2022, Vol. 43
2) 中国南京 210014 江苏省地震局
2) Jiangsu Earthquake Agency, Jiangsu Province 210014, China
近年来，随着观测技术和计算机技术的不断进步，台基噪声水平分析成为评估地震台站运行质量的重要技术指标，对一个地区地噪声水平的正确评估和全面了解成为进一步改善地震观测质量的重要环节。采用概率密度函数（probability density function，缩写为PDF）（McNamara et al，2004）方法，直接使用连续波形计算背景噪声，未去除同震变化记录，可以得到仪器标定及干扰等信息地震台站、台网一般采用PDF方法实时监控地震仪器变化。
台基噪声水平随时间而变化，利用台基噪声功率谱分析干扰源，通过观察台站的实际观测环境，提出有效降低背景噪声的改善措施，提高地震台站观测质量。连云港台地处江苏省北部云台山山脉，台基基岩完整，为花岗片麻岩，放大倍数高，观测环境较好。2013年连云港地震台安装BBVS-120数字地震仪。仪器运行以来稳定性较好。随着时间的推移，有必要对BBVS-120数字地震仪背景噪声功率谱密度曲线、噪声地动加速度均方根值（RMS值）、有效测量动态范围以及台站地动噪声年变化进行总结，以便为地震研究提供精确的基础数据。
1 噪声计算方法与原理台基噪声水平是用背景噪声加速度功率谱（PSD）的概率密度函数（PDF）来表示的。目前一般采用经典的Welch算法进行分析，包括对信号的重叠分段、加窗处理和快速傅里叶变换（FFT）等（谢江涛等，2018）。
随机信号只能用统计平均量来表示，功率谱密度是描述随机信号统计规律的重要特征参量。对于宽频带地震台站，一般按照1 h长度截取数据段进行计算。以连云港地震台（下文简称连云港台）3个分向每小时连续记录数据为样本，采用Welch方法计算三分向加速度功率谱，以1/8倍频为单位间隔滑动，计算每条样本的平均功率谱，按照1 dB的区间大小进行幅度网格划分，覆盖范围一般为-200— -60 dB，计算出一定时间段（1月）内功率谱在频率点上的分布概率。为了最大程度地减小重叠后的“频谱泄露”，通常采用汉宁窗进行平滑处理（立凯等，2021）。
观测动态范围决定了一个台站可以记录地震事件大小的范围，可通过噪声功率谱RMS值，进而计算台站的观测动态范围，计算公式为：
| $ D = 20\lg \frac{R}{{{\rm{RMS}} \times s \times \sqrt 2 \times P}} $ |
式中，R为数采量程，RMS为台站噪声功率谱值（单位为m/s），s为系统灵敏度，P为数采量程修正值。
2 噪声功率谱分析以连云港台2019年数据记录为例，提取三分向每小时连续记录数据，计算每个月功率谱密度函数，各分向RMS值取中值，计算结果见表 1，概率密度函数PDF图见图 1。
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表 1 连云港台2019年1—20 Hz平均地动噪声RMS值 Table 1 RMS value of 1-20 Hz average noise of Lianyungang Seismic Station in 2019 |
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图 1 2019年连云港台台基地动噪声功率谱 Fig.1 Power spectrum PDF of noise of Lianyungang Seismic Station base in 2019 |
根据数字地震台观测规范要求，以台基背景噪声在1—20 Hz频带范围的地动速度噪声RMS值作为台址勘选的评估标准（中国地震局监测预报司，2003）。具体评估标准为：Ⅰ类台基噪声水平RMS＜3.16×10-8 m/s；Ⅱ类台基噪声水平3.16×10-8 m/s≤RMS＜1.00×10-7 m/s；Ⅲ类台基噪声水平1.00×10-7 m/s≤RMS＜3.16×10-7 m/s；Ⅳ类台基噪声水平3.16×10-7 m/s≤RMS＜1.00×10-6 m/s；Ⅴ类台基噪声水平1.00×10-6 m/s≤RMS＜3.16×10-6 m/s。由表 1所示计算结果可知，连云港台台基背景噪声水平全年处于较为稳定的状态，达到Ⅰ类台标准。
3 背景噪声特性与典型干扰源分析为了更好地反映连云港台背景噪声水平，选取2019年6—7月数据记录作为研究对象，分析背景噪声特征。计算样本数据时遵循以下原则：①以消除地震信号对噪声计算的影响，剔除带有地震信号的数据；②选取夜晚的噪声差别，分别选取夜晚00时至04时、白天11时至14时的数据进行对比分析，以更好地反映日夜噪声差值。将截取数据做预处理，利用Welch方法计算每条样本的噪声功率谱值，平均噪声功率谱值及有效动态范围结果见表 2。
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表 2 白天和夜间平均地动噪声RMS值（1—20 Hz）和平均有效测量动态范围 Table 2 RMS value (1-20 Hz) and average effective measurement dynamic range of daytime and nighttime average ground motion noise |
由表 2所示对比分析结果可知，日间噪声水平较高，通过有效测量动态范围可见日夜差值在3 dB左右，究其原因为，连云港台地处花果山景区，白日旅游车辆和人员密集易造成干扰，特别是旅游旺季和节假日，日夜噪声水平差异更为明显。
为全面撑握连云港台背景噪声干扰源，调查周围环境变化，并分析连续波形变化，以期为数据处理提供参考。台站背景噪声主要有人为噪声、自然环境噪声。人为噪声是人类活动引起的环境噪声，例如车辆干扰、基建干扰等，其中车辆干扰为常见干扰。连云港台以北约100 m建有一条公路，导致NS向干扰比其他分向更为明显。图 2给出旅游旺季连云港台波形记录及噪声功率谱密度曲线，明显可见，干扰主要分布在10—20 Hz频段。人类活动是台站噪声主要来源，保护观测环境是台站工作的重要任务，可以通过科普宣传、法律保护等加强观测环境保护。针对不可避免的人为干扰，连云港台采取了一些改善措施，例如购买专业的地震计防护罩、改造测震摆房等。
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图 2 2019年5月连云港台车辆干扰记录及噪声功率谱密度曲线 Fig.2 Continuous waveform and calculated noise power spectral density curve of Lianyungang Seisimc Station disturbed by vehicles in May, 2019 |
自然环境噪声主要来源于大风、海浪、河流及温度变化等，而大风是其中的主要干扰源。风与粗糙地面产生摩擦，树或高大建筑物随风摇摆，地震计周围空气流动，均会引起长周期噪声。连云港台背靠山脊，周围生长着大量的树木，且沿海地区常年大风，起风时树木摇晃造成干扰。图 3给出该台2020年5月17日受风干扰的波形记录及噪声功率谱密度曲线，可见大风造成约0.5 Hz的长周期干扰，还有高频10 Hz以上的干扰。
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图 3 2020年5月17日连云港台大风干扰记录和噪声功率谱密度曲线 Fig.3 Continuous waveform and calculated noise power spectral density curve of Lianyungang Seismic Station disturbed by strong wind on May, 17, 2020 |
通过对连云港数字地震台站BBVS-120观测仪器的2019年度台基噪声分析与计算，得出该台背景噪声地脉动速度均方根（RMS值）、噪声信号功率谱密度以及台基噪声年变化。结果表明，BBVS-120数字地震仪状态良好，连云港台台基噪声达到Ⅰ类台基水平。通过对比分析连云港台白天和夜晚的功率谱，发现该台日夜的噪声差值约3 dB。
连云港台人为干扰主要来自周围基础建设、旅游旺季景区人员聚集和车辆通行，自然干扰主要是大风带动树木摇晃对地震计的干扰。在进行数据处理时，务必剔除人为干扰和风扰等，以便为地震研究提供精确的基础数据。
立凯, 陈浩, 张朋, 等. 江苏省测震台网背景噪声特征[J]. 华北地震科学, 2021, 39(3): 66-71. |
谢江涛, 林丽萍, 谌亮, 等. 地震台站台基噪声功率谱概率密度函数Matlab实现[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(2): 84-89. |
中国地震局监测预报司. 数字地震观测技术[M]. 北京: 地震出版社, 2003.
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McNamara D E, Buland R P. Ambient noise levels in the continental United States[J]. Bull Seismol Soc Am, 2004, 94(4): 1 517-1 527. |