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超宽频带和甚宽频带地震计
发布时间:2017-09-06发布人:浏览人数:

超宽频带和甚宽频带地震计

一、 成果概况

(一)CTS-120甚宽频带地震计

CTS-120甚宽频带地震计是中国地震局地震研究所最新研发的一种比CTS-1E甚宽频带地震计噪声更低、性能更稳定的地震计,是CTS-1E甚宽频带地震计的升级产品。其频带是50Hz-120秒,速度输出响应平坦。它具有高灵敏度、低的仪器自噪声和优良的线性度;动态范围大于140dB;传递函数稳定;在很宽的温度范围内都能正常工作;体积小,功耗低,易于安装。该仪器特别适合于在数字地震台网中使用,进行地震监测包括水库地震、火山地震的监测和核爆破监测。它还可用于地球深部构造,板块活动性研究等地球物理研究与应用领域,以及在工程建设上获得广泛应用。

WTS-120甚宽频带地震计

图1.CTS-120甚宽频带地震计

技术指标:

带宽: 50Hz-120Sec.速度输出响应平坦

敏度: 2×1000V.S/m(差分输出)

最大输入幅度:0.01m/S

最大输出电压:±20V(双端差动)、±10V(单端)

动态范围:大于140dB

线性: 优于-80dB

输出阻抗:<1Ω

电源

电压:DC 9V-18V或AC 220V/50Hz

功耗:<2W

工作环境温度:-15℃~ +50℃

重量: 16Kg

图2. CTS-120记录的2015年1月记录到的一次远震

(二)JCZ-360超宽频带地震计

JCZ-360超宽频带地震计是中国地震局地震研究所最新研发的一种比JCZ-1超宽频带地震计噪声更低、性能更稳定的地震计,是JCZ-1甚宽频带地震计的升级产品。其频带是40Hz-360秒,速度输出响应平坦。它具有高灵敏度、低的仪器自噪声和优良的线性度;动态范围大于140dB;传递函数稳定;在很宽的温度范围内都能正常工作;体积小,功耗低,易于安装。JCZ-360超宽频带地震计除了具有通常的速度输出(BB通道)外,还具有加速度输出(LP通道),由于采用了高精度恒温功能的环境保护装置,LP通道能够记录地球自由振荡和固体潮汐等超长周期信号。该仪器特别适合于在数字地震台网中使用,进行地震监测包括水库地震、火山地震的监测和核爆破监测。它还可用于地球深部构造,板块活动性研究等地球物理研究与应用领域,以及在工程建设上获得广泛应用。

JCZ-1T

图3.JCZ-360超宽频带地震计

技术指标:

带宽: BB:50HZ-360Sec.速度输出平坦

LP:360Sec.-DC加速度输出平坦

灵敏度:BB:2×1000v/m/s

LP:2×10000v/m/s2

最大输入幅度:BB:1.0×10-2m/s

LP:1.0×10-3m/s2

动态范围:140Db

线性: 优于-80dB

输出阻抗:小于1Ω

使用环境保护装置:

功耗:小于30W(△T=20℃)

电源:直流12V(9-18V)或交流AC220V

重量:30kg

环境温度范围:比控温点低3℃—33℃(控温点按用户环境设定)

图4. JCZ-360记录的2015年4月25日尼泊尔的8.1级地震

lpud30

图5.JCZ-360记录的垂直向重力固体潮汐

20061202_30EW

图6.JCZ-360记录的EW向倾斜固体潮汐

垂直LP26地震后数据

垂直BB26地震后功率谱6

图7.JCZ-360 LP通道(360Sec.-DC)记录的2004年12月26日印尼地震,可以看到三天的重力固体潮汐

图8.印尼地震激发的地球自由振荡的功率谱密度(PSD),横轴单位为毫赫兹

(三)成果的应用部署情况

“九·五”和“十·五”期间,研制与生产的超宽、甚宽频带地震计得到了广泛的应用。CTS系列甚宽频带地震计在国家数字地震台网使用数量104台,首都圈地震台网5套,远销国外数十台,其中乌兹别克斯坦2台,老挝2台,缅甸4台,智利1台,日本20台。JCZ系列超宽频带地震计在国家数字地震台网中使用数量17台,远销国外数台,其中阿尔及利亚2台,印尼2台,巴基斯坦1台。

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图9.中国国家数字地震台网中用到的CTS和JCZ宽频带地震计系列

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图10.境外用到的CTS和JCZ宽频带地震计系列

二、 主要创新点

(一)频带扩展技术

采用弹性器件悬挂重锤原理实现的地震观测仪器,其自振频率为几秒到几赫兹范围内的一个频率点,本质上是一个频带较窄的选频系统。为满足地震观测的宽频带要求,必须在高频端扩展到10Hz以上,在低频端扩展到直流(DC)。

在技术上,高频端和低频端同时扩展是存在很大难度的。其难度在于:其一、通过改变自振频率的高低,只能将仪器频带向高频端或低频端扩展,而不能同时扩展,这是选频特性造成的;其二、由于弹性系统的自振周期较短,即使采用负反馈技术扩展频带宽度,也只能将仪器的低频端扩展到100s左右,要进一步向低频端扩展频带存在很大的技术难度;其三、如果加长弹性系统的自振周期,那么弹性系统可能会“很软”,导致高频端的频率上不去,限制了高频端的扩展,同时也可能引起高频噪声的增大。

1、特殊设计片簧系统,使仪器具有较高的寄生共振频率。

2、将仪器的闭环自振周期拉长到360s,以利于仪器频带向低频端扩展。要达到360s的闭环自振周期,必须将弹性系统的开环自振周期拉长到数十秒以上。

3、将仪器的观测频带划分成两个输出通道,第一个是速度输出通道(BB),带宽是0.02s(50Hz)-360s,正好满足记录地震波(P波、S波、面波)的频带要求,实现高灵敏度的地震波记录及微振动捕捉;第二个是加速度输出通道(LP),带宽是360s-DC,满足记录地球自由振荡和固体潮汐的频带要求,其灵敏度稍低,与地球背景噪声在低频段较大的情况相适应。两个输出通道组合起来实现全频带观测。

(二)采用多项噪声抑制技术实现仪器的低噪声

地震学研究中,噪声信号是微弱震相拾取和地震解释过程中最为基础的影响因素。地震计的自噪声主要有两个方面的噪声来源,一是地震计质量块-弹簧振子的布朗热噪声,这主要是由于空气分子不停的布朗运动撞击质量块和弹簧振子引起的;二是地震计的电子电路中的电子噪声。粗略的说,这是由流经不同元件(包括传感器线圈和阻尼电阻)的电流以及半导体噪声造成的。为了降低检测下限,提高检测精度,就必须设法降低各种噪声的水平。要取得高质量的观测数据,仪器必须具有很低的仪器自噪声。

1、采用高精度的差动式电容传感器和很高的开环增益可以提高信噪比和线性度

2、采用锁相放大器使等效噪声带宽变得很窄,有效地滤除电磁干扰和自身电子噪声。

3、优化摆锤质量、自振周期和阻尼,使MTQ远远大于1,可以大大减小摆体的布朗运动热噪声。

4、为了减小长周期噪声,除了特殊设计电容传感器探头部分,使其机械结构具有长期稳定性外,还采用高精度恒温控制和热惯性系统。

5、采用气压隔离装置抑制气压变化对仪器的影响

三、 应用效益及前景

宽频带地震计的宽频带与低噪声使其具备了记录地震孕育、发生与震后信息的能力,可以记录慢地震、微破裂和大尺度的地壳运动。通过大量研究,逐步探索地震发生的机制,为地震预测预报奠定基础。

宽频带地震计除了在国家数字地震台网中得到广泛应用外,还向日本出口20套地震计,并在印度尼西亚地震监测和海啸预警系统和环华地震台网中获得应用。

宽频带地震计可以提供从50Hz到零频的完整地动信息。与传统地震计相比,它可以进行频率更宽、动态范围更大范围内的研究。一套高性能的宽频带地震计可以同时观测高频地震波、长周期地震波、地球自由振荡、固体潮汐等超长周期信号,除了进行大震速报、地震活动性监测、核爆破监测外,还可作为研究震源机制、火山活动、地球自由振荡、固体潮汐的得力工具,在地震学、地球物理学、地球动力学应用和研究领域获得广泛应用。