普通数字地震台站测震系统通过地震计拾取地震波信号，由数据采集器放大处理并将模拟电信号转换为数字信号，通过网络传输设备远程实时传送到国家地震台网中心和相关省级台网测震服务器，客户端通过调取服务器数据实现地震波形的分析处理。为保证地震波形数据的完整和有效性，仪器运行的长期稳定性和网络传输的连续低延迟要求至关重要，地震台网运行的技术质量在较大程度上取决于数据传输的可靠性及其质量（JENS HAVSKOV et al，2007）。因此，在中国地震台网中心测震观测系统资料评比中，观测系统运行率和波形记录质量是重要评价指标，从某种程度上来说，运行率高低和波形记录优劣直接决定了台站数据记录全年度的整体质量。

通过对十堰市地震台（下文简称十堰台）多年以来测震观测系统运行中存在的一些问题进行详细分析，查找问题产生的根源，提出一系列针对性解决方法，并根据近10年来系统运行率变化，分析地震记录波形特征，对观测系统运行总体水平和质量进行客观评价，以验证相关工作措施的科学效能。

十堰台原为国家级测震基本台，现为地方管理的具有测震、地磁、形变、重力等观测手段的综合性台站，纳入全国台网考核评价。数字地震观测站位于张湾区牛头山森林公园野猫子凹，海拔高度近700 m，于2004年建设，2007年投入运行。台基岩性为辉绿岩，仪器墩由整块岩石切割而成，摆房观测室按照相关标准进行施工，保温、密封、防潮处理符合标准。

台站初始配备smart24数字测震仪，后因仪器故障，于2015年更换为EDAS-24GN数据采集器，地震计型号更换为BBVS-120，采用牛头山林场交流加UPS电池的方式进行供电。因台站所处位置偏僻，山高林密，与十堰中心城区距离较远，附近无相关基站设施，数据记录无法进行有线传输，采用微波方式点对点传输至四方山通讯站，经电信机房中转，通过SDH专线传输至湖北省地震台网中心，并回传至十堰市地震台测震服务器。

牛头山与四方山微波站直线距离不足12 km，小于中继站设置距离（50 km），采用微波传输，成本相对较低。微波传播与光波类似，若传播路径无阻挡，可视为视距传播，即直线传播。与利用电磁波的电离层反射现象进行“超视距”传播相比，视距微波通信的传播特性稳定，外界干扰较小（中国地震局监测预报司，2007）。考虑供电线路距离、地形以及避雷等因素，台站微波天线设置在观测站东侧山坳，塔架顶部与四方山基本实现通视。

牛头山采用NEC PASOLINK NEO系列点对点无线接入射频系统，使用16QAM调制方式，扩展带宽至80 Mbps，接口采用以太网口，带插入系统的独立公共IDU室内单元及（6—52）GHz频带的ODU室外单元。数据信号经调制器转换为多进制数字频谱，信号放大后由发信机通过微波天线发送射频信号，四方山电信微波站通过收信机解调器将射频信号解调转换为网络数字信号，从而实现地震波形数据的无线远距离传输（图 1）。

图 1(Fig.1)

图 1 十堰数字测震台初始网络数据传输拓扑 Fig.1 Topology of initial data transmission network at Shiyan Digital Seismic Station

实际微波接力通信的电波并非在理想的自由空间传播，而是在低层大气中传播，因此，电波不仅会受到地球曲率的影响，而且会受到诸多不利因素的影响，从而使接收点场强产生附加的损耗（中国地震局监测预报司，2007）。在实际使用过程中发现，微波传输存在较多弊端，具体体现在：①经常受树木等障碍物遮挡，大风、暴雨等恶劣天气也容易造成设备传输时断时续；②设备稳定性差、功耗大等也难以保证工作需求；③设备出现故障，维修难度大，易造成数据传输长时间中断、网络延迟时间长、丢包率高等问题。

牛头山地震观测站交流供电来自林场场部，市电供给时断时续，发生停电故障无法及时处理，UPS电源容量小，续航时间短，同时为微波设备供电，电力不足。该观测站为无人值守站，若发生断记事件，无法短时间解决问题。

牛头山台微波传输方式不稳定、持续供电无法保障、交通不便造成故障响应困难，导致十堰台测震观测系统故障率高、断记时间长、整体运行率偏低，地震观测资料质量较低。

牛头山地震观测站地处偏僻区域，交通不便，无人值守，为快速响应、现场维护带来困难，为此提出一系列切实可行的解决方法，即采用3路交流供电自动切换辅助2路直流供电方式，为仪器运行提供稳定的电力供给，并采用一主一备有线光纤传输解决微波单线传输的弊端。

（1）电力保障。经多方努力，市电供给有所改善，但依然无法满足工作要求。为此，于2013年增设2 kW太阳能光伏发电设备，保障测震观测仪器用电，且箱式直流电源增加续航时间，保证夜间用电，为故障处置赢得时间。此后，十堰台因停电造成的数据断记时长大幅减少。2018年初十堰市普降暴雪，市电长时间中断，测震台UPS电池电量耗尽，太阳能发电板因冰雪覆盖无法工作，造成130余小时数据断记。因此，更换原UPS电池，在支持直流供电设备上加装电瓶和充电设备，将光纤收发器、交换机等网络设备统一更换为交流和直流接口双路供电。同时，采购一台6 kW柴油发电机，保证在低温环境下远程自启动发电，安装AST双回路电源转换器，实现多路交流供电的自动切换（图 2）。

图 2(Fig.2)

图 2 十堰数字地震台供电线路升级改造方案整体架构 Fig.2 Overall architecture of power supply line upgrade and renovation scheme for Shiyan Digital Seismic Station

2019年初，受大雪天气影响，十堰台市电停供，但数据未出现断记现象，上述供电改造措施得到有效检验，此后该台因停电造成的长时间断记现象消失。

（2）数据网络传输方式变更。淘汰原有微波无线传输方式，搭建网络传输故障监视平台，分别于2012年和2016年架设中国移动、中国电信2条点对点光纤线路，在重要中转基站配置应急供电设施，建立网络故障联动响应机制，实现故障快速判定、快速响应、快速处置和快速反馈。

2020年在地震台站机房搬迁过程中，积极争取人防办支持，在中心机房和牛头山地震台增设三层网络核心交换机，配置STP协议，将2条光纤线路设置为一主一备，实现线路故障毫秒级无缝切换（图 3）。

图 3(Fig.3)

图 3 十堰数字地震台改造后网络数据传输拓扑 Fig.3 Topology of data transmission network at Shiyan Digital Seismic Station after transformation

台网中心对所接收的连续波形数据进行统计，通过软件可以实现连续波形资料断记的自动统计，断记结果用图形和文本文件表示（刘瑞丰等，2015）。选取十堰台2009—2020年测震记录，统计SEED格式波形记录数据断记时长，结果见表 1、图 4。

表 1(Table 1

表 1 十堰台2009—2020年度测震断记统计Table 1 Statistics of missing records at Shiyan Seismic Station from 2009 to 2020 参数项 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 断记时间/s 1 206 583 967 910 1 076 034 2 028 046 135 083 322 354 参数项 2015年 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年 断记时间/s 154 577 144 184 131 877 322 114 933 81 984

表 1 十堰台2009—2020年度测震断记统计 Table 1 Statistics of missing records at Shiyan Seismic Station from 2009 to 2020

图 4(Fig.4)

图 4 2009—2020年十堰台测震数据断记统计变化曲线 Fig.4 Statistics of seismic data missing records at Shiyan Seismic Station from 2009 to 2020

由表 1、图 4可知：2009—2012年，十堰台测震数据年度断记均在100万秒以上，其中2012年在200万秒以上；2013年安装光伏太阳能发电系统、增设移动公司备用线路后，因停电造成的断记现象有所减少，年度断记小于40万秒；2018年在对供电和网络系统进行全面整改以后，测震系统运行质量得到明显提升，2019年度断记时长仅933 s（网络闪断等造成），2020年度有所增加（办公区机房搬迁、设备调试造成），表明十堰台数据断记整改措施得到有效检验，测震系统运行质量得到提升。

十堰台现运行观测系统由北京港震机电技术有限公司生产的BBVS-120宽频带地震计和EDAS-24GN数据采集器组成，采用宽频带地震计—模数转换（ADC）—FIR低通滤波器（输入采样率2 000 counts，输出400 sps）—FIR低通滤波器（输入采样率400 counts，输出200 sps）——FIR低通滤波器（输入采样率200 counts，输出100 sps）5级设计，每秒产出100个采样点的数字资料（刘瑞丰等，2014）。

通过对2015年1月至2021年12月十堰台地震观测数据记录进行震例抽样，对不同震中距地震的记录波形进行短周期WWSSN-SP、中长周期SK、长周期763记录仿真，对不同类型的地震进行震相分析，以科学评价波形记录质量，总结波形记录特征。

（1）震中距100 km范围内的地震。地方震主要分布于湖北房县、竹山、竹溪、丹江谷城和河南淅川一带，M_L＞1.5地震记录清晰完整，利用Sg与Pg震相到时差进行单台定位，震中距误差一般小于5 km，部分地震震中距误差小于2 km。以2017年10月5日郧阳区M_L 1.5和2021年1月7日房县M_L 1.5地震（震中距均在100 km范围内）为例，可见2次地震记录具有地方震波形的典型特征：①振动持续时间较短（＜2 min），记录规则无畸变；②波形频率较高（2—10 Hz），振动周期短（0.1—0.5 s）；③震相简单，主要震相为Pg、Sg，直达纵波Pg与横波Sg到时差小于13 s；④震源深度小于10 km，短周期面波不发育。2次地方震波形见图 5。

图 5(Fig.5)

图 5 十堰台地方震记录波形 (a) 2017年10月5日十堰郧阳区ML 1.5地震记录；(b)2021年1月7日十堰市房县ML 1.5地震记录 Fig.5 Waveform of local earthquake records at Shiyan Seismic Station

（2）震中距100—800 km的地震。以2018年10月11日湖北秭归M_S 4.5地震（震中距176 km）和2019年6月17日四川长宁M_S 6.0地震（震中距731 km）为例，分析十堰台记录的近震波形特征，结果见图 6，可见：①振动持续时间一般在3—5 min，且随震中距增大而增长，对于震级较大的地震，伴随能量的释放衰减，振动时间将有所增长；②震相随震中距增加变得丰富，震中距Δ＜200 km时，主要震相为Pg、Sg，Pn震相不易辨认；Δ＞300 km时将出现清晰的Pn、Sn震相，震级较大时，Pb、Sb震相清晰可辨；③当浅源地震震中距达700 km以上时，Pg、Sg震相变得模糊，短周期面波Lg、Rg明显；④在短周期WWSSN-SP仿真记录上，直达波Pg、Sg振幅明显强于首波Pn、Sn；⑤对于300 km范围内的地震（震中位置在湖北巴东、重庆石柱、河南平顶山、三门峡以及山西临汾等），波形记录完整清晰，而位于十堰台西北方向陕西商洛、宁陕等地的地震，震相波形相对模糊，应与秦岭地区复杂的地质结构关系密切；⑥对于震中距500—800 km的地震（震中位于四川宜宾、雅安、巴中、云南昭通等），波形记录较好，可以清晰分析Pn、Pb、Pg、Sn、Sb、Sg震相，震级下限可达4.0；⑦当震中距大于800 km时，地震波周期变大，出现明显的短周期面波，波形整体形态接近于远震记录。

图 6(Fig.6)

图 6 十堰台近震记录波形 (a) 2018年10月11日湖北秭归MS 4.5地震记录；(b) 2019年6月17日四川长宁MS 6.0地震记录 Fig.6 Waveform of near earthquake records at Shiyan Seismic Station

（3）震中距在10°—105°的地震。以2018年9月10日克马德克群岛M_S 7.0地震（震中距10 268 km）和2021年3月20日日本本州东岸近海M_S 7.0地震（震中距2 875 km）为例，分析十堰台记录的远震波形特征，见图 7，可见：①随着震中距的增大，地震动持续时间逐渐增长，波组与波组的间距随之增大；②对于中浅源地震，横波P与纵波S到时差2 min＜t_P-S＜11 min30 s，面波较发育，与初至P波到时差4 min＜t_Rm-P＜45 min，在中长周期SK仿真记录上，面波周期为10—25 s；③一般震中距10°—25°的地震（震中位于日本、缅甸、菲律宾、蒙古等国和中国台湾等地区），主要震相为P和S，面波发育，pP和sS震相走时间隔短，难以分辨。震中分布在我国新疆、西藏地区的地震，十堰台波形记录相对较差，5.0级以下地震基本无法进行震相分析；④震中距25°—80°的地震，多为分布在印度洋、太平洋等地区的海洋地震，以及分布在俄罗斯远东堪察加半岛地区和土耳其、阿富汗等国的地震，主要震相有P、PP、PPP、S、SS、LQ、LR等，仿真后的pP、sP和sS震相清楚可辨；⑤震中距大于85°（震中位于斐济、克马德克群岛等地）的地震，一般S震相到时滞后SKS震相20—30 s。

图 7(Fig.7)

图 7 十堰台远震记录波形 (a) 2018年9月10日克马德克MS 7.0地震记录；(b) 2021年3月20日日本本州东岸近海MS 7.0地震记录 Fig.7 Waveform of distant earthquake records at Shiyan Seismic Station

（4）震中距大于100°的极远震。以2017年4月25日智利M_S 6.9地震（震中距19 766 km）和2020年6月23日墨西哥M_S 7.4地震（震中距13 907 km）为例，分析十堰台记录的极远震波形特征，结果见图 8，可见：①地核穿透波PKP起始尖锐，成为主要初至震相，PP、SS记录清晰，面波发育；②主要震相有PKP、PKP2、PP、SKKS、SS，震相Pdif一般较弱，在地震记录图上难以分辨，震相SKKS在水平分向上记录清晰；③极远震记录震级下限为5.5，一般利用PP和SS到时差进行极远震单台定位，震中距定位误差控制在±2°以内，对于震级较大的浅源地震，定位误差可达±0.5°；④基本无震中距105°—120°的极远震记录，应为受台站所处位置和全球主要地震分布的影响。

图 8(Fig.8)

图 8 十堰台极远震记录波形 (a) 2017年4月25日智利MS 6.9地震记录；(b) 2020年6月23日墨西哥MS 7.4地震记录 Fig.8 Waveform of extreme distant earthquake records at Shiyan Seismic Station

十堰台以往受微波传输方式不稳定、持续供电无法保障、交通不便等影响，测震观测数据断记时间长，整体运行率偏低。2013年以来，台站对供电和数据传输方式进行整改，数据断记现象减少，测震系统运行质量提升，主要体现在：①供电方式改变后，受天气影响而出现数据断记的现象基本消失；②数据网络传输方式变更为有线光纤传输后，实现了故障快速判定、快速响应、快速处置和快速反馈，数据传输中断现象基本不存在；③通过对2015年以来不同类型地震波形记录特征分析，可知更换新的测震观测仪器后，可清晰记录到地方震（M≥1.5）、近震（M≥2.5）、远震（M≥4.0）和极远震（M≥5.5）；④十堰台测震观测记录符合宽频带数字地震记录的总体特征，台站整体观测环境较好，波形记录连续稳定，规则完整，畸变较小，为开展高质量地震分析工作提供了数据基础。

通过对十堰台测震系统数据断记分析和整改，该台测震系统运维质量得到大幅度提高，工作取得显著成效，数据质量得到明显提升，可为国内同类台站提供参考。但是，台站也存在缺乏系统性、标准化的问题，今后将积极推进系统的进一步优化升级，运用信息化手段，建立集节点设备运行状态监视、设备环境监控、安全检测、故障告警、自动判定故障类型、自动提供故障处理方案等功能的一体化测震台站管理运行平台，从处置预见性故障入手，消除可能出现的问题和隐患，减少人工干预，降低人力和物力成本，完善各项基础工作，促使观测系统稳定运行，提供高质量基础数据。