0 引言

随着河北省区域烈度速报台网建设项目和国家地震烈度速报与预警工程项目（郝美仙等，2018）等工作的持续推进，河北省已建成71个测震台站、125个强震动台站、250个烈度仪台站，到2022年，3类台站总量将超过1 000个，构建出“测震、强震动、地震烈度”三网融合的地震预警台网。传统的测震观测主要服务于地震学，其记录的数据为地动速度，可为地球内部构造和地震活动性的研究提供各种地震参数，也可用于研究地震波的传播规律；传统的强震观测主要记录近场强震，记录的物理量为加速度，旨在测定地面和建筑物在地震作用下的运动过程（金星等，2004；李永振等，2012）；烈度仪是基于低成本的MEMS传感器的加速度计，其体积小、能耗低，灵敏度高、价格低廉，便于铺设高密度台网，利用高密度的MEMS传感器可以在震后最短几秒内提供强地面运动图，在提供关键性地震信息、减小预警盲区、缩短预警时间等地震预警研究中具有很大的应用前景（康涛，2018）。从目前的发展趋势来看，地震预警系统已经将地震观测、强震观测和地震烈度观测三者相互融合，因此，全面了解并掌握这3类仪器的特性及数据特征等在当前就显得尤为必要。

近年来，针对地震预警台网所涉及的3类仪器已开展许多理论分析和测试研究。金星等（2004）通过对福建、黑龙江的同型号基宽频带强震仪与地震仪的记录仿真进行对比研究得出，强震观测和非强震观测在一定范围内可以相互替代。王光冲等（2017）利用强震动观测数据对地震事件进行了重定位，发现强震动观测数据的地震定位处理结果基本能满足地震速报及编目的相关要求。王浩等（2013）对MEMS加速度计与传统加速度计记录的数据进行了对比分析，结果表明对于较强地面震动的监测，两者效果相当。张红才等（2017）以2015年河北昌黎M_L 4.5地震中测震、强震及烈度仪台站记录到的事件波形为研究对象，得到了对于烈度仪台站观测记录能力及特点的认识。上述工作大都是基于测震和强震或者强震和烈度的两两对比研究。张红才等（2017）虽然基于地震事件对比分析了3类仪器记录，但并未排除设备安装位置与安装方式对记录的影响。因此，本文拟对3类专业仪器进行同台址观测，对比分析3类仪器的记录波形特征及地震监测能力。

1 实验设计

本研究选择了背景噪声良好的陡河台山洞作为观测场址，在观测场址的同一个摆墩架设了地震计、强震计、烈度仪3种仪器，收集了自2018年8月以来的观测记录。通过对同台址地震计、强震计及烈度仪3类仪器记录的背景噪声进行RMS值、功率谱计算和傅里叶谱分析，总结3类仪器记录的波形特征，对比分析3类仪器的地震监测能力。

1.1 专业仪器选取

本研究选取的3种仪器为中国地震局北京港震仪器设备有限公司BBVS-60宽频带地震计、GZ-GN4四分量地震烈度仪和中国地震局工程力学研究所研制的SLJ-100型三分量力平衡加速度计（强震计），其中，BBVS-60宽频带地震计与SLJ-100型强震计共用EDAS-24GN数据采集器记录，各仪器的主要技术指标见表 1。

1.2 数据资料选取

相对于仪器观测数据，地震记录是小概率事件，大部分记录是背景噪声，背景噪声的影响相对固定（张荣杉等，2017）。观测仪器记录的背景噪声在一定程度上能够直接反映仪器的实际记录能力，可以充分体现观测仪器的地震监测能力（张红才等，2017）。因此，本研究选取夜晚23:00—24:00且无地震事件的背景噪声记录（1 h）进行了对比分析。

2 数据处理分析 2.1 加速度均方根值RMS

由于地震计记录的为速度物理量，而强震计和烈度仪记录的为加速度物理量，因此，在对3类地震观测仪器记录进行对比分析时，首先通过1次微分将宽频带地震计的速度记录转换为加速度记录，统一3类观测仪器的输出物理量，以便于进行对比分析。

利用背景噪声的加速度均方根RMS可以衡量台站的背景噪声水平，在同台址下用该值可以有效反映不同仪器的台基噪声记录水平及地震监测能力。通过对3类地震观测仪器的背景噪声记录进行去均值、去趋势等数据预处理，计算得到3类地震观测仪器的加速度记录（图 1），并按照下式计算其加速度均方根

$ {\rm{RMS}} = \sqrt {\left({\sum\limits_{i = 1}^n {X_i^2} } \right)/n} $

(1)

式中，X_i为某点实测地动加速度值，单位m/s²；n为观测频点总数。

计算得到3类地震观测仪器各分向RMS值，见表 2。由表 2可见，在时域范围内地震烈度仪记录的噪声水平总体比强震计高1个量级，强震计记录的噪声水平比宽频带地震计高50%左右。同时，由图 1可见，烈度仪记录的零点漂移较高，强震计也存在一定零点漂移，测震计的记录较平稳。

2.2 幅频特征分析

在地震波形分析中，不同频率的振幅对地震波形的性质会有重要影响，尤其在研究地震波对于工程结构的影响时这种影响更为明显。在数字信号处理中，通常通过傅里叶谱分析求得动态信号中各频率成分及其分布范围，并求解各频率成分的幅值及能量分布，得到主要幅度和能量分布的频率值。因此，本文对3类仪器记录的背景噪声进行傅里叶谱分析，得到的噪声记录振幅谱如图 2所示。

由图 2可见，地震计三分向在全频率内均可以进行良好记录，强震计在若干频率点附近有一定记录，烈度仪则无优势记录频率点。同时，也可以看到在频域范围内烈度仪的噪声记录幅值水平较强震计高1个数量级，强震计的噪声记录幅值水平较地震计高1个数量级。

2.3 噪声功率谱

对选取的无地震事件记录暨无干扰的背景噪声记录进行计算，得到3种地震观测仪器的噪声功率谱曲线（图 3）。

由图 3可见，地震计的噪声功率谱值为-180— -120 dB，而强震计的为-140— -80 dB，烈度仪的为-100— -50 dB。通过对比发现，地震计背景噪声记录均处于高噪声模型（NHNM）与低噪声模型（NLNM）范围内，强震计只能在大于0.1 Hz的高频段略低于高噪声模型（NHNM），而烈度仪的记录几乎完全超出高噪声模型（NHNM）。

3 讨论与结论

通过对烈度仪、强震计和地震计同台址的背景噪声记录进行对比分析发现：①在时域范围内，烈度仪记录的噪声水平总体比强震计高出1个量级，强震计记录的噪声水平比宽频带地震计高50%左右；②在频域范围内，烈度仪记录的噪声水平总体比强震计高1个量级，强震计记录的噪声水平比宽频带地震计高1个量级；③地震计背景噪声记录均处于高噪声模型（NHNM）与低噪声模型（NLNM）范围内，强震计只能在大于0.1 Hz的高频段略低于高噪声模型（NHNM），而烈度仪记录则几乎完全超出高噪声模型（NHNM）。

综上所述，本研究认为宽频带地震计可以对背景噪声在全频率域内进行有效完整的记录，强震计只能对大于0.1 Hz的天然噪声进行有效记录，而烈度仪的记录则完全是仪器自噪声，无法有效记录地脉动。由此可见，地震计的性能优于强震计，强震计的性能优于烈度仪。此外，本研究仅计算了背景噪声的RMS值及噪声功率谱的相关指标，且选择的是靠近水库和海洋的陡河地震台，因此结果会受到一些天然噪声的影响，所得认识可能不够全面和深入，得出的相关结论也可能不具备普遍性。今后将继续收集地震事件以及其他多种型号的3类地震观测仪器的记录深入开展相关研究。