为提高台站观测数据质量，台站建设前进行台站勘选，目的主要是为了降低背景噪声，提高数据使用效能。因此对台站背景噪声水平进行实时分析、掌握观测动态范围是十分必要的。

地震观测环境背景噪声影响台站的观测能力和地震波观测动态范围。背景噪声越大，从地震记录中识别小地震事件越难，振幅低于台站背景噪声的地震波形将被淹没在背景噪声中而无法识别,即背景噪声越大，监测小地震事件的能力越弱，观测动态范围越小。地球表面，总是存在着微小的振动，例如风、寒潮、海浪、交通运输、人和动物的活动等，都会引起地表微微颤动，它们对地震观测造成干扰而影响地震观测的效果，通常称这些干扰为地震噪声（地噪声）或环境背景噪声，有时也称为地脉动。短周期的台站背景噪声有其天然的原因，如风、湍急的水流等，另一个主要来源是人类活动，如大型机械、公路和铁路交通等。在长周期段，水平向噪声比垂直向噪声要大的多，这主要是由于倾斜产生的，倾斜可以由交通、风、日照和当地大气压力起伏所引起[1]。

Peterson 等人通过对全球正常背景噪声功率谱（PSD）的研究，给出了全球低噪声新模型（NLNM）和高噪声新模型（NHNM）[2]，已被广泛应用于地震台站噪声水平评价；McNamara 等提出了地震噪声功率谱 概率密度函数（Probability Density Function，PDF）方法[3]，可用于台站噪声水平和波形质量的测定， 并 在GSN（ Global Seismographic NetWork）与ANSS（Advanced National Seismic System）等台网应用于日常仪器工作检测。目前PDF 方法被美国地质调查局国家信息中心（USGS National Earthquake Information Center）、IRIS 数据管理中心以及新西兰地震台网用于地震台站背景噪声水平评价，也被用于美国[4]、意大利[5]、新西兰[6]、伦敦中部地区[7]的地震环境噪声特征分析。福建省地震局2008 年应用PDF 方法自动处理地震台站勘选数据，2010 年应用PDF 方法检测了地震仪器系统工作状态，2017 年应用PDF 方法开展实时波形数据质量自动监控[8-10]；2013 年江苏省地震局结合JOPENS 系统，利用Matlab平台研发了运用PDF 方法自动计算背景噪声，从而实现了对数字地震台网观测系统健康状态以及背景噪声源准实时监控[11]；2007 年河北省地震局分析了数字地震台网子台地动噪声水平[12]；2009 年天津测震台网分析了子台地脉动[13]；2019 年北京测震台网分析了台基背景噪声特征[14]。本文应用PDF 方法，计算了内蒙古现运行48 个测震台站0.01～20 Hz频带范围内的功率谱密度（PSD）和1～20 Hz 频带范围内噪声均方根（RMS）值，定量分析了内蒙古区域背景噪声水平。

1 内蒙古测震台网现状概述

内蒙古测震台网包括48 个测震台站（图1）和1 个台网中心，其中宽频带记录台站31 个，甚宽频带记录台站15 个，超宽频带记录台2 个；地面台26 个，山洞台20 个，井下台2 个；平均台间距为160 km；台站分别配置了港震公司生产的EDAS-24IP、EDAS-24GN、CMG-DM24 数据采集器；配置的地震计型号有：30 个台配置BBVS-60 地震计、1 个台配置BBVS-60DBH 井下地震计、8 个台配置BBVS-120 地震计、3 个台配置CTS-1 地震计、1 个台配置CTS-1EF 地 震 计、2 个 台 配 置ITC-120A 地 震 计、2 个台配置JCZ-1T 地震计、1 个台配置GL-S120B井下地震计。为了更好地监测省界地震，从周边8 个省接入了62 个台站数据。最终，内蒙古测震台网共汇集、处理110 个台站数据。

图1 内蒙古测震台站分布图

2 原理和方法

2.1 数据预处理

从内蒙古测震台网JOPENS 系统流服务器读取原始波形后，进行预处理。对波形数据进行去均值、去长周期成分，并将原始波形分段。前人对于噪声的研究中，多数会将观测系统的瞬态变化、仪器毛刺（如数据记录阶跃、限幅、尖峰、标定）等信号去除。本文在数据处理过程中，使用McNamara等[3]提出的PDF 方法，该方法认为上述信号出现的概率相对纯粹的背景噪声是小概率事件，计算中的连续波形数据可以不全是纯粹的背景噪声，而上述信号也将被包含在里面，从而可以更科学地评估台站的噪声特性。

2.2 功率谱密度的计算

对周期时间序列 y(t)的有限范围傅里叶变换可表示为

式中： Tr为 时间序列段长度， f为频率。

对离散频率值 fk，傅里叶变换定义为

式中：fk=k/（NΔt），其中k=1, 2, 3，···，N-1；Δt 为采样间隔（0.01 s），N=Tr/Δt 为截取时间段的采样点数。

根据维纳-辛钦定理，功率谱密度（PSD）定义为

将速度PSD 值转换为加速度PSD，采用以下公式

需要扣除仪器传递函数影响，以反映真实地动噪声物理量值

式中： PSDα(f)为真实地面运动加速度功率谱。

2.3 平滑处理

为了得到PSD，在频域对数坐标中呈等间隔采样，本文采用1/3 倍频积分作为平滑处理：

式中： fl=2−1/6fc为 低频拐角频率； fh=21/6fc为 高频拐角频率；n 为介于二者之间频率 f 的个数。由（6）式得到中心频率 fc的 PS Dα(f) 平 均值 PS Dα(fc)。作为 fc的 加速度功率谱密度的PSD 值，中心频率 fc以1/9 倍频程为增加步长，即下一个中心频率 fc=21/9fc，重新计算相应的 fl和 fh； 然后将新的 fl和 fh之间的PSD 值平均值作为下一个中心频率 fc的PSD 取值。这样，在 fc的取值范围0.02～40 Hz 内，每个记录段的PSD 值随频率变化情况可由在对数坐标系呈等间隔采样的中心频率的PSD 值来表示。

2.4 概率密度函数计算

每个中心频率 fc的PSD 概率密度函数为：

式中： Nfc为 fc的 频点的记录段总数； NPfc为 fc的频点的PSD 值落在某PSD 取值范围内的记录段个数，在本研究中PSD 窗长与步长都取1 dB，变化范围为-200～-50 dB。然后，以频率为横坐标、以PSD 为纵坐标、以 PPSD(fc)色块颜色深浅绘制三维平面图，得到功率谱概率密度函数（PDF）分布图，不同色块代表某频点在一定PSD 窗内功率谱概率数。

台站环境背景噪声水平的速度均方根值（RMS），根据Bormann[15]提出的下式进行计算，

式中： RBW=(fh−fl)/fc为相对宽度。

3 噪声特征分析

以内蒙古测震台网JOPENS 系统为基础，以波形数据质量分析软件（Continuous Wave Quality Look，简称CWQL）为支撑[11]，从JOPENS 系统mysql 数据库实时读取48 个台站参数，从流服务获取48 个台站实时数据，准实时自动绘制各台站各通道PSD 值和PDF 图；计算1～20 Hz 频段背景噪声水平速度均方根（RMS）值，并存储结果；从结果中读取2020 年5 月1—7 日7 天结果数据，从中挑选三分向RMS 平均值最低和最高各8 个台站，再从16 个台站中挑选相对高噪声和低噪声各4 个台垂直向（BHZ）和南北向（BHN）PDF 图进行噪声特征分析。

3.1 RMS 值计算

统计了内蒙古测震台网48 个测震台站信息，取2020 年5 月1—7 日连续7 天观测数据三分向中1～20 Hz 频段背景噪声，计算其速度均方根（RMS）值，并将三分向RMS 平均值由低到高排序（表1）。

3.2 PDF 图分析

表1 48 个台站2020 年5 月1—7 日1～20 Hz 频段RMS（m/s）值

续表1

图2 四个高噪声台南北向（BHN）和垂直向（BHZ）PDF 图

图3 4 个低噪声台南北向（BHN）和垂直向（BHZ）PDF 图

从表1 中挑选RMS 值较高和较低的台各4 个，画出该8 个台南北向和垂直向PDF 图（图2～3），并进行噪声特征分析。其中，图2 为相对高噪声台南北向和垂直向PDF 图；图3 为相对低噪声台南北向和垂直向PDF 图。

由图2 和表1 可知：

1）该4 个高噪声台，在1 Hz 以上的频段各台站两分向PSD 图形状和幅度基本一致，幅度明显有个台阶性的上升，并接近全球高噪声模型NHNM，个别台站甚至高出该模型，PDF 值也比较集中在一定数值范围，通过Google Earth 地图输入对应台站经纬度，查看台站附近较大村庄、县级以上公路等干扰源距离，发现该频段随着台站与干扰源距离由远到近，PSD 值拐角频率由低频到高频方向移动；

2）在低频段，地面台站南北向和垂直向PSD 值有一定的差距，南北向PSD 值明显高于垂直向值，而山洞和井下台2 分向PSD 值基本一致，这与地面台恒温、恒湿效果不如山洞台好有关，而清水河台虽然观测方式为山洞，但低频段受影响明显大于赤峰台，这是由于清水河台山洞深度（8 m）不够深造成的。

由图3 和表1 可知：

1）低噪声台在整个频段PSD 值较平稳，没有像高噪声台那么大的幅值段，PDF 值较集中，只有乌力吉和额肯呼都格台南北向低频段和乌加河台两分向2～5 Hz 段及额肯呼都格台2～4 Hz 段幅度偏高一些，这是因为乌力吉和额肯呼都格台属于地面观测，低频段南北向受温度和湿度影响造成的，而乌加河台2～5 Hz 段及额肯呼都格台2～4 Hz 段是因为受较远处的公路影响造成的，且受影响有限；

2）相较于高噪声台PDF 图，并通过Google Earth 地图查看台站周围环境可知，低噪声台站距离村落及县级以上公路至少1 km 以上，而大部分高噪声台站距离村落和县级以上公路较近，基本在0.5 km以内。

4 结论

通过计算内蒙古自治区现运行48 个测震台站0.01～20 Hz 频带范围内的功率谱密度和1～20 Hz频带范围内噪声均方根值，定量分析内蒙古区域背景噪声水平，得出以下结论。

1）参照GB/T 19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求第1 部分：测震》，内蒙古地区台站背景噪声水平较好，在1～20 Hz 段台站最低平均噪声水平为2.06×10-9，属于Ⅰ类噪声水平；台站最高平均噪声为7.49×10-8，属于Ⅱ类噪声水平。内蒙古区域48 个台站中，平均噪声水平属于Ⅰ类的台站有45 个，Ⅱ类3 个。

2）内蒙古地区高噪声台站主要受交通和人为活动影响，其中受交通影响大于人为活动；

3）内蒙古地区低噪声台站主要分布在距离村落和交通较远的偏远地区；

4）内蒙古地区山洞台站在低频段受温度和湿度影响要比地面台小很多，山洞越深受影响越小；

5）内蒙古地区地面台水平向噪声水平要比垂直向受温度和湿度影响大。