地震计自噪声的研究

仪器的固有噪声水平是地震计的关键技术指标。 如何降低仪器的自噪声是地震计设计中需要解决的重要问题。 本文分析了产生地震计自噪声的两个主要噪声源: 布朗热噪声和电子噪声(1/f噪声), 以及它们对地震计传递函数的影响。 分析了三种地震计所记录的地震台台基噪声, 并且通过试验来检验仪器噪声对地震计观测数据的影响。     

基于MEMS传感器的速度型地震计技术研究

低功耗、微型化、芯片化、智能化、网络化、低成本高可靠以及全频带观测是地震传感器发展的方向,利用MEMS技术可以集成满足现代传感器要求的"芯片仪器",便于布设低成本、高密度的智能化现代传感器网络.本文提出了从MEMS加速度计经积分放大器获得速度地震计的技术方案,研究指出:1)为获得50Hz有效带宽内动态范围能达到电源电压的满摆幅输出,折合后级的放大倍数在内,积分放大器的积分时间常数只能是小于3.2ms;2)为克服积分器的漂移和噪声,提出了斩波多相积分技术;3)采用成品MEMS加速度计研制的速度型地震计,动态范围可达94dB,带宽在实测的100s～100Hz内响应平坦.提出了以MEMS加速度计的差分电容作为斩波多相积分器的斩波部件而研制高分辨率MEMS速度地震计的技术方案.     

地震数据采集器自噪声检测研究

本文采用多通道相关分析方法测量并分析研究了国内地震观测常用的6种进口地震数据采集器的自噪声.结果表明:6种进口地震数据采集器无论在普通增益还是高增益模式下,当频带范围处于1 Hz以下时,自噪声均低于NLNM低噪声模型(灵敏度按750 V·s/m换算);在低增益模式下,当频带范围处于1 Hz以上时,各数据采集器的自噪声与NLNM低噪声模型高低交错,须根据观测目的谨慎使用;Q330HRS和Reftek-130/130S型数据采集器的高增益模式较适合测量宽频带地震计的自噪声.      

高灵敏度感应式磁传感器测试研究

本文着重对研制的感应式磁传感器的本底噪声和灵敏度特性进行测试研究,在平行噪声测试方法（NPI）基础上设计了针对本研究的磁传感器噪声测试方法,测试结果表明：MC-30的噪声水平1 Hz时为0.3 pT/√Hz,10 Hz时为0.03 pT/√Hz,100 Hz时为10 fT/√Hz,1 kHz时为3 fT/√Hz,灵敏度为215 mV/nT;MC-50的噪声水平0.01 Hz时为10 pT/√Hz,1 Hz时为0.05 pT/√Hz,10 Hz时为10 fT/√Hz,100 Hz时为0.5 fT/√Hz,灵敏度为1359 mV/nT.除此之外,通过野外试验对比及工程应用验证了MC-30和MC-50具备良好的测量精度及野外工作性能,能够满足实际电磁勘探任务的需要.     

一种用于TEM高灵敏度感应式磁场传感器设计

瞬变电磁法(TEM)作为地球物理非地震探勘主要电磁方法之一,广泛应用于油气、矿产等地下资源探测.本文分析TEM磁场传感器频率响应特点,采用欠阻尼匹配拓展传感器线性响应频率范围;分析磁传感器各类噪声源分布,提出不同频段上影响磁传感器性能的主要因素.最终研制一款高磁导率磁芯的TEM感应式磁场传感器,工作频段为10 mHz~1 kHz,等效输入噪声水平为4pT/√Hz@1Hz, 15fT/√Hz@200 Hz,传感器直径为50 mm,长度800 mm,重量3.2 kg,相比现有TEM接收磁场传感器,体积小、重量轻、工作频段低.实验测试与生产作业表明:最新研制的高灵敏度TEM磁场传感器更加适合大深度、3D阵列电磁勘探.     

用于MT方法的超小型感应式磁场传感器

感应式磁场传感器广泛应用于地球物理电磁勘探仪器,受物理原理制约,该类磁传感器的噪声水平与其长度和体积约成正比,典型用于大地电磁测深方法(Magnetotellurics MT)的感应式磁场传感器长度约为1.0~1.4 m,重量在6~10kg.本文采用一种磁通聚集器技术,突破了传统感应式磁场传感器的设计瓶颈,能大幅度降低传感器的长度,本文设计的用于MT方法的超小型感应式磁场传感器长度230 mm,直径110 mm,重量6 kg,长度约为传统MT磁场传感器的20%,工作频率范围为1 mHz~1 kHz,噪声水平0.1 Hz为5pT//Hz,1 Hz为0.5 pT/(Hz)~(1/2),10~100 Hz为0.1 pT/(Hz)~(1/2);野外实验表明:单轴可用于MT测量中垂直方向测量,可极大地提高施工效率;如将集成为三方向的矢量磁场传感器,总体积不超过23 cm×23 cm×23 cm,重量小于21 kg,可放置在标准17英寸的深海浮球内,实现海洋MT、CSEM方法测量,将有效降低整个海洋电磁仪器的体积和成本,具有广阔的应用前景.     

T-1型高精度绝对重力仪

精密测量地球表面的重力加速度(g,常用值9.81 m/s2)是探测地球重力场的重要途径,已广泛应用于计量、测绘、地质、地震与资源勘探等领域.     

BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计性能及记录数据相干性分析

BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计目前在国内测震数字台网中广泛使用,但两种型号地震计在性能和各类指标上均存在差异。本研究分别在山洞和地表两类不同观测环境的台站上安装BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计,对同点记录的数据对比分析,计算相同分量间的相干函数值。结果显示,在比测台址观测环境下,两种地震计在0.02—40 Hz （垂直分量）和0.04—40 Hz （水平分量）频段内具有良好的相关性,其中,记录数据在高频（10—40 Hz）和长周期频段（10—50 s）的相关程度受环境因素影响较大。此外,在工作频段内,两种地震计所记录数据的相关程度与输入振动的强度有很大关系。本文分析结果可为设备选型、震相分析以及地震工程研究提供参考。      

北京市测震台网数字地震台站台基背景噪声分析

基于北京市测震台网连续三分量地震计波形数据,计算28个测震台站台基噪声,利用Welch方法计算噪声功率谱密度（PSD）,进而计算地震台台基1-20 Hz地动噪声均方根值（RMS）和观测动态范围。结果表明,依照《地震台站观测环境技术要求》,北京市测震台网中有11个Ⅰ类台、9个Ⅱ类台、6个Ⅲ类台、2个Ⅳ类台。通过分析北京市测震台网数字地震台背景噪声水平,为测震台网的规划建设提供数据支持。     

郑州地震监测中心站连续重力仪背景噪声水平分析

选取2009—2019年郑州地震监测中心站连续重力观测数据,结合地震频段观测数据精度,分析中心站背景噪声水平,结果发现：①潮汐和气压等因素对重力观测数据的亚地震频段和潮汐频段的平均功率谱密度值(PSD)影响较大,在地震频段影响较小;②通过对月地震噪声等级值(SNM)的分析,发现较小值多集中在每年2月(农历春节前后);③在研究时段内,地震频段噪声等级SNM值范围在(3.107—3.268)×10^-16 (m·s^-2)²/Hz,重力固体潮汐观测精度P_L范围在(0.130—0.278)×10^-8(m·s^-2)·(Hz·s)^-1/3,与gPhone-1相对重力仪相比,PET重力仪观测数据存在一定漂移,其P_L数值略大,表明观测环境和仪器性能共同制约着重力观测精度。     

福建省地震台网预警能力评估

由于常用的均方根值法和噪声功率谱法不能消除不同传感器记录的噪声干扰,为提高噪声水平计算的准确度,本文选用最大概率峰值位移作为背景噪声评估指标。基于可靠的噪声数据,借鉴震级-最大距离监测能力法并考虑预警时效,提出了地震预警最小震级评估方法,系统评估福建三类传感器网及其融合网的地震预警最小震级和预警首报时间。结果表明：测震强震融合网的地震预警最小震级高于单测震网,但明显低于强震网;强震烈度计融合网与单烈度计网的结果相近;三网融合后95%区域的地震预警最小震级约为M_L3.2。由于烈度计网比测震和强震网密集,其预警首报时间最短;三网融合相对于单测震网或单强震网,其震后地震预警首报时间得到了明显缩短,预计95%区域的首报时间为4—6 s。本文研究为福建省的台网布局的优化和重点区域监测能力的提升提供了参考依据。     

多通道相关分析用于宽频带地震仪自噪声检测

将多通道相关分析方法用于宽频带地震仪的自噪声检测,测量分析了Reftek 130、130 B和130 S三种地震数据采集器的自噪声检测结果以及14套Reftek 130 S连接Guralp CMG-3T地震计的自噪声一致性检测结果,同时给出了地震计的三轴正交性估计.结果表明:Reftek数据采集器设置为普通增益时在0.3 Hz以上频段自噪声高于Guralp CMG-3T地震计自噪声,设置为32倍高增益时在测量频段远低于地震计自噪声;测量的多台Guralp CMG-3T地震计自噪声结果在不同频段一致性差异较大,垂直向分量0.3 Hz以下频段可作为一致性比对参考频段,采集配置选择普通增益时0.3~2 Hz频段可作为数据采集器一致性比对参考频段;Guralp CMG-3T地震计三轴正交性误差估计平均在0.5°以内.     

面向绝对重力测量的振动补偿技术发展

绝对重力仪是用于直接测量重力加速度值的精密仪器,可以作为计量标准器对相对重力仪进行定期校准.现有绝对重力仪的测量精度可达微伽(1μGal=1×10-8m/s2)量级,测量精度主要受振动噪声的限制.垂直隔振和振动补偿技术是目前常用的两种处理振动噪声的方法.随着绝对重力仪在野外流动重力观测和海洋/航空重力测量中的应用需求日...     

甚宽频带地震计自噪声测试方法对比

在河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站,对JS-120型甚宽频带地震计采用2台和3台地震计同址比测法进行同址比测。选取连续600小时观测数据样本,基于分频带概率统计法,提取自噪声优势概率典型值,分析测试结果差异。结果表明,3台法可通过互功率谱之比校正地震计之间传递函数的差异,得到的自噪声水平比2台法更低,结果更加稳定;当比测地震计之间性能存在差异时,自噪声较高的地震计会影响记录的相干性,导致其他地震计自噪声结果偏高;由于安装过程中存在不一致性,在接近二类海洋噪声频段的0.1—1 Hz频带,地震计自噪声功率谱曲线形态发生变化,且2台法表现更明显;在0.04 Hz以下的低频段,地震计自噪声水平较高,与观测背景噪声接近,在进行低噪声科学实验观测场地遴选和背景噪声水平评估时,应考虑低频段地震计自噪声的影响。     

井下地震计方位角检测技术应用研究

本文利用波形相关分析法对井下地震计方位角检测精度及一致性进行分析研究.研究中在地表布设地震计进行不同距离、不同频带多套地震计方位角检测对比测试,并在四川泸州、宁夏灵武、陶乐、河南安阳、清丰、陕西定边等6个分别安装井下甚宽频带、宽频带、短周期地震计的台站,进行地表同台址不同频带多套地震计与井下地震计方位角检测及一致性对比测试.根据全球噪声模型1~10s之间存在明显的噪声峰值的特点,对测试数据进行0.2~0.3Hz带通滤波和仿真处理,通过分析得出,对于不同地震计组合,测试地震计方位角检测结果一致性较好,根据地表不同距离、不同频带地震计组合的检测精度和地脉动记录的特点,认为井下地震计方位角检测精度优于4°.     

基于Matlab的地震计自噪声计算可视化软件设计

基于Matlab的GUI开发环境,采用三仪器法设计地震计自噪声可视化软件,通过对3台地震计同背景同时段原始波形数据进行去均值、去趋势值等一序列数据处理,并运用Welch平均周期法计算噪声功率谱密度,最终绘制完成自噪声功率谱密度曲线。选取山东省临沂市马陵山比测基地作为软件测试地点,以2组各3套地震计(STS2.5、BBVS-120地震计)观测系统作为测试样本,进行地震计自噪声分析,结果发现,STS2.5和BBVS-120型地震计UD向自噪声功率谱曲线在0.04—2 Hz频带内均低于NLNM,表明地震计噪声性能良好,从而验证了软件的可行性与准确性。     

流动宽频带地震计自噪声测试研究

分别采用双台地震计自噪声互相关分析法(以下简称“Holcomb双台法”)和3台地震计自噪声互相关分析法(以下简称“Sleeman多台法”)对CMG-3T、BBVS-120、STS-2型流动宽频带地震计进行自噪声测试研究.结果表明:Sleeman多台法因有效地规避了传递函数引起的误差,在处理流动宽频带地震计实际记录数据方面比Holcomb双台法更能有效地滤除背景噪声;在简单测试条件下,3种常用流动地震计的自噪声在0.06 ～1 Hz频带内均低于NLNM曲线,显示了相当好的噪声性能指标;在流动台阵观测过程中,地震计方位准确性以及地震计的保温防护措施是保证发挥仪器性能的重要因素.     

软土层地区地震仪安装效果比对研究

随着ChinArray等大型地震观测项目逐渐推进,一些台站不得不安装在软土层等较高背景噪声区域,研究这些区域中不同类型地震仪在不同安装方法之间的背景噪声水平差异,对于提高观测数据质量、选取观测仪器类型、研制地震仪器等问题具有重要意义.本文在北京通州西集地震台,通过一系列比测实验研究了宽频带地震仪在不同安装深度、安装方式以及保温隔离防护方式下的安装效果差异,结果表明：在0.05～1 Hz的海浪脉动噪声频段附近,所有参与比测地震仪的三个分量背景噪声水平均高度一致,符合远场海浪脉动信号的特点;在低于0.05 Hz的低频段范围,背景噪声主要和地震计附近的温度变化及气流扰动环境相关,增加安装深度和采取保温隔离防护措施效果类似,其中垂直向对保温隔离防护措施更为敏感,比如1～2 m深度安装的地震计在妥善进行保温隔离措施后可获得和283 m井下地震计类似噪声水平,水平向由于存在地倾斜噪声,当大幅度增加安装深度时仍可有效降低噪声水平;在高于1 Hz的高频段范围,背景噪声衰减和地下介质岩性相关,软土层地区地下10 m以内随安装深度增加背景噪声水平衰减非常有限.另外,我们还研究了宽频带、短周期、节点式等不同...     

三分量光纤地震计

提出并实验论证了一种全金属三分量光纤地震计。基于机电理论给出了理论分析。标定结果表明:在5~400Hz频带,轴向灵敏度约41dB(0dB=1rad/g),波动±2dB。横向灵敏度约-40dB。地震计中的3个加速度计的加速度灵敏度波动在±2.5dB之内。相位产生载波的最小相位解调检测准度为10~(-5)rad/Hz~(1/2),最小可检测加速度值经计算可达到90ng/Hz~(1/2)。     

混场源电磁法仪器研制进展

混场源电磁法综合了MT和CSAMT方法的特点,以天然和人工电磁场相结合为场源,探测介质的电阻率,信号频带为0．01Hz～100kHz,探测深度从几m到1000m,主要用于地下水、环境、矿产、工程等探测。本文介绍电磁波发射机、接收机、宽频带磁传感器的研制进展与关键技术,讨论了需要解决的问题．野外实验结果验证了仪器原理样机技术方案的可行性。