《地震观测仪器进网技术要求 烈度速报与预警观测仪器.doc

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1、地震观测仪器进网技术要求 烈度速报与预警观测仪器 编制说明 1、制定的必要性 近年来，我国在地震烈度速报与预警技术研究与示范应用方面取得了重要进展。在国家科技支撑项目 “地震预警与烈度速报系统的研究与示范应用 ”支持下，研发了地震预警、烈度速报、地震参数自动速报、大震烈度速报等四大系统，并在福建省和首都圈地区进行了试验示范。 “国家地震烈度速报与预警工程 ”已进入立项评审阶段，可行性研究正在有序推进。工程拟利用 5 年左右时间建成由 5000 余个地震台站组成地震烈度速报与预警系统，实现全国范围地震烈度速报 和覆盖华北地区、南北地震带地区、东南沿海地区和新疆西北部地区的地震预警，将显著提高我国

2、的地震监测能力。 地震烈度速报与预警系统包括强震动信号观测和宽频带微震信号观测，涉及多个层次的震动观测仪器：地震烈度仪、加速度计、宽频带地震计和数据采集器。即将建设的 “国家地震烈度速报与预警工程 ”新建和改造的地震观测台站较多，需要装备大量的观测设备。 在国家地震烈度速报与预警工程中，所有专业观测台站，包括基准站和基本站，均计划配置加速度计。目前存在的问题主要是：不同生产厂家生产的加速度计性能相近，但标准不统一，不能直接代换 。行业标准 DB/T 102001 对加速度传感器的主要技术性能和功能要求作了规定，其中部分技术指标，如灵敏度、测量范围等列出了可选项，频率响应缺少误差控制，输出信号允

3、许单端和平衡差分两种方式，这些因素虽然在技术上是合理的，但在应用中将导致符合行业标准但存在差异的不同加速度计不能直接代换使用，应用于 “国家地震烈度速报与预警工程 ”，将对系统的运行维护带来运行参数维护的技术复杂性、备机储备的多样性等困难，导致维护技术要求的提高和维护成本增加。 宽频带地震计应用于国家地震烈度速报与预警工程中的基准站。目前存在的主要 问题是：参数离散性大，导致每个观测台站都要维护自己的传递函数和灵敏度参数；接口连接器和信号定义不一致。这些因素不仅影响观测质量的提高，也对台站建设和运行维护产生影响。目前我国测震观测系统中应用较多的有港震公 1 / 18 司的 BBVS-60（ 1

4、20）、英国 Guralp 公司的 CMG-3ESPC等国内外厂家生产的宽频带地震计。这些地震计均采用了位移换能力平衡反馈技术，输出信号与地动速度成正比，观测频带典型值为 0.0083Hz 50Hz（甚宽频带），或者 0.0167Hz 50Hz（宽频带），其中低 频拐点频率只与反馈电路参数有关，与机械摆参数几乎无关，且低频端的频率特性呈现为典型的 2 阶高通特性。由于测震观测中的实际观测频带在长周期频段远远超出了所用宽频带地震计的低频端拐点频率，在应用测震数据时，常常需要进行传递函数扣除，对低于地震计低频拐点频率频带的记录信号进行校正。另外，该类型地震计还具有摆锤零位监控信号输出 实际上是从反

5、馈环中引出的另一个具有严格传递函数的长周期加速度观测量，只是一般应用中，由于该信号输出受环境温度变化影响较大而不作为观测信号进行记录，超宽频带地震计，例如 STS-1、 JCZ-1， 则作为 LP信号进行记录；在地震计控制方面，这类地震计大多具有四项控制功能：锁摆、开锁、摆锤平衡位置调零、标定信号电路通断控制。因此，对位移换能力平衡反馈宽频带地震计来说，在 1mHz 至 40Hz 的主要观测频带内规定地震计频率特性的标准值是可行的，统一地震计的观测参数和控制方式也是合理的，如此，则可实现具有等同性能不同来源的宽频带地震计的直接互换，将降低未来国家地震烈度速报与预警系统中测震台站维护的技术复杂性

6、和备机的多样性，减轻测震台站维护的负担。 远震观测和区域地震观测的要求有所不同。远震观测一般由台间距较大的 、长周期地震波记录能力更好的台站承担，对宽频带地震计的长周期噪声和稳定性有更高的要求。区域地震的观测侧重于地方微震，宽频带地震计的长周期噪声的要求可以放宽一些，以降低设备费用和台站建设费用。因此，根据不同的用途对宽频带地震计提出不同的技术要求，更能够适应应用需求。在行业标准 DB/T222007 中，对地震计的技术要求没有进行分级，对地震计低频端的频率特性要求也没有提出确定的参数。因此，有必要为国家地震烈度速报与预警系统测震台站建设制定宽频带地震计的技术要求。 “国家地震烈度速报与预警工

7、程 ”涉及测震和强震观测 两类仪器。测震观测方面，我国在固定观测台站使用较多的数据采集器有港震公司的 EDAS-24IP、珠海泰德公司的 TDE-324CI 等，在强震观测方面使用较多的数据采集器有美国凯尼公司的 ETNA 以及工力所的 GDQJ-2 等。在国家地震烈度速报与预警系统中， 2 / 18 无论测震观测、还是强震观测，均需要实时传输观测数据，且对从信号采样到台网中心数据接收的延时有严格要求，最好控制在 1 秒以内，而目前测震和强震观测中所用的数据采集器实时数据流输出延时均比较大，一般在 2 秒以上，从信号采样到台网中心数据接收 的延时可达 3秒。数据采集技术近年来发展较快，基于 2

8、4 位 AD 转换技术和网络技术的数据采集器已经得到了广泛应用，且基于网络的观测数据传输已经普及，其它数据传输方式正在逐渐消失。而行业标准 DB/T10-2001 对数字强震仪的数据采集单元提出的技术要求还是基于 16 位 ADC 的，数据传输是基于RS-232 接口和电话线 MODEM 技术的，没有考虑基于网络的数据传输。行业标准 DB/T22-2007 对测震数据采集器提出的技术要求虽然基于 24 位 ADC，但功能要求较为简单，没有针对位移换能力平衡反馈宽频带地震计提出摆锤零位监控 要求及地震计控制功能要求。DB/T22-2007 中虽然提到了数据采集器应具有网络接口和 TCP/IP 联

9、网功能，但缺少有关网络数据传输和远程控制的进一步约束。综上所述，现有技术标准有关数据采集器方面的技术要求已经不能满足 “国家地震烈度速报与预警工程 ”建设需要。 基于 MEMS 技术的加速度传感器近年来发展迅速，动态范围已达100dB，测量范围接近 DB/T10-2001 对加速度传感器的要求，采用 MEMS 加速度计的强震动观测仪器已经应用于大地震预警观测和地震烈度估计。这类观测仪器具有成本低、安装要求不高、维护简单等特点 ，适合于高密度布设，提高区域地震预警和地震烈度速报的能力。由于 MEMS 加速度计应用面非常广泛，面向不同应用的 MEMS 加速度计具有不同的技术参数，测量范围有很大的差

10、别，对于观测大地震引起的地面震动观测来说，目前的 MEMS 加速度计动态范围不够大，自身噪声较高。为了保障该类观测仪器能够在区域地震预警和地震烈度速报方面发挥出积极的作用，保证不同来源的观测仪器的数据产出具有一致性和可比性，需要对该类观测仪器提出统一的技术要求。在本标准中，该类仪器定义为地震烈度仪。 2、国内外概况 在强震动观测方面，我国已建 成了布设在 21 个地震重点监视防御区内的 1,154 个固定自由场强震动观测台，布设在北京、天津、兰州、乌鲁木齐、昆明五个大城市、由 310 个速报子台组成的地震动强度（烈度）速报台网，布设在国 3 / 18 家地震重点监视防御区内的 12 个强震动观

11、测专用台阵。福建地区已初步建成由 125 个台站组成的地震烈度速报与预警示范系统。 上述系统中应用的加速度计主要有美国凯尼公司的 ES-T 型力平衡加速度计、中国地震局工程力学研究所 SLJ-100 型力平衡加速度计等。表 1 列出了国内外常见的力平衡加速度计的部分主要技术 指标，这些加速度计大多也用于我国的自由场强震动观测。 表 1 几种力平衡加速度计部分主要技术指标 型 号 生产厂家 频带范围 量程 动态范围灵敏度 供电方式 0.25g、 0.5g、 1.25V/g美国凯尼 0 200Hz ES-T 12V 140dB 1g、 2g、 4g 40V/g 1.25V/g 工力所 0 80Hz

12、 130dB 2g SLJ-100 12V 2.5V/g 2.5V/g 港震 130dB 9V 18V 0 100Hz BBAS-2 2g 5V/g 0.1g、 0.5g、 1g、英国 0 100Hz CMG-5T 120dB 10V 36V 5V/g 2g Guralp 140dB 9V 18V 泰德 0 200Hz 2.5V/g TDA-33M 2g 表 1 所示各厂家的加速度计的量程、灵敏度和供电方式并不统一，部分厂家提供了用户可选的量程设置，部分厂家声称可根据用户需求提供不同量程和灵敏度的产品。 除常规的力平衡加速度计之外，为石油勘探开发的高灵敏度 MEMS 加速度计的主要技术指标也基

13、本符 合 DB/T 10 2001 对加速度传感器的要求，如 SF1500 和 SF1600，其动态范围 120dB，量程 3g，频带上限大于 1000Hz；我国中科院上海微系统与信息技术研究所传感技术重点实验室也在研发类似的MEMS 传感器。 在测震观测方面，我国已建成了由国家测震台网和区域测震台网构成的测震观测网，共有 152 个国家测震台站和 800 个左右的区域测震台站。除个别采用井下观测的台站外，其余测震台站均装备了宽频带地震计和深宽频带地震计，部分国家测震台站装备了超宽频带地震计。所用地震计的型号主要有：JCZ-1 型超宽 4 / 18 频带地震计、 CTS-1 型甚宽频带地震计、

14、 BBVS-60（ 120）宽频带地震计、 CMG-3ESPC 宽频带地震计等。表 2 列出了几种宽频带地震计的主要技术指标。 表 2 几种宽频带地震计主要技术指标 型 号 生产厂家 频带范围 灵敏度 限幅电平结构特点 采用三个相同结构的倾 STS-2.5 美国凯尼 120s 50Hz 2750Vs/m 13mm/s 斜悬挂的摆，需坐标变换到 EW、 NS、 UD EW、 NS、 UD 三分项一 CTS-1 21000Vs/m10mm/s 武汉力泉 120s 50Hz 体 60s 40Hz BBVS-60 EW、 NS、 UD 三分项一 21000Vs/m10mm/s 港震 BBVS-120

15、120s 40Hz 体 60s 50Hz CMG-3ESP 英国 EW、 NS、 UD 三分项一 21000Vs/m10mm/s CMG-3T Guralp 100s 50Hz 体 采用三个相同结构的倾 120s 175Hz T-120 加拿大 2600Vs/m 15mm/s 斜悬挂的摆，需坐标变换 T-240 Nanometrics 240s 200Hz 到 EW、 NS、 UD 如何降低长周期噪声，提高温度稳定性是位移换能力平衡反馈宽频带地震计的设计难点，长周期噪声指标好的宽频带地震计的制造成本和市场价格相对较高。图 1 为2010 年美国 USGS 对目前国际上几种常见宽频带地震计进行噪

16、声测试的结果 各个地震计噪声加速度功率谱（垂直向），可见，不同型号地震计的噪声不同，各地震计的噪声加速度功率谱在 0.1Hz 1Hz 呈现出低值，且噪声功率谱随频率的升高或降低均增加。图1 的测试结果和各个厂家给出的地震计噪声指标，以及我国在用 宽频带地震计的自噪声测试结果，将是本标准制定地震计分级技术要求的依据。 （ a）测试得到的最小值 （ b）平均值 图 1 地震计的加速度噪声功率谱 5 / 18 测震数据采集器主要用于连接各种宽频带地震计，国内厂商代表性产品有 EDAS-24 系列和 TDE-324 系列产品，国外代表性产品有 Q330、 REFTEK 130 等产品，这些数据采集器均

17、采用了 24 位 ADC 芯片设计，针对宽频带地震计提供供电、标定、摆锤零位监测、地震计控制等功能，支持网络连接及 其数据传输，支持大容量数据存储、数据压缩、远程管理等功能。 应用于测震数据采集的 ADC 芯片以 CS5371 和 ADS1281 为代表，该芯片提供了目前最好的分辨率和直流稳定性。目前大部分 24 位数据采集器均采用这两种芯片之一，主要技术指标也很相近。美国凯尼公司的 Q330HR 是近年来推向市场的高分辨数据采集器，实现了 26 位模拟数字转换，目前多用于全球台网（ GSN）。我国也正在研制用于地震观测的高分辨模拟数字转换技术。 在网络数据服务方面，现今的数据采集器已经能够很

18、好地适应网络环境下的实时数据传输，大部分数据采集器能够 同时向多个用户输出实时数据流，甚至不同数据流的采样率可以不一样，以满足用户的不同需求。数据采集器也支持 FTP 协议，能够远程回放数据采集器内部记录的观测数据，该项功能能够保证在网络连接短期中断的情况下，仍然能够获得连续的观测资料。 强震观测数据采集器（数据记录器）的代表性产品为美国凯尼公司的 ETNA、 K2，工力所的 GDQJ-2 等产品。ETNA 采用了 18 位的 ADC，动态范围可达 108dB。这类产品主要用于记录强地面震动事件数据，基于这类产品布设的强震观测台站大多不采用实时数据传输，而采用远程事件数据下载的方法获 得观测资

19、料。 目前应用中的各种数据采集器，实时数据传输的格式并不一致，接口及其所采用的接插件也不同。不同厂家生产的数据采集器互不兼容，甚至同一厂家生产的不同型号数据采集器也存在不兼容现象。同时，在实时数据流延时指标方面，目前的数据采集器也不能满足地震烈度速报与预警系统建设的需要。尽管有一些厂家已经在数据采集器中实现了短延时的实时数据流输出，也未在实际的观测系统中得到应用。 时间同步采样是地震数据采集中的一个重要问题，依赖于数据采集器的高精度授时，目前的数据采集器大多采用GPS 授时方式。鉴于我国北斗卫星定位导 航系统已经投入运行，北斗系统应成为地震烈度速报与预警系统建设的首选授时源。 6 / 18 基于 MEMS 加速度计的观测仪器在大地震引起的强震动观测中已有很多应用，如日本发展的民用烈度计、台湾大学吴逸民博士研制的地震预警专用仪器，中国地震局地壳应力研究所、成都高新减灾研究所、珠海泰德优先公司等单位也应用 MEMS 加速度传感器研发了用于地震烈度估算和强震动预警的观测仪器。这类观测仪器若使用一般的廉价高灵敏度 MEMS 加速度传感器，其动态范围只有 60dB 左右，观测上限为2g。若采用专为物探开发的 MEMS 加速度传感器，则动态范围可达 110dB，接近于强震动观测力平衡加速度计的技术水平。 3.编写思路 考虑立项中的 “国家地震烈度速报与预警工程 ”建设及未来系统运行维