烈度计台网数据质量分析与异常检测

方一成 周蓝捷 方伟华 王遹其 薛蕾

1.福建省海洋地震观测中心；2.中国地震局厦门海洋地震研究所

福建省当前共有一般站观测点1100 个，使用三种不同的地震烈度计，分别是300 台Palert、310 台TMA-33、290 台VH-GL-LDY 以及待建设200 台。其中Palert 使用电信有线网络连接，TMA-33 和VH-GL-LDY 通过接入铁塔集团FSU 使用无线网络方式连接，同时烈度计台网包含多个供应商硬件和设备、多种基础设施，烈度计亦有不同的安装方式。在台网运行过程中，部分站点受背景噪声、仪器自噪声、安装情况等因素影响，掉线较为频繁，波形出现异常，影响地震烈度速报及日常运维工作，而当前对烈度计的相关异常检测方法较少。本文对福建省900 个一般站观测数据进行分析处理，通过Python 编程实现一般站地震数据自动化处理，通过Pwelch 法分析烈度计噪声水平，比较分析三种不同型号烈度计传感器性能，对900 个一般站进行噪声异常检测，确定问题站点，提高运维效率。

1 概述

1.1 烈度计台网基本情况

2015 年福建简易烈度计示范项目300 个一般站，覆盖厦漳泉莆地区，使用Palert 地震烈度计；2020 年6 月30 日，国家地震烈度速报与预警工程子项目完成600 个一般站的建设，覆盖福建全省，使用TMA-33、VH-GLLDY，通过接入铁塔集团FSU（基站智能动环监控单元）实现网络管理与数据传输。

如图1 所示烈度计型号分别为Palert、TMA-33、VH-GL-LDY。

图1 福建省一般站所用简易烈度计Fig.1 Simple intensity meter for general station in Fujian Province

1.2 国内外研究现状

烈度计的相关数据处理包括运行连续率、仪器性能指标、波形记录、发生地震事件波形记录、噪声相关处理等。1993 年，Peterson 研究全球范围地震台站的环境噪声功率谱密度，提出了地球低噪声新模型和地球高噪声新模型。2004 年，McNamara 和 Buland 提出了一种新的统计方法，通过计算概率密度函数来评估给定地震台站的全范围噪声[1]。目前，概率密度函数方法被国内外等多个国家广泛应用于地震台站背景噪声水平评价及地震环境噪声特征分析。2006 年，Marzorati S 通过功率谱概率密度函数分析研究了意大利中北部背景地震噪声，受到昼夜变化、季节变化、风暴等因素影响[2]。2012 年，Rastin S J 使用PDF 方法分析了新西兰北岛国家地震台网五年记录，通过噪声的每日变化和季节性变化，评估地震检测能力[3]。2019 年王芳等人利用中国地震台网两年内连续波形记录，通过计算噪声功率谱密度和概率密度函数，对中国大陆地区的台基噪声水平进行了初步分析[4]。2014 年曲明哲等人研究了简易烈度计中使用的MEMS 加速度传感器噪声问题，通过理论分析和实测背景噪声，对不同的加速度计进行噪声记录和噪声谱分析，得到在特定带宽内MEMS 加速度计的噪声水平[5]。2019年许可等人在天津建设了80 个简易烈度计点，进行地震观测，与测震台、强震台共同组成天津地震预警观测网，研究烈度计数据记录、仪器性能指标及噪声水平[6]。2019年柳艳丽等人通过设计烈度计台站远程监控系统，实现对台站供电、网络、I/O 开关量、烈度计状态等信息的采集及远程控制等功能，并在天津烈度计台网进行部署，提高了故障排查及维护效率[7]。

2 烈度计台网噪声分析及异常检测

本文使用pwelch 法计算功率谱。周期图法是将输入的地震数据进行离散傅里叶变换，再以系数等价功率谱的方法。Welch(加窗平均周期图法)是一种周期图法的改进方法，先使相关地震数据x(n)在进行周期图法计算功率谱之前，乘以窗函数w(n)（n=0，1，…，N-1）,使数据每段数据有一定的重叠率。周期图法的曲线波动更大，即方差更大，Welch 法的曲线更加平滑，即方差较小。

pwelch 法利用Welch 平均功率图法返回地震数据的功率谱密度。不定义其他参数，对相关数据使用pwelch函数，地震数据x将被分成8 段，相关片段的重叠率为50%。当输入的地震数据无法分为满足50%重叠的8 个片段时，pwelch 函数会对数据进行相应的自动裁剪。当输入数据x是向量时，它被当做一个单通道信号，当x是矩阵时，x的每一列被当做一个通道的信号，其psd结果相对应与psd的每一列。如果x是实值信号，则pxx是单边谱估计。如果x是复数信号，则pxx是双边谱估计。

pwelch 相关参数设置如下：

pxx为功率谱估计值，f为pxx值所对应的频率点，fs为绘制功率谱曲线的抽样频率，默认数值为1。

通过pwelch 法对900 个一般站数据进行噪声水平处理分析。三种地震烈度计使用的传感器都是三分量MEMS加速度计。对某一时段900 个一般站烈度计数据进行噪声水平处理分析，如图2 所示。在0.2 ～10Hz 范围内，900个一般站烈度计整体噪声水平范围约40 ～80db。

图2 900 个一般站地震烈度计噪声密度曲线Fig.2 Noise density curve of seismic intensity meter at 900 general stations

一般站地震烈度计分为三种型号：即Palert、TMA-33 和VH-GL-LDY。在程序中设置对应烈度计型号的灵敏度参数，对同一时段三种不同型号烈度计数据分别进行噪声处理分析及异常检测。具体结果如图3、图4、图5 所示。

图3 Palert 地震烈度计噪声密度曲线Fig. 3 Noise density curve of Palert seismic intensity meter

图4 TMA-33 地震烈度计噪声密度曲线Fig. 4Noise density curve of TMA-33 seismic intensity meter

图5 VH-GL-LDY 地震烈度计噪声密度曲线Fig. 5 Noise density curve of VH-GL-LDY seismic intensity meter

对比三种不同型号的烈度计噪声曲线及功率谱，在0.1 ～10Hz 频率范围内，300 台Palert 地震烈度计的等效动态范围约为40 ～82db；310 台TMA-33 约在50 ～75db之间；290 台VH-GL-LDY 约在48 ～75db 之间，均有部分站点存在噪声异常情况。参考国内外对各类加速度计的噪声谱图，Palert、TMA-33、VH-GL-LDY 所使用的加速度计均属于民用及消费品级MEMS 加速度计，因所处理的地震数据带有大量真实环境噪声，所绘制的噪声图谱的区间数值比理论值更高，离NHNM 更远，因此福建省台网烈度计所使用的MEMS 加速度计接近可应用于地震监测的工业级MEMS 加速度计。从噪声曲线情况看，300 台Palert 地震烈度计因更科学的选址以及长期有效的运维工作，显示出更稳定的噪声水平；新建的600 个一般站所使用的TMA-33 与VH-GL-LDY 有多个站点噪声曲线波动较大，较多站点存在噪声异常情况。结合实地上站巡检情况来看，有多个新建站点建设在高速公路、国道旁，环境噪声较大；有部分站点存在仪器未固定、膨胀螺丝松动、机箱松动、仪器安装不符合规范等情况。

对相关站点进行循环检测，逐台排查，发现噪声异常站点代码为B4410，地址为莆田市秀屿区湄洲岛，其噪声密度曲线如图6 所示，三分量中的UD 与NS 均在20db 以上，并且向上漂移。经检测，B4410 网络连通正常，延时正常，通过查看其波形情况，发现波形存在异常。经运维人员现场检查，系统机器内部元件损坏。

图6 B4410 站点噪声密度曲线及波形情况Fig.6 Noise density curve and waveform of site B4410

3 结语

当前福建省烈度计台网有三种不同型号的地震烈度计，同时烈度计有不同的安装方式，网络连接方式及安装环境亦参差不齐。本文在Visual Studio 平台上使用Python 语言编程，实现实时下载任意时间段900 个一般站地震数据，以MSEED 格式和SAC 格式保存至本地端。通过对900 个一般站地震数据进行噪声处理分析，得到三种不同类型地震烈度计的传感器性能区间，Palert的等效动态范围更接近NHNM，整体曲线更加平滑，更加稳定，TMA-33 与VH-GL-LDY 整体性能接近，三种不同类型的烈度计均存在部分站点噪声异常情况，分析特定时段三种不同型号地震烈度计的噪声密度曲线及功率谱，通过循环检测，逐台排查，结合相关波形数据，能够快速确定异常站点，结合实地上站情况，确认相关问题原因，为今后烈度计台网的运维及迁址工作提供参考。