地震预警是落实我国防灾减灾救灾体制机制改革的重要工作举措，预警基准站作为地震预警功能的骨干台站，由测震和强震2个测项组成，用于地震监测、预警和烈度速报等工作^[1]。如何保证预警基准站的数据观测质量，提高观测数据的信噪比，一直是地震科研工作者的重点工作之一^[1-3]。

2000年以来，内蒙古东部地区多次发生破坏性地震。为进一步提升该地区地震观测数据的质量，有必要对内蒙古东部地区预警基准站背景噪声特征进行分析，但目前尚未有这方面的研究。因此，本文选取内蒙古东部5个预警基准站的观测数据，采用加速度功率谱密度(PSD)、概率密度函数(PDF)和噪声速度均方根(RMS)等参数，开展预警基准站同台测震与强震背景噪声特征研究，为分析内蒙古东部地区背景噪声特征以及同台测震与强震观测压制背景噪声效果提供理论依据。

1 台站基本信息和数据

选取分布在内蒙古东部4个不同盟市的5个预警基准站，跨越整个内蒙古东部，分别为海拉尔地震监测中心站(HLR)、乌兰浩特地震监测中心站(WLT)、阿古拉地震监测站(AGL)、天山地震监测站(TIS)和经棚地震监测站(JIP)，具体分布见图 1。内蒙古东部地区主要的断裂带有西拉木伦河断裂、绰尔河断裂、辽河断裂、海拉尔断裂和雅鲁河断裂等。

搜集2022-06-01~30各预警基准站的测震和强震连续波形观测数据，5个台站的详细信息见表 1。

2 数据处理原理与方法

背景噪声水平通常用RMS值和加速度PSD值进行评价，具体数据处理步骤如下：

1) 根据文献[4]中方法进行数据准备和预处理。将每小时数据分为长度160 s的记录段，进行去均值和长周期处理，并转换为地动速度值。

2) 加速度PSD计算。对数据进行傅里叶变换，并根据式(1)计算得到速度PSD值。应用式(2)和式(3)，将速度PSD值转换为加速度PSD值：

$P_k(f)=\frac{2 \Delta t}{N}\left|Y_k\right|^2 $

(1)

$P_{a, k}(f)=(2 {\rm{ \mathsf{ π} }} f)^2 P_k(f)$

(2)

$\operatorname{PSD}_\alpha(f)=\frac{P_{\alpha, k}(f)}{|H(f)|^2}$

(3)

式中，PSD_α(f)为真实地面运动的加速度PSD值。

3) 平滑处理。根据文献[5]中方法采用1/3倍频程进行平滑处理。

4) PDF值计算。应用式(4)计算每小时加速度PSD均值分布，其中PSD窗长与步长取1 dB，变化范围为-200~-50 dB，从而获得每个台站所选数据段的PSD均值分布^[5]：

$P_{\mathrm{PSD}}\left(f_c\right)=N_{P f_c} / N_{f_c}$

(4)

式中，N_fc为f_c频点的记录段总数，N_Pfc为f_c频点的PSD值落在某PSD取值范围内的记录段个数。

5) RMS值计算。根据PSD计算RMS的公式为:

$\mathrm{RMS}=\sqrt{2 \mathrm{PSD} \times f_c \times \mathrm{RBW}}$

(5)

式中，f_c为中心频率，RBW为1/3倍频程的相对带宽^[6]。

3 背景噪声特征分析 3.1 RMS随时间变化特征分析

5个预警基准站同台测震和强震30 d连续波形的RMS平均值结果见表 2。进一步分析RMS值在30 d内的变化情况，结果如图 2所示。

由表 2和图 2可知，5个预警基准站测震的RMS值均低于强震，且RMS值在30 d内变化不大，说明背景噪声源较为稳定。HLR、TIS和JIP站测震和强震三分向的RMS值基本一致，WLT和AGL站强震东西向的RMS值明显高于南北向和垂直向，初步判断为加速度计东西向故障所致。

3.2 1~20 Hz频带内各频点噪声功率谱分析

对上述5个预警基准站同台测震和强震所选30 d的连续波形进行1~20 Hz频带内各频点噪声功率谱分析，结果见图 3，图中以颜色深浅(单位dB)代表PSD值高低。

由图 3可知，5个预警基准站的测震背景噪声水平均优于强震，与RMS值结果一致，这主要是因为测震仪器与强震仪器的自身结构和性能不同，导致强震仪器自噪声高于测震仪器，主要体现在布朗热噪声和电子噪声等。测震与强震在1~20 Hz频带内各频点的噪声功率谱随时间变化均呈现出较强的规律性，白天各频点的噪声功率谱均高于夜间，且在无特殊事件下，间隔24 h的各频点噪声功率谱变化一致，这与人为活动规律高度一致。2022-06以来内蒙古多个盟市相继发生新冠疫情，特别是内蒙古东部地区的赤峰市、锡林郭勒盟和通辽市自2022-06-07以来多地开始静默管理，从图 3(b)、3(d)、3(f)、3(h)和3(j)可知，5个预警基准站强震在06-07~12期间，1~20 Hz频带内各频点的噪声功率谱基本不随时间变化，且各频点噪声功率谱的PSD较低。尽管测震在该期间未出现明显变化，但是在白天时段内，各频点噪声功率谱的PSD值明显低于本月其他时间白天的PSD值，进一步说明各预警基准站测震与强震均受人为因素影响。

对比图 3(a)、3(c)、3(e)、3(g)和3(i)可知，HLR站的背景噪声水平低于其他4个基准站，特别是在5~20 Hz段尤为明显，而WLT站在5~ 20 Hz的背景噪声水平明显高于其他4个基准站，这与RMS值分析结果一致。通过查询WLT站值班日志可知，自2021-09以来，位于WLT站东南方向约500 m的砖厂不分昼夜地对周边山体进行开凿拓宽，导致该站周边的环境噪声增大，因此WLT站背景噪声水平高于其他站。在1~2 Hz频段内，5个基准站的背景噪声水平相差不大，均在-150 dB左右，说明在测震方面，在1~2 Hz频段内不同站点背景噪声的时空分布差异不大，噪声源比较稳定，为仪器记录的海洋极低频噪声^[7]。

3.3 加速度PSD概率密度函数分析

分别对5个基准站同台测震和强震的连续波形数据进行加速度PSD分析，结果如图 4所示。图中BHE、BHN和BHZ分别代表东西向、南北向和垂直向PSD值计算结果，NHNM和NLNM分别代表全球高噪声新模型和低噪声新模型^[1]。为便于分析不同频带背景噪声的变化特征，将加速度功率谱概率密度频段分为3段进行分析，即高频(≤ 2 s)、微震(2~20 s)、长周期(≥ 20 s)，其中微震又分为次级微震(2~10 s)和主微震(10~20 s)^[8]。

由图 4可知，5个基准站测震的PSD值在-190~100 dB范围内，各频段背景噪声均在高噪声模型(NHNM)和低噪声模型(NLNM)区间范围内。强震的PSD值在-150~-70 dB范围内，背景噪声仅在次级微震和高频频段内介于高噪声模型(NHNM)和低噪声模型(NLNM)之间。在小于10^-1 Hz频段内，低频背景噪声谱值将接近或超过信号谱值，因此强震在记录小于10^-1 Hz噪声信号时不可靠，这与周雍年等^[9]的研究结果一致，图 4(b)、4(h)和4(j)中强震三分向的PSD值均高于NHNM也可证实该结论。而对于测震则不存在该问题，从图 4(a)、4(c)、4(e)、4(g)和4(i)可以看出，测震三分向的PSD值在小于10^-1 Hz频段内均位于高噪声模型(NHNM)和低噪声模型(NLNM)区间范围内。在14 Hz左右存在明显的峰值频段，且每个基准站测震和强震三分向记录特征基本一致，Stehly等^[10]认为该峰值主要为近场干扰，是非线性相互作用引起的压力扰动所致。

从图 4(a)、4(c)、4(e)、4(g)和4(i)可以看出，HLR、WLT、TIS和JIP站测震在主微震和长周期频段内三分向PSD值一致性较差，而在次级微震和微震频段内三分向PSD值基本保持一致；AGL站在微震和长周期频段内三分向PSD值的一致性与上述4个基准站相反；在高频段内，5个基准站的三分向PSD值均不一致。由图 4(a)、4(c)、4(g)和4(i)可知，在长周期频段内，HLR和WLT站水平向PSD值在-160 dB附近变化，TIS和JIP站水平向PSD值在-180 dB附近变化，4个站的垂直向PSD值明显低于水平向，说明在长周期频段内水平向噪声远大于垂直向噪声，这主要是由于倾斜所致，倾斜将重力耦合到水平方向，对水平方向的影响远大于垂直方向。

由图 4(b)、4(d)、4(f)、4(h)和4(j)可知，在大于10^-1 Hz频段内，HLR、AGL、TIS和JIP站的PSD均值在-120 dB左右，而WLT站在大于3 Hz附近的PSD均值在-110 dB左右，WLT站的高频噪声相比于其他4个站较大。HLR、TIS和JIP站的三分向PSD值均呈现较好的一致性，能够较好地记录强震波形。而WLT和AGL站东西向PSD值的变化特征明显与其他基准站不一致，这与RMS值分析结果一致，初步判断是仪器故障所致。

3.4 噪声功率谱概率密度分析

对5个预警基准站同台测震和强震30 d的波形数据进行噪声功率谱概率密度分析，图 5为5个基准站垂直向加速度PSD的PDF分布。图中NHNM和NLNM分别代表全球高噪声新模型和低噪声新模型^[1]，灰色实线(AVG)表示最大PDF对应的PSD平均值，红色虚线MAX和MIN分别表示最大和最小PSD值，黄色实线分别表示PDF为10%和90%的PSD值^[5]。

由图 5(a)、5(c)、5(e)、5(g)和5(i)可以看出，测震观测数据PDF值在低于10 s和大于1 Hz频段较为分散，且该频段不同台站的PDF和PSD值分布特征差异较大；10 s~1 Hz频段PDF值较为集中，且该频段不同台站的PDF和PSD值分布特征差异较小。由图 5(b)、5(d)、5(f)、5(h)和5(j)可以看出，强震观测数据PDF值在100 s~2 Hz频段较为集中，且该频段不同台站的PDF和PSD值分布特征差异较小；在大于2 Hz频段PDF值较为分散，该频段不同台站的PDF和PSD值分布特征差异较大。由图 5可以看出，不同地区、不同强度人为因素造成的干扰在同一台站测震和强震观测数据评估的背景噪声变化中均有所体现，且主要体现在大于2 Hz频段，但同一台站测震和强震记录的背景噪声变化特征存在较大差异，主要是由高频信号中测震和强震不同仪器的自噪声、分辨率、采样率和传感器参数等不同所致。

4 结语

本文对内蒙古东部不同区域的5个基准站同台测震和强震2022-06的连续波形进行背景噪声特征分析，得到以下结论：

1) 5个基准站测震的RMS月平均值均低于强震，且RMS值在30 d内变化不大，说明背景噪声源较为稳定。

2) 测震背景噪声水平均优于强震，主要原因为强震仪器的自噪声高于测震仪器。5个预警基准站测震与强震在1~20 Hz频带内各频点的噪声功率谱随时间变化均呈现出较强的规律性，白天各频点噪声功率谱均高于夜间；各台站强震在1~20 Hz频带内各频点的噪声功率谱受疫情封控影响基本不随时间变化，表明噪声水平与人为活动规律高度一致。此外，测震在1~2 Hz频段内不同站点背景噪声的时空分布差异不大，噪声源比较稳定，为仪器记录的海洋极低频噪声。

3) 由5个预警基准站测震和强震加速度PSD的PDF分布可知，在小于10^-1 Hz频段内，低频背景噪声谱值将接近或超过信号谱值，因此强震在记录该频段噪声信号时不可靠。同时，在14 Hz左右的峰值频段会受近场干扰影响，这是由非线性相互作用引起的压力扰动所致。此外，由于倾斜将重力耦合到水平方向，因此在长周期频段内水平向噪声比垂直向噪声大。

4) WLT和AGL站强震东西向加速度PSD的PDF分布变化与其他台站不一致，且两者东西向的RMS值明显高于南北向和垂直向，初步判断是由于仪器故障导致，这可为今后测震和强震仪器的运行维护工作提供一个全新的快速判断仪器三分向故障的方法。

5) 噪声PDF结果表明，不同地区、不同强度人为因素造成的干扰在同一台站测震和强震中主要体现在大于2 Hz频段，但同一台站测震和强震记录的背景噪声变化特征存在较大差异，这是由测震和强震在高频信号中不同仪器的自噪声、分辨率、采样率和传感器参数等不同所致，主要与仪器自噪声水平有关。