0 引言

随着国家地震烈度速报与预警工程安徽子项目的持续推进，安徽省正逐步构建测震、强震动、地震烈度三网融合的地震预警台网。地震预警台网中除采用传统的地震计和加速度计外，还将采用地震烈度仪。地震烈度仪是配备MEMS传感器的加速度计，具有成本低、体积小、能耗低、灵敏度高等优点，便于铺设高密度台网。利用高密度部署的地震烈度仪，可在震后几秒内提供强地面运动图，在及时提供关键性地震信息、减小预警盲区、缩短预警时间等方面具有较大优势（康涛，2018）。

近年来，针对地震烈度仪已开展许多测试和研究。如：王浩等（2013）对MEMS加速度计与传统加速度计记录数据进行对比分析，结果表明，二者对于较强地面震动的监测效果相当；张红才等（2017）以2015年河北昌黎M_L4.5地震中测震、强震及烈度仪台站记录事件波形为研究对象，得到对于烈度仪台站观测记录能力及特点的认识；王光冲等（2019）对3类地震仪器同台址背景噪声观测记录进行对比分析，结果表明，烈度仪无法有效记录地脉动。

为进一步规范地震监测专业设备，中国地震台网中心2019年发布中国地震局已定型地震监测专业设备名单。文中拟对名单中的MI 3000和GL-P2C地震烈度仪进行同台址观测，对比分析2种仪器的波形记录特征及地震监测能力。

1 资料选取

地震烈度仪观测数据中大部分记录为背景噪声，其影响相对固定，地震记录仅占少数。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，可充分体现观测仪器的地震监测能力。

2019年12月18日，安徽省地震局在合肥地震台和该局仪器检测室开展MI 3000和GL-P2C地震烈度仪性能比测试验。合肥地震台背景噪声良好，安徽省地震局仪器检测室背景噪声较差，2种烈度仪均架设在观测场地同一摆墩上。在实验过程中，合肥地震台观测摆墩上同步运行1套SLJ-100型三分向力平衡加速度计。其中：GL-P2C地震烈度仪由北京港震仪器设备有限公司研制，MI 3000地震烈度仪由北京东立博远科技有限公司研制，SLJ-100型加速度计由中国地震局工程力学研究所研制。各仪器的主要技术指标见表 1。

收集整理2019年12月至2020年7月2个场地烈度仪观测记录，选取无地震事件24 h背景噪声记录，计算其背景噪声RMS值、功率谱，总结波形记录特征，对比分析2种烈度仪性能特征。

2 数据处理分析 2.1 加速度均方根

背景噪声加速度均方根RMS可以衡量台站背景噪声水平，在同台址下可有效反映不同仪器的台基噪声记录水平及地震监测能力。对观测仪器背景噪声记录进行去均值、去趋势等预处理，得到加速度记录，并根据下式计算加速度均方根

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

(1)

式中，X_i为某点实测地加速度值，n为观测点总数。

选取合肥地震台2套地震烈度仪与1套加速度仪，安徽省地震局仪器检测室2套地震烈度仪，总计5套仪器24小时观测数据，以1 h观测数据为基本单位计算加速度均方根，结果见图 1，各分项RMS值见表 2。

由图 1(a)和表 2可知：合肥地震台同台址观测的3套仪器记录背景噪声加速度值均方根RMS最大值与最小值之间至少相差1个量级，其中加速度仪记录的背景噪声RMS值最低，三分向均值最高为5.6×10^-5 m·s^-2（NS向）；MI 3000地震烈度仪背景噪声RMS值最高，三分向均值最高为1.9×10^-3 m·s^-2（UD向）。

观测仪器记录的背景噪声由仪器自噪声和观测点台基噪声组成，即

$ {\rm{Nois}}{{\rm{e}}_背景噪声} = {\rm{Nois}}{{\rm{e}}_仪器自噪声} + {\rm{Nois}}{{\rm{e}}_台基噪声} $

(2)

开展同台址观测对比实验时，不同仪器相同时间段记录的背景噪声中台基噪声一致。鉴于3套仪器记录的差异性，令加速度仪记录的背景噪声为台基噪声，即

$ {\rm{Nois}}{{\rm{e}}_背景噪声} = {\rm{Nois}}{{\rm{e}}_台基噪声} $

(3)

计算得出合肥地震台GL-P2C地震烈度仪记录的背景噪声中，台基噪声占比约为10.7%；MI 3000地震烈度仪记录的背景噪声中，台基噪声占比约为3.7%。由此得知该台2套烈度仪记录均为仪器自噪声，无有效地脉动信号。

对比合肥地震台2套地震烈度仪记录的背景噪声得知：MI 3000地震烈度仪自噪声水平为GL-P2C地震烈度仪记录的3倍左右；2种地震烈度仪记录水平向噪声水平约为垂直向噪声水平的50%。

对比合肥地震台和仪器检测室2处站点同型号烈度仪记录的背景噪声加速度值均方根RMS值，可以得出：MI 3000地震烈度仪在2处站点记录的背景噪声RMS值相近，三分向均值差异比约为7.8%，即仪器检测室MI 3000地震烈度仪记录为仪器自噪声，无有效地脉动信号；GL-P2C地震烈度仪在2处站点记录的背景噪声RMS值相近，三分向均值差异比约为68.00%，即仪器检测室GL-P2C地震烈度仪记录到有效地脉动信号。

2.2 噪声功率谱

噪声功率谱分析是依据所采用的数字地震仪类型及其零点和增益参数，计算所在台基的地噪声功率谱密度曲线。计算所选取无地震事件记录的背景噪声功率谱，得到2种烈度仪分别在2个观测点的噪声功率谱曲线，见图 2。

图 2(a)为合肥地震台2套烈度仪记录的仪器自噪声功率谱曲线，可见GL-P2C地震烈度仪频带范围为DC—80 Hz，MI 3000地震烈度仪频带范围为DC—40 Hz。2套烈度仪噪声功率谱曲线中部分频点对应的功率谱数值见表 3。由表 3可知：在DC—40 Hz范围内，GL-P2C地震烈度仪信号噪声功率谱数值比MI 3000地震烈度仪低，特别是在频带0.4—40 Hz，比之降低约10 dB。

对比合肥地震台和仪器检测室2处站点4套烈度仪记录的噪声功率谱曲线，可知：在DC—10 Hz和20—40 Hz范围内，不同地点的2套MI 3000地震烈度仪噪声功率谱一致性较好；在DC—10 Hz范围内，不同地点的2套GL-P2C地震烈度仪噪声功率谱一致性较好；在10—20 Hz范围内，仪器检测室2套地震烈度仪噪声功率谱均降低约10 dB，可知其台基噪声集中在10—20 Hz范围内。

3 结论与讨论

对2种地震烈度仪在2个观测点进行同台址背景噪声记录比测，分析时域范围加速度均方根和频域内噪声功率谱，发现：GL-P2C地震烈度仪频带范围为DC—80 Hz，MI 3000地震烈度仪的频带范围为DC—40 Hz；MI 3000地震烈度仪自噪声水平约为GL-P2C地震烈度仪自噪声水平的3倍。综上所述，在频带范围、自噪声等性能上，GL-P2C地震烈度仪相对优于MI 3000地震烈度仪。

在国家地震烈度速报与预警工程（以下简称预警工程）建设过程中，一般站点由中国铁搭股份有限公司承建，所有站点依托现有通讯基站建设，站点之间背景噪声水平相差较大。为了保障预警工程实施安全性，兼顾厂家生产和售后服务能力，按照中国地震台网中心整体部署，各省预警工程一般站点采用MI 3000和GL-P2C两种不同型号的地震烈度仪，经性能对比，GL-P2C地震烈度仪更适用背景噪声水平较优的站点。

优化布局预警工程地震烈度监测网，优选适合监测站点的地震烈度仪，可丰富一般站点的实测记录，进而提高烈度速报监测网的监测能力。