0 引言

区域数字地震台网具有实时数据接收、地震定位、震级测定、地震动强度测定、速报结果直观、动态显示等功能，并逐步拓展具有更多用途的监视系统，如地震预警、深低频脉动和台风震动监测、背景噪声成像等 (孙业君，2015)。稳定的观测系统和高质量的记录数据是实现区域数字地震台网以上功能的首要条件和基础保障 (孙业君，2015)。建设地震台网的主要目的是提供高质量观测数据用于地震研究，而地震波形数据质量很大程度上取决于JOPENS5.2系统仪器参数存入是否与实际测震仪器参数一致。

在“十五”期间，地震台网主要配备宽频带仪器，通过仪器脉冲标定与CALI_PROC标定计算软件实时调用JOPENS4.3系统仪器传递函数并计算标定数据，检测JOPENS4.3系统仪器参数的正确性。随着背景场测震台站建设与预警台站的规划完成，甚宽频带地震台数量增加，今后将建设甚宽频带及超宽频带数字地震台站。观测仪器标定由每月1次调整为每半年1次，由于JOPENS系统升级到5.2版本，与CALI_PROC软件不兼容，不能通过脉冲标定及时检测JOPENS5.2系统数据库仪器参数正确性，因此迫切需要补充新手段监视系统仪器参数。新手段要求能够及时并直观反映观测数据质量，从而检测JOPENS5.2系统仪器参数存入是否正确 (林湛等，2008；王俊，2013)。

在国际上，McNamara等 (葛洪魁等，2013；杨龙翔等，2015) 提出应用功率谱密度概率密度函数 (PDF) 方法进行台站地噪声水平监测，并在GNS (Global Seismographic Network) 与ANSS (Advanced National Seismic System) 等台网用于日常仪器工作状态检测；Seelman等 (林彬华等，2015) 在Orfeus数据中心通过监测实时波形数据PSD地震噪声加速度功率谱密度 (PSD，Power Spectral Density) 值变化，在VERSN (Virtual European Broadband Seismograph Network) 实现对宽频带地震台网波形数据质量的自动检测 (杨龙翔等，2015；孙业君，2015)。林湛等 (2008)研发CALI_PROC标定软件，通过仪器标定检测各省台网观测系统和观测数据质量；徐嘉隽等 (2010)研发数据质量检测软件，通过绘制观测数据PDF图及RMS值来检测福建省观测系统和观测数据质量；陈向军等 (2011)通过研发相关软件来实现台站观测数据质量和观测系统检测；王俊等 (2013)开发的连续波形数据质量分析软件 (Continuous Wave Quality Look，简称CWQL)，于2015年推广到中国各省测震台网。本文利用CWQL软件，绘制地震台网各台站观测数据PSD图和RMS值判断出JOPENS5.2系统数据库仪器参数正确性。

1 CWQL软件功能

CWQL是工具性软件，能对区域地震台网各台站记录的连续波形进行实时质量分析、查看，主要采用Matlab语言进行开发，与目前各区域地震台网所运行的JOPENS5.2系统无缝连接。软件从中读取相关台站参数，自动从区域数字地震台网中心的波形服务器上 (JOPENS5.2/AWS) 读取连续波形，并对数据进行分析，因而实现对区域地震台网数据记录质量、观测系统的“健康状态”以及台基环境噪声水平的准实时监控 (孙业君，2015)。

CWQL软件能提供直观有效的观测数据质量判断依据，当JOPENS5.2系统数据库参数存入错误时，观测数据在时域显示无异常，而在频域，可通过台站噪声功率谱密度 (PSD) 函数分布发现异常。通过CWQL软件在线准实时计算台站噪声功率谱密度 (PSD) 函数，不仅可以快速及时检测地震仪系统故障，还可以检测JOPENS5.2系统数据库台站仪器参数的正确性。

CWQL软件可以检测测震台网接入的省外台站数据质量，对于省外地震台更换地震仪器造成仪器参数变化，而JOPENS5.2系统未及时更改仪器参数值的现象，CWQL软件可通过计算RMS值或画PSD曲线直观体现数据库台站参数异常。

2 数据处理方法

JOPENS5.2系统测震数据，需要配合地震台站仪器参数才能使用。仪器参数存储在数据库中，可以通过挂载在JBOSS上的控制台配置台站仪器参数。用户可以通过浏览器访问JOPENS5.2系统控制台，把地震台站相关参数信息存入数据库表，供以后各系统在地震及信息处理中使用。观测系统记录的波形数据只是一些无量纲数值，并非真正的地动速度或地动位移，必须和观测系统传递函数反褶积扣除仪器响应才能得到地动速度，或积分后得到地动位移 (袁松湧等，2010)。因此，JOPENS5.2系统仪器的存入参数与出厂参数务必一致。其中，仪器灵敏度的正确存入至关重要，若数值不准确，将直接影响数据处理结果 (震级偏差等)，甚至导致观测数据不能用于相关研究。如何及时了解并准确评估数字地震台网JOPENS5.2系统仪器参数，已经成为迫切需要解决的问题。江苏省地震局开发的CWQL软件，可以通过计算地震台准实时背景噪声评估观测数据质量，能有效检测JOPENS5.2系统仪器参数的正确性。

2.1 数据分析思路

当仪器参数，如地震计的固有周期、阻尼、灵敏度、频带宽度等参数正常，对于一个台基较好的固定台站来说，台基环境噪声水平在频域的分布特征应该是相对稳定的，三分向PSD随频域分布曲线幅度趋于一致，且不会超出Peterson模型。只有当JOPENS5.2系统数据库仪器参数存入有误时，利用该系统生成数据计算地震台噪声水平会产生明显偏差。

2.2 台基噪声计算公式 2.2.1 RMS计算

实测地脉动速度值计算公式为 (何彦，2006)

$ V = \frac{{N \times D}}{S} = \frac{{N \times U}}{{R \times K \times S}} $

(1)

式中，D = U/(R×K)，为数采转换因子 (单位：V/count)；V为实测地脉动速度值 (单位m/s)；N为实际记录背景噪声值 (单位：counts)；U为输入峰值电压 (单位：V)；K为数据采集器实际工作时的增益；R为仪器分辨率 (单位：counts)；S为地震计工作灵敏度 (单位：V·s/m)。

脉动噪声均方根值RMS可以衡量地震台台基背景噪声水平，即

$ {\rm{RMS}} = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{{({V_i} - V)}^2}} }}{n}} $

(2)

其中$V = \frac{1}{N}\sum\limits_{i - 1}^n {{V_i}} $，V_i为某点实测地脉动速度值 (曾宪军，2014)(单位：m/s)。

2.2.2 PSD计算

设时间函数ν(t) 为地震记录中速度表示式，应用傅里叶变换将其变换到频率域，即$F(\omega) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {v(t) \cdot {{\rm{e}}^{ - i\omega t}}{\rm{d}}t} $，|F(ω)|²叫做速度功率谱概率密度，也就是PSD_ν，与加速度功率谱概率密度PSD_ɑ的转换公式为

$ {\rm{PS}}{{\rm{D}}_a}(\omega) = {\omega ^2}{\rm{PS}}{{\rm{D}}_v}(\omega) $

(3)

其中：ω = 2πf，PSD_ν(ω) 的单位为 (m/s)²/Hz，PSD_ɑ的单位为 (m/s²)²/Hz。

3 参数正确性检测

为验证CWQL软件性能，以锡林浩特地震台 (台站代码XLT，下文简称锡林浩特台) 数据为例，检验台站仪器参数正确性。锡林浩特台观测仪器放置在山洞，使用地震计BBVS-120+数采EDAS-24IP进行地震观测。地震计三分向实际灵敏度为2 000 V·s/m，数采实际转换因子为1.589 μV/count。抽取锡林浩特台2016年7月19日0时-03时观测数据，利用CWQL软件，在线计算该台站1-20 Hz频段背景噪声，RMS值计算结果见表 1，功率谱密度PSD曲线见图 1。从表 1可知，锡林浩特 (XLT) 台NS向RMS值 (1-20 Hz频段) 相比EW向和UD向约小1个数量级。

数据修复前PSD曲线见从图 1中 (a)、(b)、(c) 图，由图可见，(c) 图展示的NS向PSD曲线幅度比 (a) 图中的EW向和 (b) 图中的UD向约低20 dB，且NS向PSD曲线在0.05-1 Hz低于全球低噪声模型 (NLNM)。

3.1 NS向数据异常分析

同一个台站三分向记录的实际背景噪声值 (N) 夜间平静时可近似认为数值相同，由公式 (1)、(2)、(3) 可判断，造成NS向RMS值与PSD曲线比EW向和UD向偏差大的原因有：① 仪器故障、仪器实际参数 (地震计灵敏度) 等突变；② JOPENS5.2系统数据库存入参数与仪器出厂参数不匹配。

通过仪器脉冲标定结果 (表 2) 可见，仪器参数无较大变化，三分向各参数变化率在10%以内。由此可判断，NS向数据异常是由JOPENS5.2系统数据库仪器参数存入错误造成的。通过控制台查看JOPENS5.2系统下锡林浩特台站参数，发现NS向数采灵敏度存入数值比实际数值 (629 326.620 5 count / V) 大1个数量级，即公式 (1) 中参数D(数采灵敏度=1/D) 的存入不正确，此结果与理论判断相吻合。

3.2 数据修复及结果查询

经以上检验，发现锡林浩特台站仪器参数存入有误，通过JOPENS5.2系统控制台，在通道响应里存入数采实际灵敏度数值，点击更新，重启参数服务，登录JOPEEN5.2系统服务器，在/etc/init.d目录下输入./memcachedrestart。在CWQL软件下点击readstataioninfo.exe读取数据库台站参数，利用该软件计算锡林浩特台RMS和PSD值，调取相关计算结果并保存。锡林浩特台NS向PSD曲线见图 1(d)，相比图 1(c)，(d) 图中PSD曲线高约20 dB，同时落在Peterson模型中间，与EW向、UD向PSD曲线特征一致。

4 结束语

利用CWQL软件实现对背景噪声水平的准实时监控，进而给出观测数据质量的评估结果，使用价值高，可实现对系统参数变化的准实时监控，为工作人员及时有效地更改及更新JOPENS5.2系统数据库台站参数提供依据，保证观测数据处于正常状态，并产出可靠的观测数据。