0 引言

当前，地震系统使用的地震计种类较多，不同型号的地震计性能及各类指标存在一定差异，对日常数据处理、仪器维护等将产生一定影响。如多个台站对于同一地震的计算结果有些许不同，除与分析人员有一定关系外，地震计的影响也是不可忽略的（段天山等，2011）。

在库尔勒地震台小泉沟观测点（下文简称小泉沟测点）同一环境下架设CTS-1E与CMG-3ESPC-120型2套甚宽频带地震计，用于地震对比观测。其中CTS-1E型地震计使用较为普遍，而CMG-3ESPC-120型地震计目前使用相对较少。本文通过对比分析2套观测数据，在一定程度上了解2套地震计在实际地震观测中的差异性表现，以便对今后各项观测数据分析及仪器维护起到一定参考作用。

1 观测条件及仪器参数

小泉沟测点位于焉耆县七个星镇以西，地处库尔勒断裂和兴地断裂之间，于2014年建成、2015年投入使用，是半地下室结构的地面台站，摆房位于地面以下2.5 m，摆墩基岩完整，岩性为花岗岩。

小泉沟测点地震数据通过光纤传输，稳定可靠，年平均连续率为98.94%，记录到多次近震和地方震（每年平均记录到4 056个地震），且震相清晰。

小泉沟测点配备CTS-1E与CMG-3ESPC-120型2套甚宽频带地震计用于对比观测，采用EDAS-24GN型数据采集器进行实时数据采集。小泉沟测点地震观测仪器参数见表 1。

下文将从观测数据波形特征、地动噪声功率谱及动态范围等方面，对比分析2套地震计在实际观测中的性能差异。

2 观测记录波形对比

小泉沟测点CTS-1E与CMG-3ESPC-120型甚宽频带地震计周期均为120 s，均使用EDAS-VIEW软件打开相同时段的波形文件（同小时数据），波形放大倍数与显示时间均相同。选取2套甚宽频带地震计2017年11月23日2时记录的数据波形，对比曲线见图 1，直观可见2套地震计波形记录形态差别较大，其中CMG-3ESPC-120型地震计记录波形垂直向较稳定，2个水平向长周期波动明显，而CTS-1E型地震计记录的波形三分向均相对稳定。

3 地动噪声功率谱对比 3.1 计算方法

设时间函数f(t)为地震记录中的位移，应用傅里叶变换，转换为功率谱F(ω)，则f(t)与功率谱F(ω)之间的关系如下（何彦等，2006）

$ \begin{array}{l} \int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {{{\left| {f\left(t \right)} \right|}^2}{\rm{d}}t} = \frac{1}{{\rm{ \mathsf{ π} }}}\int\limits_0^\infty {{{\left| {F\left(\omega \right)} \right|}^2}{\rm{d}}\omega } \\ F\left(\omega \right) = \int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {f\left(t \right){{\rm{e}}^{ - i\omega t}}{\rm{d}}t} \end{array} $

(1)

根据仪器种类及零极点和增益参数（任枭等，2004），使用童汪练老师研制开发的软件，计算数字地震仪的地动噪声功率谱密度。

3.2 地动噪声功率谱及RMS值

计算小泉沟测点台基地动噪声功率谱，以准确反映台站各频段台基噪声水平。

台基相同、数据采集器相同，选取小泉沟测点安静时段CTS-1E与CMG-3ESPC-120型甚宽频带地震计的数据记录（务必保证所选数据中不包含地震事件），采用公式（1），对比计算台基地动噪声功率谱，可获取2套地震计存在的部分差别。为此，选取小泉沟测点2017年11月23日2时—4时2套地震计记录的波形数据，计算地动噪声功率谱，结果见表 2和图 2。

计算2套地震计UD向1/3倍频程带宽1—20 Hz各段的平均地动噪声RMS值，其中CTS-1E型地震计RMS值= 4.07×10^-9 m/s，CMG-3ESPC-120型地震计RMS值= 3.07×10^-9 m/s，且RMS值均小于3.16×10^-8 m/s，可知小泉沟测点台基较好，符合Ⅰ类台基标准。

对比发现，2套观测系统对同一时段、同一频带数据波形进行计算，所得台基噪声RMS值存在一定差别，且CMG-3ESPC-120型地震计地动噪声RMS值较小，表明台基条件相同，计算结果不同，应为地震计自身噪声影响所致。

由图 2可见：①在0.1 Hz以下频段，2套观测系统噪声功率谱密度曲线差别较大，CTS-1E测定的三分向噪声比CMG-3ESPC-120小得多，表明CTS-1E型地震计对远震记录优势明显；②2套仪器测定的垂直向噪声均优于水平向；③在0.1—1 Hz频带，2套系统的噪声功率谱密度曲线较为一致，差别不大，反映了典型的二类海洋噪声水平，表明2台仪器的放大倍数一致；④在1—50 Hz频段，2套系统的噪声功率谱密度曲线存在一定差别，CTS-1E型地震计地动噪声增大较快，CMG-3ESPC-120型地震计相对平缓稳定，表明CMG-3ESPC-120型地震计对记录地方震和近震更有优势。

4 观测动态范围对比

观测动态范围受台站地振动噪声水平和地震计系统的影响，是台站观测系统的重要技术参数，直接决定了台站可完整记录地震事件大小的范围（段天山等，2010）。计算并对比同一台站2套地震计观测系统的动态范围，有利于了解二者的区别。

观测动态范围D计算公式为

$ D = 20\log \frac{R}{{\text{RMS} \times S \times P \times \sqrt 2 }} $

(2)

式中，R为数采量程；RMS为台基地动噪声有效值，单位m/s；S为系统灵敏度，单位counts/μm/s；P为数采的量程修正值。

选取相同时段的数据记录，对比分析CTS-1E和CMG-3ESPC-120型地震计系统的观测动态范围。2017年11月23日2时，2套地震计系统记录的波形数据平稳，无地震及大的干扰，设置系统响应灵敏度、转换因子等参数，根据公式（2），计算二者观测动态范围，结果见图 3和表 3。

由图 3、表 3可知：①CTS-1E型地震计最大观测动态范围为124.2 dB，CMG-3ESPC-120型地震最大动态范围为125.2 dB，二者实际观测动态范围相当；②在0.01 Hz、0.016 7 Hz、0.025 Hz频点处，2套地震计观测动态范围差异较大，均超过11 dB；③在0.05—5 Hz频带内，2套地震计差异较小，在5 Hz以上差异变大。其中：在0.1—2 Hz频带内，2套地震计对应的动态范围差小于0.5 dB，基本一致；在0.01—0.1 Hz频带范围内，CTS-1E型地震计动态范围较大，0.2 Hz以上出现反转。

CTS-1E和CMG-3ESPC-120型地震计动态范围计算结果说明，在低频段二者差异较大，0.05 Hz以上差异变小，在高频段则出现明显差异，与二者的噪声功率谱（图 2）特征相符。

5 结论

通过对CTS-1E和CMG-3ESPC-120型地震计参数的对比分析，可以得到以下结论：①2套地震计在实际工作中存在一定差异。在高频段，使用CMG-3ESPC-120型地震计记录数据计算所得噪声功率谱密度曲线更平稳，地方震和近震的数据记录质量更高；在低频段，CTS-1E型地震计记录的地动噪声较小；②在低频段，CTS-1E型地震计实际观测动态范围较大，记录远震优势明显。

在今后地震观测工作中，需要进一步改善地震计观测环境，尽量减小温度、湿度、气流等外界因素的干扰，以便提高2套地震计的运行质量和稳定性，产出干扰小、精度高的数据资料。