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地震观测基础知识CDSN 地震观测发展情况地震观测发展情况 1960 1970 1980 1990 2000我国地震观测以模拟观测为主：400多有人值守台站 200个区域遥测子台我国数字地震观测迅速发展：1000个数据传输台站 200套应急流动观测设备 600套科学观测台阵数字地震观测起步数字观测快速发展模拟观测台网区域电信传输地震台网观测分析处理系统(768工程)19751975年启动六大区域电信传输地震台网建设年启动六大区域电信传输地震台网建设国家地震局于国家地震局于19761976年年8 8月发出月发出7676震发台字第震发台字第043043号号文文关于组织电信传输地震台网专用仪器设备试制关于组织电信传输地震台网专用仪器设备试制攻关小组的通知攻关小组的通知，决定地震部门派出，决定地震部门派出4444名技术人名技术人员参加仪器设备试制攻关小组。在该文中正式明确：员参加仪器设备试制攻关小组。在该文中正式明确：为简化名称，今后电信传输地震台网专用仪器设备为简化名称，今后电信传输地震台网专用仪器设备的试制生产任务简称为的试制生产任务简称为768768工程。工程。768768工程的主要功能工程的主要功能 能为中长期、短期，特别是临震预报快速提供连能为中长期、短期，特别是临震预报快速提供连续可靠的地震前兆和测震观测数据，并能对这些续可靠的地震前兆和测震观测数据，并能对这些数据进行快速自动处理，提供给分析预报人员，数据进行快速自动处理，提供给分析预报人员，为及时地作出地震预报意见提供依据。为及时地作出地震预报意见提供依据。国内外一旦发生破坏破坏性地震后，在震波掠过国内外一旦发生破坏破坏性地震后，在震波掠过整个台网的观测点后十分钟能快速地、较准确地整个台网的观测点后十分钟能快速地、较准确地初步定出所发生地震的基本参数，并提供完整的初步定出所发生地震的基本参数，并提供完整的地震记录。地震记录。给地震预报的研究工作提供有关的基本数据和资给地震预报的研究工作提供有关的基本数据和资料。料。768768工程的七大分系统工程的七大分系统 地震前兆观测分系统地震前兆观测分系统地震观测分系统地震观测分系统l l三分向短周期、中长周期、长周期、中强震三分向短周期、中长周期、长周期、中强震 无线传输地震观测分系统无线传输地震观测分系统数字化地震观测分系统数字化地震观测分系统l l具有前放、滤波、瞬时浮点增益控制的多路数字化地震遥测设备具有前放、滤波、瞬时浮点增益控制的多路数字化地震遥测设备 电子计算机数据处理分系统电子计算机数据处理分系统l l快速初定地震基木参数、常规处理、遥控和标定快速初定地震基木参数、常规处理、遥控和标定 遥控和标定系统遥控和标定系统 供电系统供电系统l l太阳电池供电装置、大容量空气电池太阳电池供电装置、大容量空气电池 768768工程研制的专用设备工程研制的专用设备PTY-8PTY-8地震遥测设备地震遥测设备延时慢速模拟磁带机延时慢速模拟磁带机 SZ3SZ3磁带回放定位装置磁带回放定位装置 768768型单路无线遥测设备型单路无线遥测设备三分向短周期地震计（井三分向短周期地震计（井下）下）地震数据予处理设备（开地震数据予处理设备（开关量输入）关量输入）768768型自动换纸墨水记录器型自动换纸墨水记录器脉冲调幅调频地震遥测设脉冲调幅调频地震遥测设备备 地震井下信号电缆地震井下信号电缆 768768型晶体数字钟站型晶体数字钟站地震前兆遥测设备地震前兆遥测设备 768768地震触发器地震触发器 768768型编码遥控及标定器型编码遥控及标定器数传机数传机 768768数字化地倾斜仪数字化地倾斜仪 三分向短周期地震计（地三分向短周期地震计（地面）面）多路模数、数模转换器多路模数、数模转换器 768768数字化水氡仪数字化水氡仪 数字化地电仪数字化地电仪三分向中长周期地震计三分向中长周期地震计 768768数字化地应力仪数字化地应力仪 数控数控X-YX-Y绘图仪绘图仪 三分向中强震地震计三分向中强震地震计 多路数字化地震遥测设备多路数字化地震遥测设备数字化核子旋进磁力仪数字化核子旋进磁力仪 数字化气温、气压、湿度数字化气温、气压、湿度测量仪测量仪 无线数字传输设备无线数字传输设备768768技术系统采用了国内外先进技术，自行设计和技术系统采用了国内外先进技术，自行设计和研制了多种专用设备和专用软件。在国内外地震研制了多种专用设备和专用软件。在国内外地震观测系统中居先进地位，技术上有独到之处。观测系统中居先进地位，技术上有独到之处。768768技术系统是根据我国大震速报和地震预报工作技术系统是根据我国大震速报和地震预报工作的需要研制的，具有多种观测内容，系统功能也的需要研制的，具有多种观测内容，系统功能也比较完善。观测内容既有测震、又有前兆。测震比较完善。观测内容既有测震、又有前兆。测震的短、中、长周期和各种放大倍数配套齐全。的短、中、长周期和各种放大倍数配套齐全。768768技术系统在我国有可靠的技术基础。技术系统在我国有可靠的技术基础。768768工程研制的设备不仅主导了我国此后近二十年工程研制的设备不仅主导了我国此后近二十年的模拟遥测地震台网设计、建设与运行，它创建的模拟遥测地震台网设计、建设与运行，它创建的总体联调与考核运行模式一直影响到我国的数的总体联调与考核运行模式一直影响到我国的数字地震台网工程的实施。字地震台网工程的实施。768工程是我国模拟地震观测的顶峰 全国地震数据分析处理系统（837工程）全国大震速报系统全国范围超大孔径数字化地震台网全国范围超大孔径数字化地震台网 京津唐张地震数据传输和处理系统釆用了釆用了768768工程的成熟技术工程的成熟技术 主要承担京津唐张地区的地震速报、预报和震主要承担京津唐张地区的地震速报、预报和震情监视情监视全国地震数据库数字地震观测“八五八五”期间：数字地震观测技术系统科技攻关期间：数字地震观测技术系统科技攻关研究研究“九五九五”期间：中国数字地震观测系统建设期间：中国数字地震观测系统建设国家数字地震台网（国家数字地震台网（4848个台站）个台站）2020个区域数字遥测地震台网（个区域数字遥测地震台网（267267个台站）个台站）100100套流动数字地震仪套流动数字地震仪首都圈数字遥测地震台网（首都圈数字遥测地震台网（107107个台站）个台站）“十五十五”期间：中国数字地震观测网络期间：中国数字地震观测网络地震观测的目的和任务地震观测的目的和任务为大震速报和快速响应提供实时观测数据和依据实现动态监测震情，为地震预报提供基本信息监测地下核试验为地震学基础研究提供基础数据全球每年发生地震的数量自由振荡地震面波地核地幔非均匀性各向异性全球地震活动性地方地震活动性近地震波勘探体波现代地震学的频率范围，以及有关研究对象的带宽和动态范围。影响地震观测的环境因素 台站背景噪声地震观测台站的背景噪声限制了台站地震观测能力的提高风、寒潮、海浪、交通运输、人和动物的活动等地球背景噪声谱美国USGS的J.Peterson及其研究小组观测和研究了全球正常地球背景噪声，确定地球高噪声新模型NHNM和地球低噪声新模型NLNMJ.Peterson 1993 海拉尔地震台(CDSN)台基噪声谱（J.Peterson 1993）白家疃地震台(CDSN)台基噪声谱（J.Peterson 1993）乌鲁木齐地震台(CDSN)台基噪声谱（J.Peterson 1993）地球噪声模型NLNM J.Peterson 1993NHNM J.Peterson 1993德国Gorleben附近在地表（上）和井下300米处（下）的噪声记录所得的速度功率谱密度环境背景噪声（包括海洋噪声）主要表现为面波，其幅度随深度呈现指数衰减的特点。在地表以及井下不同深度的地震计阵列所得到的短周期地震噪声记录（左）和信号记录（右）地震台站观测环境技术要求GB/T 19531-2004台基噪声水平分级观测点与干扰源之间的距离台基噪声测试与计算干扰源最小距离km最小距离比例系数级环境地噪声台站其他级别环境地噪声台站硬土和砂砾土基岩级（含级）以上铁路2.002.502.000.800.600.40县级以上（含县级）公路1.301.702.000.800.600.40飞机场3.005.002.000.800.600.40大型水库、湖泊10.0015.003.000.100.040.02海浪20.0020.008.000.200.100.05采石场、矿山2.503.002.000.800.600.40重型机械厂、岩石破碎机、火力发电厂、水泥厂2.503.002.000.800.600.40一般工厂、较大村落、旅游景点0.400.402.000.800.600.40大河流、江、瀑布2.503.004.000.600.400.20大型输油输气管道10.0010.002.000.600.400.2014层（含）以上高大建筑物0.200.202.000.500.300.106层（含）以下建筑物高大树木0.030.042.000.800.600.40高围栏、低树木、高灌木0.020.032.000.800.600.40注1：N级台站与干扰源之间最小距离=级台站与干扰源之间最小距离N级台站最小距离比例系数；注2：大型水库、湖泊：指库容量1010m3的水库、湖泊；注3：重型机械厂：指有大型机械、往复运动机械的工厂；注4：一般工厂：不产生明显振动感的工厂；注5：地震台站与713层建筑物的最小距离根据地震台站与6层和14层的最小距离按层数内插。宽频带或甚宽频带观测台站设计示意图 主体建设在地下，并采用了双层保温措施，具有风干扰小、温度变化小的特点型号频 带生产厂家备注FSS-31Hz 40Hz北京港震机电技术有限公司短周期地震计FBS-30.05Hz 40Hz宽频带地震计BBVS-600.017Hz 40Hz宽频带地震计DS-4A1Hz 50Hz北京市地震局短周期地震计CTS-10.0083Hz 50Hz中国地震局地震研究所甚宽频带地震计JCZ-10.0028Hz 50Hz超宽带地震计STS-20.0083Hz 50Hz甚宽频带地震计CMG-1T0.01Hz 50Hz英国GRALP公司可选规格：0.0027Hz10Hz或其它CMG-3T0.01Hz 50Hz可选规格：0.0027Hz50Hz或0.0083Hz50Hz或0.0333Hz50HzCMG-3ESP0.01Hz 50Hz可选规格：0.0083Hz50Hz或0.0333Hz50HzCMG-40T0.033Hz 50Hz可选规格：0.0083Hz50Hz或0.0188Hz50Hz或 0.05Hz50HzS-13J1Hz 100Hz美国Geotech公司机械摆，短周期地震计KS-20000.01Hz 50Hz宽频带地震计KS-540000.003Hz 16Hz加速度输出观测频带对记录信号的影响与速度成正比的宽带数字记录波形，为MOX台站记录的内华达核试验场的一次地下核试验。正的初动位移在记录BB中清晰可见，尽管信噪比很低。地震数据的采集地震数据的采集相对于模拟地震观测来说，数字地震观测的关键是数据采相对于模拟地震观测来说，数字地震观测的关键是数据采集，完成数据采集任务的设备就是地震数据采集器。集，完成数据采集任务的设备就是地震数据采集器。数字地震观测台站设备配置数字地震观测台站设备配置数据采集器EDAS-24IP功能框图DAC ADC命令转发EDAS-24IP信号处理流程图模拟信号采样示意图 频域时域频率混叠示意图ADC逐次比较式模数转换器 Delta-Sigma ADC1bit 码频谱与数字滤波器频率特性差分非线性积分非线性零位漂移增益误差ADC非量化误差地震观测系统的时间特性 地震数据采集需要计时时钟来驱动，保证在采集数据中有时间标识一般采用协调世界时（UTC）现代的地震数据采集器都配置了内部的计时时钟，以及标准授时信号输入接口或内置GPS接收机GPS接收机或外置的其他标准时间设备用来提供标准时间信号，以便随时修订数据采集器内部的计时误差地震观测系统模拟地震观测系统人工值守地震台电信传输遥测地震台网数字地震观测系统数字地震观测台站数字地震观测台网人工值守地震台设备配置示意图 模拟遥测地震台设备配置示意图电信传输遥测台网中心设备配置示意图 电信传输遥测台网中心自动数据采集系统示意图 数字地震观测台网示意图 数字地震观测台站示意图 国家地震台网台站设备配置示意图 线性动态系统和传递函数线性动态系统的概念傅立叶变换与拉普拉斯变换线性动态系统传递函数离散时间系统Z变换线性、时不变离散时间系统的传递函数线性动态系统的概念 动态系统即时系统，无记忆系统线性系统叠加性放大性时不变特性时不变线性动态系统的特征微分特性因果性傅立叶变换如果f(t)在区间（0，）上满足狄利克里条件（即f(t)存在有限个间断点和极限值），并且积分 收敛（或称f(t)绝对可积），则为f(t)的傅立叶变换。并有式中为角频率，傅立叶变换建立了时域和频域的对应关系。在连续点在间断点拉普拉斯变换正变换逆变换线性动态系统传递函数对于一个稳定的线性动态系统，它的传递函数可以用一个有理分式形式的函数来表达：传递函数的分子多项式的根称为它的零点，分母多项式的根称为它的极点。传递函数零点、极点的分布表征了系统的动态特征。一个稳定系统的传递函数的非实极点和非实零点可能成对出现，互为共轭复数，极点位于s平面的左半平面。D=0.3D=0.707D=1.5归一化的摆的二阶传递函数示例D=0.3D=0.707D=1.5归一化的摆的二阶传递函数示例离散时间系统时间离散信号：模拟信号经过采样后的序列离散时间系统：将输入序列变换成输出序列的一种运算 时不变系统：系统的变换关系不随时间变化线性性质：满足叠加原理 因果性：系统n时刻的输出仅取决于n时刻和n时刻以前的输入 Z变换序列x(n)的z变换定义为 收敛的充分必要条件为 线性、时不变离散时间系统的传递函数 用常系数线性差分方程来表示系统的输入输出关系：当系统初始状态为零时，取z变换：系统的传递函数为：传递函数的零极点表达：离散时间线性时不变系统的传递函数完全由它的零点、极点及常数A来决定。对于一个稳定系统，其极点应全部位于z平面单位圆内部。传递函数示例FIR数字滤波器：上图为线性相位系统；下图为最小相位系统。FIR数字滤波器示例数字滤波器示例传递函数示例（机械摆传递函数的（机械摆传递函数的z z域表达）域表达）冲激响应不变法冲激响应不变法 摆的自振频率：摆的自振频率：20Hz20Hz 摆的阻尼：摆的阻尼：0.150.15 采样率：采样率：2000020000fr幅频特性dBHzHzdB传递函数的表达方式与频率特性计算线性动态系统传递函数的表达方式根据线性动态系统传递函数计算频率特性线性时不变离散时间系统传递函数的表达方式根据线性时不变离散时间系统的传递函数计算频率特性线性动态系统传递函数的表达方式示例：JCZ-1型超宽频带地震计BB通道的传递函数式中，K=1000Vs/m，m=2.42061020，K11=0.024682，K12=0.00030462，K21=533.15，K22=142122，K31=667.60，K41=488.72，K51=178.88，K32=K42=K52=119422。常数项零 点极 点2.420610230-0.012342j0.0123420-266.57j266.57-333.80j89.440-244.36j244.36-89.440j333.80传递函数的零点、极点表达：根据线性动态系统传递函数计算频率特性已知系统的传递函数H(s)可以直接令s=j代入H(s)来计算频率特性：幅频特性：相频特性：线性时不变离散时间系统传递函数的表达方式IIR数字滤波器传递函数的一般表达：FIR数字滤波器传递函数的一般表达：根据线性时不变离散时间系统的传递函数计算频率特性数字滤波器频率特性的计算在z平面的单位圆上进行：幅频特性：相频特性：