定点形变观测台网有6类观测仪器，其中大部分为分钟采样。2012年VP型宽频带垂直摆倾斜仪正式进入中国地震台网，实现了倾斜仪采样周期从1 min到1 s的跨越，丰富了观测数据。已有研究证明，该仪器不但能记录固体潮和2类地脉动信号，还能记录到部分临震信息甚至是慢地震信息^[1]，在地震前观测到频谱的异常变化^[2]，在记录高频震颤波方面与宽频带测震仪和PET重力仪具有一致性^[3]，还可用于探测低频地球自由振荡信号^[4]。2012年之后，RZB-2型钻孔分量应变仪、CBT-1型钻孔倾斜仪和SQ-70DSI型宽频带石英水平摆倾斜仪等宽频带仪器也相继投入观测，累积了多年的连续观测数据^[5]，但目前这3类仪器在高频信号分析和应用方面的成果较少。

高采样率的观测数据能够记录到地球背景噪声、更为完整的地震波信号及更多的干扰信号，其中包含的高频信息不但为获取地震短临异常信号提供了可能，还具备用于研究各类地球动力学信号的能力。新疆地区同时安装有VP型宽频带垂直摆倾斜仪、CBT-1型钻孔倾斜仪、RZB-2型钻孔分量应变仪和SQ-70DSI型宽频带石英水平摆倾斜仪，虽然没有实现4类仪器的同址观测，但也是全台网为数不多的同时安装有4类秒采样定点形变观测仪器的地区。本文首先对新疆地区4类宽频带仪器秒采样数据的平静期背景噪声进行分析，然后对比和讨论地震波、风扰事件下各类仪器数据的时频特征。本文结论可为宽频带数据在不同领域的应用提供一定的参考，对震前异常的识别也具有重要意义。

1 数据选取和处理

新疆地区共安装有16套秒采样宽频带观测仪器，包括2套SQ-70DSI型宽频带石英水平摆倾斜仪(以下简称SQ-70DSI型水平摆)、2套CBT-1型钻孔倾斜仪、7套VP型宽频带垂直摆倾斜仪(以下简称VP型垂直摆)及5套RZB-2型钻孔分量应变仪(以下简称RZB-2型钻孔应变仪)，其中乌什台和榆树沟台同时安装有2类宽频带仪器。

首先对16套仪器的数据进行预处理，对缺数时段进行补值。由于本文关心的是较高频段的信号，因此计算前剔除线性趋势和固体潮等较强的低频信息，获得背景噪声序列。最后通过时频分析方法获得背景噪声序列的功率谱密度曲线、时频图、幅频图等。

2 平静期背景噪声

定点形变观测数据主要包括长趋势信号、固体潮信号、人类活动、大气扰动和海浪运动等，将去除长趋势信号和固体潮信号后剩余的所有扰动信号统称为噪声信号，其功率谱密度称为地球背景噪声。地球背景噪声在不同频段的特征不同，其中最主要的成分是1~30 s(0.03~1 Hz)频段的地脉动信号，通常将10~30 s(0.03~0.1 Hz) 间的峰值称为第一类地脉动，5~10 s(0.1~0.2 Hz)间的峰值称为第二类地脉动^[6]。背景噪声主要与海洋运动有关，但其中也包含着仪器自身和站点环境所带来的噪声。因此，背景噪声不但可用于地球动力学研究、台站选址、观测数据评估等，对于选择合适台站仪器进行各类不同研究也有着重要意义。

为获取每套仪器平静期的背景噪声，选取各仪器2022年每月无地震、无任何干扰的1 d作为平静日，将这12个平静日的观测数据进行预处理后再计算其平均功率谱密度，即为该仪器平静期的背景噪声。需要说明的是，由于每套定点形变观测仪器均包含多个分量，而从计算结果来看，各分量计算结果差异不大，因此本文结果对于摆式仪器均取EW分量，钻孔应变仪均取第一分量(下同)。

为了解4类仪器对真实地球物理信号的响应能力，将摆式仪器(包括水平摆、垂直摆和钻孔倾斜仪)观测到的倾斜角度换算为加速度的倾斜分量^[7]，钻孔应变仪作一阶差分处理，再计算功率谱密度，平滑后与全球地震背景噪声模型^[8]的新高噪声模型(NHNM)和新低噪声模型(NLNM)进行比对。4类宽频带仪器背景噪声结果见图 1，由图可知：

1) 2套SQ-70DSI型水平摆的功率谱密度曲线在形态和噪声水平上表现较为一致，200~600 s地震频段(0.001 6~0.005 Hz)噪声水平略高于NHNM；1~30 s地脉动信号频段(0.03~1 Hz)信号能量整体呈线性衰减趋势，0.05~0.1 Hz频段有峰值出现，噪声水平介于NHNM和NLNM之间，但0.1 Hz之后的高频部分出现波浪状变化。说明这2套仪器能够记录到部分地脉动信号，但由于摆自身的周期较长，对于高频信号响应不足，0.1 Hz之后的较高频部分记录到的信号叠加了数采自身的信号，而非单纯的地球物理信号。

2) 2套CBT-1型钻孔倾斜仪的功率谱密度曲线形态一致，信号能量整体呈线性衰减趋势，在0.04~0.1 Hz和0.1~0.2 Hz能够记录到2个峰值，但可能由于对高频信号响应能力有限，第二类地脉动信号较第一类地脉动小，不符合全球地震背景噪声模型的变化规律。2个地震台的噪声水平相差较大，200~600 s地震频段新源台钻孔倾斜仪略低于NHNM，而阿图什台则高于NHNM；1~30 s地脉动信号频段阿图什台钻孔倾斜仪噪声水平介于NHNM和NLNM之间，而新源台钻孔倾斜仪噪声水平在大于0.2 Hz频段还要略低于NLNM。

3) 7套VP型垂直摆200~600 s地震频段的噪声水平普遍比地震仪高；1~30 s地脉动信号频段，所有仪器均能够记录到2类地脉动信号，其中木垒台、石场台、温泉老台和榆树沟台的功率谱密度曲线形态非常一致，记录到的信号能量在大于0.03 Hz区域呈上升趋势，最符合全球地震背景噪声模型的变化规律，说明对该频段的信号响应能力较强，但这几套仪器噪声水平较大，接近NHNM；库尔勒台、乌什台和于田台的信号能量同CBT-1型钻孔倾斜仪类似，整体呈线性衰减趋势，其中库尔勒台垂直摆在大于0.2 Hz频段、于田台和乌什台垂直摆在大于0.3 Hz频段略低于NLNM。

4) 在200~600 s地震频段和1~30 s地脉动信号频段，5套RZB-2型钻孔应变仪的噪声水平均低于NLNM。1~30 s地脉动信号频段仅马场台和乌什台能够记录到地脉动信号，但2类地脉动信号混杂在一起无法区分，与全球地震背景噪声模型的变化规律略有差别，地脉动信号频段响应能力有限。

综上所述，VP型垂直摆在高频信号(地脉动频段)的响应能力要优于其他3类仪器，大部分仪器符合全球地震背景噪声模型的变化规律；RZB-2型钻孔应变仪的噪声水平在地震频段和地脉动频段均低于其他3类仪器；单从背景噪声结果来看，SQ-70DSI型水平摆在高频部分的数据应用价值不大。

3 宽频带仪器对不同事件的响应

由4类仪器平静期背景噪声结果可以看到，部分仪器符合全球地震背景噪声模型的变化规律，但噪声水平较高；部分仪器在地脉动信号频段未出现峰值，但噪声水平更低。一般来说，噪声水平较低的仪器更占优势，更容易捕捉到相应频段的地球物理信号^[9]。

为进一步比较4类不同宽频带仪器记录到的高频信号的异同，选取地震事件及风扰事件的记录，对各类宽频带仪器的高频信号时频特征进行分析与比对。考虑到新疆属于内陆地区，受台风影响较小，因此本文中风扰事件选取刮风干扰。

3.1 地震波

考虑到定点形变观测仪器对于远震地震波信号的记录更为完整，以北京时间2022-07-27 08：43：27菲律宾(17.70°N，120.55°E)M7.0地震为例进行分析，震源深度约10 km，各仪器震中距为3 880~4 937 km。图 2为部分仪器同震响应及时频分析结果，每套仪器结果由3个小图组成，其中第1行蓝色曲线为预处理后的震后4 000 s观测序列，即同震响应曲线，第2行左侧为同震响应时段时频图，反映同震信号频谱特征随时间的变化，右侧为相应同震信号的幅频图，显示的是同震信号的优势频段。由图 2可以看出，4类仪器均明显地记录到了本次菲律宾M7.0地震。

同震响应结果显示，SQ-70DSI型水平摆虽然记录到了地震波信号，但信号记录不全，无法清晰地分辨P波、S波，以面波信号为主，并叠加有其他成分；7套VP型垂直摆倾斜仪的映震特征较为一致，表现为地震波初至时曲线小幅振荡，且P波与S波的起始时刻清晰，S波振幅大于P波振幅，面波到达时振幅达到最大值，之后振幅逐渐减小到震前水平；2套CBT-1型钻孔倾斜仪和5套RZB-2型钻孔应变仪记录到的地震波同样震相清晰，形态与VP型垂直摆类似。

从同震信号的成分来看，同类型宽频带仪器的同震成分具有一致性。VP型垂直摆、CBT-1型钻孔倾斜仪和RZB-2型钻孔应变仪记录到的同震信号在频域上分别集中在0.2 Hz以内、0.1 Hz以内和0.15 Hz以内，而SQ-70DSI型水平摆记录到的同震信号则在频域上较为分散，尤其是在>0.1 Hz频段，信号成分呈波浪形变化，与前文背景噪声结果类似。

时频图与幅频图结果类似，但最符合全球地震背景噪声模型变化规律的木垒台、石场台、温泉老台和榆树沟台的VP型垂直摆在P波到来时，信号高能量区域分布较其他仪器更广，范围在0.1~0.5 Hz，说明这几套仪器能够记录到更多的高频信号；而噪声水平最低的5套钻孔应变仪，除榆树沟台外，在时频图上未显示出明显的P波信号。

3.2 风扰事件

风扰是地倾斜和洞体应变观测中较为常见的干扰因素之一。大风在一定区域内作用于测点上覆地层和水体，使地层的受力状态或液体负荷发生微小变化，这种变化叠加在固体潮记录上，则表现为高频信号叠加在固体潮曲线上，出现高频扰动^[10]，而在时频图上则表现为受干扰时段背景噪声显著升高^[1]。钻孔应变仪观测的主要是水平方向的变化，因此在一般情况下，风扰事件对其影响较小。

新疆维吾尔自治区气象台于2022-02-05、02-09、02-12和02-14多次发布大风蓝色预警信号，其中02-05、02-12开始的风扰事件主要影响区域见图 3，02-09和02-14开始的风扰事件影响区域较广，基本涵盖了本文选取的所有台站，故未在图上标注。

选取2022-02-01~19观测数据，分析各仪器对这几次风扰事件的响应情况。部分仪器的原始观测曲线和时频图见图 4，由图可知：

1) 2套SQ-70DSI型水平摆清晰地记录到2022-02-09开始的风扰事件，在时频图上表现为0.1 Hz和0.07 Hz左右频段出现明显增强区域；对于02-05开始的风扰事件，精河台在时频图相应时段0.15 Hz左右频段也有增强区域出现，但增强幅度较弱，巴里坤台未记录到这次风扰事件；对于02-12和02-14开始的风扰事件，2套水平摆均未见明显响应。

2) CBT-1型钻孔倾斜仪结果与水平摆类似，2套仪器均能够记录到02-05和02-09开始的风扰事件，且02-09风扰事件造成的影响更大，新源台在02-12~13风扰时段0.15 Hz左右频段有增强区域出现。对于02-14开始的风扰事件，2套仪器均无响应。

3) 7套VP型垂直摆的时频图结果略有差异：木垒台、石场台、温泉老台和榆树沟台均记录到这几次风扰事件，表现为在原背景噪声基础上，0.15~0.2 Hz区域有明显增强，并向更低频(0.1 Hz)方向扩展，且0.07 Hz左右出现新的增强区域，其中02-09风扰事件造成的增强区域频宽更宽、频率更低、强度更强；乌什台、库尔勒台和于田台则仅记录到02-05、02-09开始的风扰事件，其中02-05风扰事件在时频图上响应较弱，02-09风扰事件与水平摆和钻孔倾斜仪类似，表现为0.1 Hz和0.07 Hz左右2个频段均出现明显增强区域。

4) 对于RZB-2型钻孔应变仪，除马场台和榆树沟台对02-09风扰事件在时频图上稍有增强外，对于其他几次风扰各仪器均无响应。

由时频图结果可以看出，02-09风扰事件对各仪器造成的影响最大。大风主要会引起地脉动频段的同频共振，使该频段频宽扩展，信号明显增强。因此，对地脉动信号响应最好的木垒台、石场台、温泉老台和榆树沟台的VP型垂直摆不仅记录到了02-09风扰事件，对其他几次风扰事件也有明显响应；新源台和阿图什台的CBT-1型钻孔倾斜仪及库尔勒台、乌什台和于田台的VP型垂直摆虽然能够记录到地脉动信号，但与全球地震背景噪声模型的变化规律符合不好，说明这几套仪器对地脉动信号频段响应有限，因此只清晰记录到了影响最大的02-09风扰事件；RZB-2型钻孔应变仪对风扰事件响应很弱，一部分原因是仪器自身的特点对风扰不敏感，另一部分原因与该仪器对地脉动信号频段响应不足有关，但这也从另一个角度体现了该仪器抗风扰影响的能力。

4 结语

对新疆地区4类宽频带仪器秒采样数据的平静期背景噪声进行分析，并选取地震、风扰2类事件对各仪器信号时频特征的异同进行对比和讨论，结果显示：

1) SQ-70DSI型水平摆由于自身的周期较长，对高频信号响应不足，0.1 Hz之后的较高频部分叠加了数采自身的信号，能够记录到部分风扰信号，但对地震波信号记录有限，在高频部分的数据应用价值不大；

2) VP型垂直摆对高频信号(地脉动频段)的响应能力要优于其他3类仪器，大部分仪器符合全球地震背景噪声模型的变化规律；在地震波记录和对于风扰事件的响应方面，对高频信号响应能力最强的木垒台、石场台、温泉老台和榆树沟台的VP型垂直摆明显能够记录到更多的高频信息；

3) CBT-1型钻孔倾斜仪对高频信号响应能力有限，不论是同震信号还是受风扰影响信号，都集中在较低频区域，同震信号成分集中频段较其他3类仪器低；

4) RZB-2型钻孔应变仪的噪声水平，不管是在地震频段还是地脉动频段都要低于其他3类仪器，但在2类事件的记录方面，并没有体现出明显的优势，其抗风扰影响能力优于其他3类仪器。

一般来说，噪声水平较低的仪器更占优势，更容易捕捉到相应频段的地球物理信号，但从本文所选取的2类事件的分析结果来看，是否能够记录到更多地球物理信号或高频信息，不仅与噪声水平的高低相关，更与对该频段信号的响应能力相关。因此，在各类地球动力学信号的研究和震前异常的捕捉中，应选取噪声水平低且对相应频段信号响应能力强的台站仪器。