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《中国地震局地球物理研究所》 2004年
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超宽频带与甚宽频带地震计精确标定技术研究及其应用

周云耀  
【摘要】:地震仪是人们观测地球内部信息和地震活动性的最有效工具。地震仪的发展经历了从简单到复杂、从模拟到数字的发展历程。20世纪70年代以来,数字地震观测技术不断进步,国外出现了STS-1、STS-2、GMT-3、KS-36000等性能优异的地震计,我国也研制成功了JCZ-1超宽频带地震计和CTS-1甚宽频带地震计,并在2000年建成了世界上频带最宽的中国国家数字地震台网,使我国的地震观测技术跻身于世界先进行列。 地震仪的高精度、大动态范围、宽频带使得经典标定方法已不适用,国内外研究了多种标定宽频带数字地震仪的方法。由于JCZ-1超宽频带地震计和CTS-1甚宽频带地震计具有非常宽的频带、很高的精度、大的动态范围和良好的线性,为保证地震记录数据具有极高的精度,必须大大提高地震计的标定精度。在国家“九五”、“十五”计划中,超宽频带与甚宽频带地震计在国家数字地震台网等台网中大量应用,在较短的时间内要完成地震计的生产、测试和台网建设,因而要求地震计的标定和测试的效率很高。因此,国内外现有的标定技术不能完全满足超宽频带与甚宽频带地震计的测试的精度和效率等方面的要求。 针对JCZ-1和CTS-1地震计的特性,本文研究了超宽频带与甚宽频带地震计的精确标定技术,实现了超宽频带与甚宽频带地震计标定的高精度和高效率的目标。其主要内容包括频域标定技术、时域标定技术、地震计灵敏度比测法、时频结合的快速标定方法等方面。 频域标定技术包括计算机控制正弦波标定技术、频域标定噪声处理技术和正交相关法等。计算机控制的正弦波标定技术采用高精度的数字转换器记录标定输出信号,实现对超宽频带与甚宽频带地震计的自动标定,大大提高了标定的精度与效率。频域标定中的数据处理,其关键是噪声处理。本文探讨了频域标定中针对不同噪声的不同处理方法,并针对长周期非线性漂移,详细研究了通过正弦波包络线求取漂移值的方法,有效地消除了长周期漂移等噪声。正交相关法解决了在噪声条件下标定地震计的问题,其超强的随机噪声抑制能力,使得在信号完全淹没在噪声中时,能够将信号从噪声中提取出来,具有相当高的精度。尤其对于传统标定方法无法顾及的高频段和长周期频段,正交相关法同样相当高的测试精度。 时域标定技术包括阶跃标定加权动态拟合法、低频端响应的分离法和阶跃标定的噪声处理技术等。用阶跃信号作为时域标定信号,特别适合于标定地震计的低频传递函数。加权动态拟合就是建立在阶跃标定法的基础上的。它通过建立理论系统的加权模型,经过迭代运算,求得的理论模型参数就是待测地震计的参数。加权动态拟合法抑制高频噪声的能力强、拟合精度高、收敛速度快。超宽频带与甚宽频带地震计的BB通道的阶跃响应反映了高频和低频的综合响应。本文提出阶跃标定的低频响应的分离法,消除了阶跃标定过程中高频噪声对低频端标定的不良影响,提高了信噪比,从而提高了低频传递函数的测试精度和效率。在时域标定过程中,同样不可避免地存在噪声。本文研究了各种时域噪声的处理方法,重点研究了对阶跃标定影响最大的长周期漂移噪声的处理方法,特别详细讨论了BB通道漂移数据的曲线拟合法。在时域标定中,对噪声数据的处理是一个必要的环节,有利于提高标定精度和测试效率。 时域频域结合的快速标定方法包括三点正弦波标定法、阶跃响应飞升曲线的拟合法,并将二 者结合起来应用于地震计批量生产和台网运行,大大提高了工作效率和标定精度。 地震计灵敏度的综合标定技术—比测法,将振动台标定及倾斜标定同正弦波电流标定结合 起来测试地震计的灵敏度,具有测试速度快、精度高的特点,适合于地震计的批量生产。 本文研究了超宽频带与甚宽频带地震计精确标定技术的软硬件系统的实现。该系统采用高精 度的D/A和A/0转换器,在计算机控制下完成标定信号的产生、地震计输出信号的采集等功能, 并进行数据处理,实现地震计的自动标定。 本文所研究的标定技术广泛应用于国家数字地震台网、首都圈地震示范区工程甚宽频带数字 地震台网、南极数字地震台网、环华数字地震台网等项目地震计的研究、生产和台网运行管理的 过程中。实践证明,该标定技术适用于高精度、高灵敏度、宽频带、大动态范围的地震计的测试, 在频域标定、时域标定、灵敏度测试等方面具有很高的标定精度。该标定技术也能用于标定其它 型号的地震计,具有通用性。
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