0 引言

高质量地震观测波形是进行地震科研和地震烈度速报与预警的基本需求。近年来，随着地震监测台站的升级、改造，以及国家地震烈度速报与预警工程项目的推进，地震监测台站数量大幅增长。面对大量台站和数据，准确定位异常台站并排查异常原因是当下面临的重要问题。目前，部分地震台站监测地震波形采用人工浏览方式进行，逐台浏览费时费力，多台波形同时浏览则可能因波形压制等出现遗漏。计算台站背景噪声水平，可有效评估台站观测数据质量。因此，通过计算背景噪声水平进行异常台站筛选，可有效减少台站人员工作量（安全等，2021）。

噪声功率谱概率密度（Probability Density Function，PDF）计算，已广泛运用于台站质量监控，其主要原理为：分析功率谱密度值（Power Spectral Density，PSD）在一定时间范围内的分布，反映台站背景噪声变化特征并寻找异常。国际上，多个组织（如IRIS）和国家（如意大利等）采用该方法进行台站数据质量监控（McNamara et al，2005；Marzorati et al，2006）；在我国，重庆、内蒙古、四川、新疆、河北等地台站和省地震局均采用PDF方法对地震观测设备工作状态进行监控（杨千里等，2019；谢江涛等，2021；王宁等，2022；杨亚运等，2023；包文超等，2023）。

本文对额肯呼都格地震台测震和强震连续观测数据进行背景噪声计算，采用傅里叶变换和噪声功率谱方法，对异常数据进行分析，并进行现场排查，判定干扰类别，为其他出现类似干扰的台站提供数据处理经验和思路。

1 台站信息

额肯呼都格地震台位于花岗闪长岩广泛出露的北大山区，地质构造位置处于中朝地台的阿拉善台块，该地块以前震旦系片岩、片麻岩、白云质大理岩和石英岩等为基底，以震旦系及其后沉积物为盖层。台站所处区域历经中生代以来多次地质构造活动，其中喜马拉雅强烈运动塑造了以龙首山为代表的强烈隆升。

额肯呼都格地震台采用地表观测，配置地震计、强震计各1套，分别通过摆线接入不同数据采集器。观测仪器信息见表 1。

2 原理

通过计算台站一段时间内观测波形的功率谱密度PSD，可以得到相应概率谱密度PDF值。相比于PSD值计算，PDF方法利用统计学原理，在更宽频带上，获得更多噪声信息。PSD计算方法如下：选取单位时间内台站观测数据，将其分为13个数据段，将相邻数据段重叠50%以降低方差，并进行数据归零和去长周期处理。对预处理数据段进行快速傅里叶变换得到速度PSD值，并将其转换为加速度PSD值，进行平滑处理后，计算概率密度函数，分析PSD值PDF分布特征，得到异常干扰频段。

2.1 功率谱密度计算

功率谱密度PSD值计算公式如下

$ \operatorname{PSD}_k(f)=\frac{2 \Delta t}{N}\left|Y_k\right|^2 $

(1)

式中，采样间隔Δt = 0.01 s，N为采样点数，Y_k为对离散频率f_k进行傅里叶变换的结果。将速度PSD值转换为加速度PSD，计算公式如下

$ \operatorname{PSD}_{a, k}(f)=(2 {\rm{\mathsf{π}}} f)^2 \operatorname{PSD}_k(f) $

(2)

排除传递函数造成的影响，反映真实地动噪声值，计算公式如下

$ \operatorname{PSD}_a(f)=\frac{P_{a, k}(f)}{|H(f)|^2} $

(3)

式中，PSD_a(f)为真实地表运动加速度功率谱。

2.2 平滑处理

每个数据段PSD值随频率的变化可由在对数坐标系中呈等间隔采样的中心频率PSD值来表示。采用1/3倍频进行均值平滑，使PSD值呈等间隔采样，公式如下

$ \operatorname{PSD}_a\left(f_{\mathrm{c}}\right)=\frac{1}{n} \sum\nolimits_{f_1}^{f_{\mathrm{h}}} \operatorname{PSD}_a(f) $

(4)

式中，f_c为中心频率，取值范围在0.01—50.00 Hz。

2.3 概率密度函数计算

每个中心频率f_c对应的PSD概率密度函数为

$ P_{\mathrm{PSD}}\left(f_{\mathrm{c}}\right)=N_{\mathrm{P}_{f_{\mathrm{c}}}} / N_{f_{\mathrm{c}}} $

(5)

其中，N_fc为f_c频点的记录段总数；N_Pfc为f_c频点对应的PSD值落在某PSD取值范围内记录段个数。

3 数据异常现象

对记录数据波形进行逐台浏览费时费力，多台波形同时浏览则可能因波形压制等出现遗漏，计算台站背景噪声水平，可有效评估台站观测数据质量。对额肯呼都格地震台强震2023年7月1日至31日连续观测数据进行概率谱密度背景噪声计算，发现强震三分项观测数据出现异常，如图 1。

选取额肯呼都格地震台2023年7月8日地震观测数据，因凌晨各类环境和施工干扰最小，故截取00:30—01:00强震观测数据，对数据进行均值归零化处理并绘图，发现原始记录三分向测值幅度存在异常，该区域强震数据变化幅度通常在10 Gal以内，三分向数据均大幅超过正常值。截取30 s数据进行分析，发现强震数据存在周期性异常（图 2）。然而，在日常巡视过程中，浏览数据会自动压缩幅值，此类原始波形异常则不易被发现。

4 干扰分析

通过时间、场地、设备逐一对额肯呼都格地震台干扰数据进行分析，确定干扰原因。

4.1 时间段分析

以额肯呼都格地震台2023年7月8日地震观测数据为例，绘制24小时原始观测数据波形进行分析，结果见图 3，可见强震观测全天受到干扰，且三分向幅值接近，初步排除地震异常及雷击、暴雨、施工等环境干扰和人为干扰的可能。

4.2 场地分析

选取额肯呼都格地震台2023年7月8日观测数据，采用概率谱密度（PDF）方法，对强震计和同台地震计进行背景噪声计算（图 4），并对设备所在场地进行干扰排查。

由图 4可知：在f≥0.5 Hz频段，强震观测数据PDF（强震计）存在明显异常，而测震观测数据PDF（地震计）无明显异常；在0.01—0.5 Hz频段，强震观测数据PDF分布在正常范围内，表明强震计自身故障的可能性较小（安全等，2024；包文超等，2024）。通过2套设备的对比观测，进一步排除环境和施工等干扰导致强震观测数据异常的可能。

4.3 设备分析

查询设备安装报告并对观测设备进行现场检查（图 5）。更换摆线、数据采集器、强震计后异常未消失，仅在设备更换时出现短暂正常数据（图 5），疑似数据异常由供电故障所致。由此进行电源干扰测试，发现关闭市电，采用蓄电池供电后干扰消失，因此判定干扰与电源密切相关。与设备生产厂家进行沟通，判断应为设备接地异常，不能将市电产生的干扰信号通过地线释放。将数据采集器和强震计接地线进行清理，并更换线缆后重新连接，重新供电后数据噪声明显降低（图 6），计算数据PDF并进行傅里叶变换，结果均无异常（图 7）。

5 结论

通过对额肯呼都格地震观测数据（地震计、强震计）进行傅里叶分析和PDF计算，结合时间、空间、设备信息等判断干扰因素，并对故障进行排查，得出以下结论：对地震观测数据进行PDF分析，可以有效发现台站观测数据异常，提升观测数据质量；台站建设和仪器部署规范化是保障台站观测数据质量的基础，新建台站或对台站仪器设备进行更换后，应仔细检查设备线路连接情况，务必保证良好接地，在采用电瓶、太阳能等直流电和市电进行供电时，避免输电线与摆线并线时产生干扰。