引言

同一次地震在地球上同一点处所引起的地面运动是唯一的，地震计作为检测地面运动的科学仪器，在同一地震事件中同一测点检测到的同类型记录数据（速度、加速度、位移）在无信号损失的前提下应该完全相同，否则记录数据将不能完全真实地反映地面运动（崔庆谷等，2011）。作为一个独立系统，不同型号地震计因功能实现上的多样化，在性能及各类指标上必定存在着各种差异。目前，各地震观测台网使用的地震计种类繁多，其中BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计因其线性好、稳定度高等优点在国内测震台网中使用最为广泛，因此探讨这两种型号地震计记录数据的一致性，对设备选型、震相分析及地震工程研究等均有一定的意义。考虑到地震波在传播过程中受到震源辐射能量及方向、非弹性衰减、场地响应、几何扩散等方面的影响（徐果明，周蕙兰，1982），本文选取四川省油榨坪测震台站（地表台）和井研测震台站（山洞台）作为比测设备BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计的检测点，获取同一测点记录的地脉动数据，得出相同分量的相干函数值随频率的变化情况，进而分析两种地震计的性能差异，探求两者之间的相似度。

引言

同一次地震在地球上同一点处所引起的地面运动是唯一的，地震计作为检测地面运动的科学仪器，在同一地震事件中同一测点检测到的同类型记录数据（速度、加速度、位移）在无信号损失的前提下应该完全相同，否则记录数据将不能完全真实地反映地面运动（崔庆谷等，2011）。作为一个独立系统，不同型号地震计因功能实现上的多样化，在性能及各类指标上必定存在着各种差异。目前，各地震观测台网使用的地震计种类繁多，其中BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计因其线性好、稳定度高等优点在国内测震台网中使用最为广泛，因此探讨这两种型号地震计记录数据的一致性，对设备选型、震相分析及地震工程研究等均有一定的意义。考虑到地震波在传播过程中受到震源辐射能量及方向、非弹性衰减、场地响应、几何扩散等方面的影响（徐果明，周蕙兰，1982），本文选取四川省油榨坪测震台站（地表台）和井研测震台站（山洞台）作为比测设备BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计的检测点，获取同一测点记录的地脉动数据，得出相同分量的相干函数值随频率的变化情况，进而分析两种地震计的性能差异，探求两者之间的相似度。

1.   比测台站架设和数据采集器参数设置

地震计记录数据包括地面运动和仪器噪声，在地震计通频带内，较大地震所激发地面运动的振幅远大于仪器自噪声，在通频带之外，这种差别将明显减小（Riedesel et al，1990）。地震计通频带内记录的数据经处理后，便可最大程度地反映地面运动。BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计都具有工作频带宽、灵敏度高、动态范围大、传递函数稳定等特点，二者频率响应曲线如图1所示，可见两种地震计在通频带内的频响曲线具有较好的一致性，通频带外增益迅速下降，相位也相应迅速变化（李兴泉等，2018）。

图  1  BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计的频响曲线

Figure  1.  Frequency response curves of the BBVS-60 and CMG-3ESP seismometers

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不同型号地震计在进行对比观测时，地震计摆放方位角的偏差和数据记录时段的差异，在低频段会造成地震计记录数据的不一致（Ringler et al，2011），因此，在安装、架设两台地震计（BBVS-60型和CMG-3ESPC型）的过程中，采用寻北仪和激光尺对地震计进行方位角校正、对齐，并使两台地震计紧靠摆放且方向一致，从而避免产生水平向方位角偏差；同时两台地震计共用一台6通道采集设备，并通过同一个GPS天线统一授时，从而避免产生数据记录时段偏差，影响比测结果。

采集单元方面，选用EDAS-24IP6数据采集器（该设备为双插座数采）。比测过程中，A口连接三分向港震地震计BBVS-60，B口连接CMG-3ESPC，采样率统一设为100 Hz，量程设为10 V；为去除地震计所产生的零点偏移，高通滤波器低端截止频率设为1 000 s。同时，为保证数据的完整率和可靠性，采用定期取数方式，外部存储器空间的管理方式设为不维护，从而避免连续波形文件自动删除。比测设备系统搭建如图2所示。

图  2  比测设备系统搭建示意图

Figure  2.  Schematical diagram for construction of comparative equipment system

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1.   比测台站架设和数据采集器参数设置

地震计记录数据包括地面运动和仪器噪声，在地震计通频带内，较大地震所激发地面运动的振幅远大于仪器自噪声，在通频带之外，这种差别将明显减小（Riedesel et al，1990）。地震计通频带内记录的数据经处理后，便可最大程度地反映地面运动。BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计都具有工作频带宽、灵敏度高、动态范围大、传递函数稳定等特点，二者频率响应曲线如图1所示，可见两种地震计在通频带内的频响曲线具有较好的一致性，通频带外增益迅速下降，相位也相应迅速变化（李兴泉等，2018）。

图  1  BBVS-60型和CMG-3ESPC型地震计的频响曲线

Figure  1.  Frequency response curves of the BBVS-60 and CMG-3ESP seismometers

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不同型号地震计在进行对比观测时，地震计摆放方位角的偏差和数据记录时段的差异，在低频段会造成地震计记录数据的不一致（Ringler et al，2011），因此，在安装、架设两台地震计（BBVS-60型和CMG-3ESPC型）的过程中，采用寻北仪和激光尺对地震计进行方位角校正、对齐，并使两台地震计紧靠摆放且方向一致，从而避免产生水平向方位角偏差；同时两台地震计共用一台6通道采集设备，并通过同一个GPS天线统一授时，从而避免产生数据记录时段偏差，影响比测结果。

采集单元方面，选用EDAS-24IP6数据采集器（该设备为双插座数采）。比测过程中，A口连接三分向港震地震计BBVS-60，B口连接CMG-3ESPC，采样率统一设为100 Hz，量程设为10 V；为去除地震计所产生的零点偏移，高通滤波器低端截止频率设为1 000 s。同时，为保证数据的完整率和可靠性，采用定期取数方式，外部存储器空间的管理方式设为不维护，从而避免连续波形文件自动删除。比测设备系统搭建如图2所示。

图  2  比测设备系统搭建示意图

Figure  2.  Schematical diagram for construction of comparative equipment system

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2.   数据预处理

1） 比测系统数据采集部分。使用EDAS-24IP6数据采集器，连续波形记录速度值采用EVT格式记录，且每小时记录形成一个.dat文件，编写程序处理这些数字记录，对获取的数据进行预处理。

2） 数据样品的选取。分别选取安静环境下所获取的震相清晰的比测数据，以便地脉动能真实地反映两种地震计在不同环境中的相关性。

3） 去除数据记录直流偏移。架设观测设备时，为去除地震计的直流分量，虽已将数据采集器的高通滤波器的低端截止频率设为1 000 s，但在观测记录中任意截取一段有限长的数据进行分析计算时往往会有一定的直流偏移，因此不代表真实地脉动；若在运算过程中真实地反映地脉动，须消除这一直流分量，避免其对计算结果的影响。本文将观测记录求和除以记录总数得到记录平均值，以此作为直流偏移量，之后逐点减去此直流偏移量（邵玉平等，2007），其表达式为

式中：x_i为每个采样点的值，N为记录长度中采样点的个数。

2.   数据预处理

1） 比测系统数据采集部分。使用EDAS-24IP6数据采集器，连续波形记录速度值采用EVT格式记录，且每小时记录形成一个.dat文件，编写程序处理这些数字记录，对获取的数据进行预处理。

2） 数据样品的选取。分别选取安静环境下所获取的震相清晰的比测数据，以便地脉动能真实地反映两种地震计在不同环境中的相关性。

3） 去除数据记录直流偏移。架设观测设备时，为去除地震计的直流分量，虽已将数据采集器的高通滤波器的低端截止频率设为1 000 s，但在观测记录中任意截取一段有限长的数据进行分析计算时往往会有一定的直流偏移，因此不代表真实地脉动；若在运算过程中真实地反映地脉动，须消除这一直流分量，避免其对计算结果的影响。本文将观测记录求和除以记录总数得到记录平均值，以此作为直流偏移量，之后逐点减去此直流偏移量（邵玉平等，2007），其表达式为

式中：x_i为每个采样点的值，N为记录长度中采样点的个数。

3.   相干函数原理

假设两台地震计输出数据的自相关功率谱密度分别为P_yy1和P_yy2，互相关功率谱密度为P_y12，仪器本身噪声自相关功率谱密度分别为P_nn1和P_nn2，地面运动信号的自相关功率谱密度为P_ss，由于地震计可很好地近似为线性系统，仪器噪声与背景噪声相互独立（崔庆谷等，2011），则上述各功率谱密度之间存在以下关系：

将式（2）—（4）代入式（5）中，可得

式中：H₁和H₂为地震计传递函数。

由此可知，两种信号得到的互相关谱和自相关谱之间的关系可用${\gamma ^2}$来表示，且${\gamma ^2}$值取决于频率，是在频率域内描述两种信号相关程度的实值函数，通常被称为相干函数，在两台地震计通频带的重叠频带内，式（6）分母中的P_nn1/P_ss|H₁|²${\text{＜}}\!\!\!{\text{＜}} $1和P_nn2/P_ss|H₂|²${\text{＜}}\!\!\!{\text{＜}} $1，则$\gamma^2 $≈1.0；当处于两地震计通频带重叠频带之外，$\gamma^2 $值逐渐变小。一般情况下$\gamma^2 $取值介于0至1之间，$\gamma^2 $值越大，两种信号的相关性越强。

4.   比测数据相干性

本文所用数据取自地表台（油榨坪台）和山洞台（井研台），两台站具有不同的观测环境。比测地震计并列架设在同一个摆墩上，并采用相同的防护措施，对同分向记录的波形数据进行分析便可得到两种型号地震计在不同环境中记录数据的相似情况。比测数据采用汉宁（Hanning）窗（Oppenheim，Schafer，1989）加窗处理，并进行相干函数计算，得到的相干值是对同一摆墩相同频带内所记录观测数据的相似性的度量。如果相干值接近于1，那么两种地震计记录数据的相似度高；反之，则两套观测系统的仪器响应特性应具有不同程度的差异（李霞等，2010）。在这个意义上，地震计比测数据相干函数可认为是对不同观测系统仪器响应异同的归一化数值描述。

4.   比测数据相干性

本文所用数据取自地表台（油榨坪台）和山洞台（井研台），两台站具有不同的观测环境。比测地震计并列架设在同一个摆墩上，并采用相同的防护措施，对同分向记录的波形数据进行分析便可得到两种型号地震计在不同环境中记录数据的相似情况。比测数据采用汉宁（Hanning）窗（Oppenheim，Schafer，1989）加窗处理，并进行相干函数计算，得到的相干值是对同一摆墩相同频带内所记录观测数据的相似性的度量。如果相干值接近于1，那么两种地震计记录数据的相似度高；反之，则两套观测系统的仪器响应特性应具有不同程度的差异（李霞等，2010）。在这个意义上，地震计比测数据相干函数可认为是对不同观测系统仪器响应异同的归一化数值描述。

4.1   利用台站背景噪声数据检测地震计性能及记录数据差异

台站背景噪声是影响地震观测质量的主要因素之一，计算噪声功率谱密度是分析背景噪声的传统方法，不仅有助于了解台站的背景噪声水平，也可定量地分析观测环境对地震计的影响程度。地震计的自身噪声决定了可观测的最小振动信号（下限）。不同厂家、不同型号的地震计，其自身的噪声水平各不相同。油榨坪台和井研台的台基背景噪声以及两套地震计的自噪声功率谱密度曲线如图3所示。

图  3  油榨坪台（a）和井研台（b）垂直分量背景噪声及仪器自噪声的加速度功率谱密度曲线

Figure  3.  Acceleration power spectra density curves of UD-component ambient noise at the stations YZP （a） and JYA （b） and self noise of BBVS-60 type and CMG-3ESPC type seismometers

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由图3可以看出两台址所测得的台基背景噪声明显高于地球的最低噪声模型（new low noise model，缩写为NLNM），这由多方面引起：其一是外界噪声因素，例如空气流动、气温气压的变化等使台基噪声产生变化；其二是地震计存在的自噪声，地震计的自噪声叠加至台基噪声上，使得所测台站的噪声偏高。同时，可以看出在工作频带记录范围内，两种地震计的仪器噪声均非常低，记录的环境噪声均远高于仪器噪声，因此两套仪器记录数据主要反映了环境背景噪声。

本文所涉及的频率范围大体分为高频（＞1 Hz）、低频（1—10 s）和长周期（10—50 s）等三个频段，其中：高频部分（＞1 Hz）的干扰主要以人类活动等为主，气流和地方震等自然因素也会在高频形成干扰，且对地震计水平分向的影响更为明显（Mcnamara，Buland，2004）；低频部分（1—10 s）的干扰主要来自微震噪声，微震噪声与海底压力扰动和气流及气流引起的植物根茎扰动等有关，主要成分为面波，此频段主要峰值的形成一般认为与海洋波与海底或海岸线的非线性相互作用引起的海底压力扰动相关（Longuet-Higgins，1950；Frontera et al，2010），此外中远震也会影响到这一频段的背景噪声；长周期部分（10—50 s）的噪声则主要与风、急流（瀑布和河流）、温度变化、气压变化和地倾斜等自然因素相关（Bonnefoy-Claudet et al，2006）。远震波也会在低频和长周期范围对背景噪声产生影响。

选取同测点记录背景噪声资料时，避开地震、中断和其它干扰时段的数据，因此信号中不包括地震波，信号强度较小。选取油榨坪台（地表台）记录的2015年5月10日0时的背景噪声数据和井研台（山洞台）记录的2015年8月27日15时的背景噪声数据，对其进行预处理后，分别进行相干函数和频谱计算，计算结果如图4和图5。

图  4  基于油榨坪台（a）和井研台（b）背景噪声数据计算得到的相干值随频率f的变化

Figure  4.  Variation of coherence values calculated from ambient noise data recorded at the stations YZP （a） and JYA （b） with frequency f

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图  5  油榨坪台（a）和井研台（b）的背景噪声频谱图

Figure  5.  Frequency spectra of the ambient noise data recorded at the stations YZP （a） and JYA （b）

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由图4给出的相干值随频率分布特点可以看出，不同台址上，两种地震计在高频和长周期部分的相关特性存在明显差异，总体呈现以下特点：高频部分（＞1 Hz），油榨坪台（地表台）上两种地震计记录数据相比井研台（山洞台）在更高频段内具有相关性，即在20—40 Hz仍具有较高的相干值（图4a）；长周期部分（10—50 s），井研台上两种地震计记录数据相比油榨坪台在更低频段内具有相关性，即在0.06—0.1 Hz仍具有较高的相干值（图4b）；低频（1—10 s）范围内，不同观测环境下，两种地震计记录数据计算得到的相干值均较高，具有较好相似性。此外，两种地震计的垂直向相比水平向在更低频段具有相关性，即在0.05—0.1 Hz范围内具有较高的相干值。

在观测系统中，数据采集器对于记录背景噪声的影响很小，又因本文的比测系统采用同一数据采集设备，因此，记录数据的差异主要来自于地震计。地震计是受外界干扰影响的主要部分，诸如温度、气流、地倾斜等因素对于地震观测系统的影响主要作用于地震计（刘旭宙等，2018）。地震仪器噪声主要包含地震计内部噪声和仪器受环境因素（气压、温度等）变化引起的噪声，后者可视为干扰，且此项干扰的减小取决于仪器材料的优选、仪器的密封、保温等。对于速度地震计来说，地震计内部噪声主要包括换能器放大器的电子噪声和机械摆体的布朗热噪声。相对于地震计的内部噪声，环境因素变化引起的噪声往往要大得多，摆体受气压变化引起的噪声振幅有时比地面震动的振幅还要高几个数量级（Wielandt，Streckeisen，1982）。同时地倾斜引起的噪声也不容忽视，这些环境因素变化引起的噪声与摆体的品质因子、自振周期和等效质量等地震计参数有关（崔庆谷，2003）。此外，水平向的摆体还特别容易受到地面形变和地倾斜的影响（段天山，袁顺，2011）。

为更好地分析不同台址上两种地震计在高频段相关性的差异情况，对上述同测点选取的背景噪声数据进行频谱分析，结果如图5所示，可以看出，油榨坪台高频部分（＞5 Hz）的振幅明显大于井研台，结合图4所示的计算结果，可推断油榨坪台在高频段（20—40 Hz）存在的高频干扰，使得两种地震计记录数据在此频段的相关性增强，即在高频段输入振动大，信噪比高，相关性得到提高。而井研台20 Hz以上相干性减小主要因台基噪声接近CMG-3ESPC自噪声所致。

不同台址上两种地震计在长周期部分的相关性同样具有明显差异。井研台上，两种地震计在长周期0.06—0.1 Hz频段表现出较好的相关性，明显优于油榨坪台。气压、温度变化等环境因素是影响长周期频段观测的主要因素（尹昕忠等，2013；刘旭宙等，2018；王晓蕾等，2018）。结合上述讨论，仪器材料的优选、仪器的密封、保温等措施可以减少环境因素引起的干扰。参考井研台（山洞台）和油榨坪台（地表台）的台址条件，可推定井研台防风保温等防护条件优于油榨坪台，这使得两种地震计在井研台记录数据的长周期部分（0.06—0.1 Hz）表现出较好相关性，因此两种地震计在不同台址上长周期频段（10—50 s）的相关性受空气对流和温度变化等外界因素的影响很大。

不同台址上两种地震计在低频部分（1—10 s）均具有较好的相关性。由图3可知，这两种地震计的自噪声比地脉动小，且可被忽略，因此它们记录的是同样的地脉动，相关性必然很高，因而在图4中表现为低频范围（1—10 s）内均具有较高的相干值。

对于宽频带地震计的水平分向，地面倾斜产生的噪声往往比垂直分向大几十至数百倍，而垂直分向则不存在这个问题，此噪声往往来源于汽车、人以及本地区气压变化引起的地面倾斜（崔庆谷，2003）。因此在本文对比中垂直向相关性明显优于水平向，可考虑此种差异来自于地面倾斜所产生的噪声。

图4中相同环境条件（同址）下，两种地震计记录数据在工作频段两端（高频部分和长周期部分）的相关性快速下降，结合图3可知，当频率接近0.04 Hz，甚至更低时，CMG-3ESPC记录中自噪声的比例会随之增加，而BBVS-60记录的自噪声比例尚不大，因此这两台地震计记录波形的相关性必然会越来越差，因此长周期频率范围（10—50 s）内的相关性差，主要是CMG-3ESPC的自噪声高于BBVS-60自噪声引起的。同理，在高频段，因两种地震计的自噪声各不相同，当记录波形数据接近其中一台地震计的自噪声时，两台地震计记录数据的相关性会随着下降。

4.1   利用台站背景噪声数据检测地震计性能及记录数据差异

台站背景噪声是影响地震观测质量的主要因素之一，计算噪声功率谱密度是分析背景噪声的传统方法，不仅有助于了解台站的背景噪声水平，也可定量地分析观测环境对地震计的影响程度。地震计的自身噪声决定了可观测的最小振动信号（下限）。不同厂家、不同型号的地震计，其自身的噪声水平各不相同。油榨坪台和井研台的台基背景噪声以及两套地震计的自噪声功率谱密度曲线如图3所示。

图  3  油榨坪台（a）和井研台（b）垂直分量背景噪声及仪器自噪声的加速度功率谱密度曲线

Figure  3.  Acceleration power spectra density curves of UD-component ambient noise at the stations YZP （a） and JYA （b） and self noise of BBVS-60 type and CMG-3ESPC type seismometers

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由图3可以看出两台址所测得的台基背景噪声明显高于地球的最低噪声模型（new low noise model，缩写为NLNM），这由多方面引起：其一是外界噪声因素，例如空气流动、气温气压的变化等使台基噪声产生变化；其二是地震计存在的自噪声，地震计的自噪声叠加至台基噪声上，使得所测台站的噪声偏高。同时，可以看出在工作频带记录范围内，两种地震计的仪器噪声均非常低，记录的环境噪声均远高于仪器噪声，因此两套仪器记录数据主要反映了环境背景噪声。

本文所涉及的频率范围大体分为高频（＞1 Hz）、低频（1—10 s）和长周期（10—50 s）等三个频段，其中：高频部分（＞1 Hz）的干扰主要以人类活动等为主，气流和地方震等自然因素也会在高频形成干扰，且对地震计水平分向的影响更为明显（Mcnamara，Buland，2004）；低频部分（1—10 s）的干扰主要来自微震噪声，微震噪声与海底压力扰动和气流及气流引起的植物根茎扰动等有关，主要成分为面波，此频段主要峰值的形成一般认为与海洋波与海底或海岸线的非线性相互作用引起的海底压力扰动相关（Longuet-Higgins，1950；Frontera et al，2010），此外中远震也会影响到这一频段的背景噪声；长周期部分（10—50 s）的噪声则主要与风、急流（瀑布和河流）、温度变化、气压变化和地倾斜等自然因素相关（Bonnefoy-Claudet et al，2006）。远震波也会在低频和长周期范围对背景噪声产生影响。

选取同测点记录背景噪声资料时，避开地震、中断和其它干扰时段的数据，因此信号中不包括地震波，信号强度较小。选取油榨坪台（地表台）记录的2015年5月10日0时的背景噪声数据和井研台（山洞台）记录的2015年8月27日15时的背景噪声数据，对其进行预处理后，分别进行相干函数和频谱计算，计算结果如图4和图5。

图  4  基于油榨坪台（a）和井研台（b）背景噪声数据计算得到的相干值随频率f的变化

Figure  4.  Variation of coherence values calculated from ambient noise data recorded at the stations YZP （a） and JYA （b） with frequency f

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图  5  油榨坪台（a）和井研台（b）的背景噪声频谱图

Figure  5.  Frequency spectra of the ambient noise data recorded at the stations YZP （a） and JYA （b）

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由图4给出的相干值随频率分布特点可以看出，不同台址上，两种地震计在高频和长周期部分的相关特性存在明显差异，总体呈现以下特点：高频部分（＞1 Hz），油榨坪台（地表台）上两种地震计记录数据相比井研台（山洞台）在更高频段内具有相关性，即在20—40 Hz仍具有较高的相干值（图4a）；长周期部分（10—50 s），井研台上两种地震计记录数据相比油榨坪台在更低频段内具有相关性，即在0.06—0.1 Hz仍具有较高的相干值（图4b）；低频（1—10 s）范围内，不同观测环境下，两种地震计记录数据计算得到的相干值均较高，具有较好相似性。此外，两种地震计的垂直向相比水平向在更低频段具有相关性，即在0.05—0.1 Hz范围内具有较高的相干值。

在观测系统中，数据采集器对于记录背景噪声的影响很小，又因本文的比测系统采用同一数据采集设备，因此，记录数据的差异主要来自于地震计。地震计是受外界干扰影响的主要部分，诸如温度、气流、地倾斜等因素对于地震观测系统的影响主要作用于地震计（刘旭宙等，2018）。地震仪器噪声主要包含地震计内部噪声和仪器受环境因素（气压、温度等）变化引起的噪声，后者可视为干扰，且此项干扰的减小取决于仪器材料的优选、仪器的密封、保温等。对于速度地震计来说，地震计内部噪声主要包括换能器放大器的电子噪声和机械摆体的布朗热噪声。相对于地震计的内部噪声，环境因素变化引起的噪声往往要大得多，摆体受气压变化引起的噪声振幅有时比地面震动的振幅还要高几个数量级（Wielandt，Streckeisen，1982）。同时地倾斜引起的噪声也不容忽视，这些环境因素变化引起的噪声与摆体的品质因子、自振周期和等效质量等地震计参数有关（崔庆谷，2003）。此外，水平向的摆体还特别容易受到地面形变和地倾斜的影响（段天山，袁顺，2011）。

为更好地分析不同台址上两种地震计在高频段相关性的差异情况，对上述同测点选取的背景噪声数据进行频谱分析，结果如图5所示，可以看出，油榨坪台高频部分（＞5 Hz）的振幅明显大于井研台，结合图4所示的计算结果，可推断油榨坪台在高频段（20—40 Hz）存在的高频干扰，使得两种地震计记录数据在此频段的相关性增强，即在高频段输入振动大，信噪比高，相关性得到提高。而井研台20 Hz以上相干性减小主要因台基噪声接近CMG-3ESPC自噪声所致。

不同台址上两种地震计在长周期部分的相关性同样具有明显差异。井研台上，两种地震计在长周期0.06—0.1 Hz频段表现出较好的相关性，明显优于油榨坪台。气压、温度变化等环境因素是影响长周期频段观测的主要因素（尹昕忠等，2013；刘旭宙等，2018；王晓蕾等，2018）。结合上述讨论，仪器材料的优选、仪器的密封、保温等措施可以减少环境因素引起的干扰。参考井研台（山洞台）和油榨坪台（地表台）的台址条件，可推定井研台防风保温等防护条件优于油榨坪台，这使得两种地震计在井研台记录数据的长周期部分（0.06—0.1 Hz）表现出较好相关性，因此两种地震计在不同台址上长周期频段（10—50 s）的相关性受空气对流和温度变化等外界因素的影响很大。

不同台址上两种地震计在低频部分（1—10 s）均具有较好的相关性。由图3可知，这两种地震计的自噪声比地脉动小，且可被忽略，因此它们记录的是同样的地脉动，相关性必然很高，因而在图4中表现为低频范围（1—10 s）内均具有较高的相干值。

对于宽频带地震计的水平分向，地面倾斜产生的噪声往往比垂直分向大几十至数百倍，而垂直分向则不存在这个问题，此噪声往往来源于汽车、人以及本地区气压变化引起的地面倾斜（崔庆谷，2003）。因此在本文对比中垂直向相关性明显优于水平向，可考虑此种差异来自于地面倾斜所产生的噪声。

图4中相同环境条件（同址）下，两种地震计记录数据在工作频段两端（高频部分和长周期部分）的相关性快速下降，结合图3可知，当频率接近0.04 Hz，甚至更低时，CMG-3ESPC记录中自噪声的比例会随之增加，而BBVS-60记录的自噪声比例尚不大，因此这两台地震计记录波形的相关性必然会越来越差，因此长周期频率范围（10—50 s）内的相关性差，主要是CMG-3ESPC的自噪声高于BBVS-60自噪声引起的。同理，在高频段，因两种地震计的自噪声各不相同，当记录波形数据接近其中一台地震计的自噪声时，两台地震计记录数据的相关性会随着下降。

4.2   利用地震事件检测地震计性能及记录数据差异

选取油榨坪台（地表台）记录到的包含2015年 4月8日22时51分都江堰发生的M_S2.2地震（近震）的波形数据和2015年4月30日18时45分新不列颠地区发生的M_S6.7地震（远震）的波形数据；选取井研台（山洞台）记录到的包含2015年9月18日6时59分宜宾珙县发生的M_S3.4地震（近震）的波形数据和2015年9月1日21时24分台湾花莲发生的M_S5.0地震（远震）的波形数据。基于以上选取的波形数据分别计算其相干函数和频谱，结果如图6—8所示。

图  6  基于油榨坪台记录的地震事件数据计算得到的相干值随频率的变化

（a） 都江堰M_S2.2地震；（b） 新不列颠地区M_S6.7地震

Figure  6.  Variation of coherence values calculated from seismic events data recorded at the station YZP with frequency

（a） The M_S2.2 earthquake in Dujiangyan；（b） The M_S6.7 earthquake in New Britain region

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图  8  基于四个地震事件数据计算得到的频谱图

（a） 都江堰M_S2.2地震；（b） 新不列颠地区M_S6.7地震；（c） 宜宾珙县M_S3.4地震；（d） 台湾花莲M_S5.0地震

Figure  8.  Frequency spectrums of seismic wave from four events

（a） The M_S2.2 earthquake in Dujiangyan；（b） The M_S6.7 earthquake in New Britain；（c） The M_S3.4 earthquake in Gongxian，Yibin city；（d） The M_S5.0 earthquake in Hualien county，Taiwan

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由图6和图7给出的相干值计算结果可以看出，不同台址上，两种地震计记录数据的相关性与利用背景噪声得出的对比结果具有一定的相似性。高频部分（＞1 Hz），油榨坪台（地表台）上两种地震计记录的地震数据（近震、远震）相比井研台（山洞台）在更高频段内具有相关性；长周期部分（10—50 s），井研台上两种地震计记录的地震数据（近震、远震）相比油榨坪台在更低频段内具有相关性；低频范围（1—10 s）内，两种观测环境下，两种地震计具有较高的相似性。

图  7  基于井研台记录的地震事件数据计算得到的相干值随频率的变化

（a） 宜宾珙县M_S3.4地震；（b） 台湾花莲县M_S5.0地震

Figure  7.  Variation of coherence values calculated from seismic events data recorded at the station YZP with frequency

（a） The M_S3.4 earthquake in Gongxian，Yibin city；（b） The M_S5.0 earthquake in Hualien county，Taiwan

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同一台址上由近震和远震数据计算得到的相干值在高频部分和长周期部分也均存在差异：对于油榨坪台（地表台），长周期部分（10—50 s），由远震数据所得的计算结果相比近震在更低频段内具有较高相干值，其中，垂直向在0.02—0.1 Hz频段具有较高相干值，水平向在0.06—0.1 Hz频段具有较高相干值（图6）；对于井研台（山洞台），长周期部分（10—50 s），远震数据所得的计算结果相比近震同样在更低频段内具有较高相干值，其中，垂直向在0.03—0.1 Hz频段具有较高相干值，水平向在0.04—0.1 Hz频段具有较高相干值（图7）；高频部分（＞1 Hz），同一台址上，由近震与远震数据所得的计算结果近似相同。

为观察含地震事件的记录数据中频率分量的分布情况，对记录数据进行幅频分析，计算结果如图8所示。结合上节背景噪声数据进行频谱分析可知，相比井研台，5 Hz以上高频部分的大振幅仍是引起油榨坪台上两种地震计在20—40 Hz高频段具有较高相关性的主要因素。两种地震计在长周期部分（10—50 s）存在的差异，主要是由于地震记录数据中所含对应频率分量对其的影响。总之，对于不同的台址条件、不同的地震记录数据，两种地震计在高频部分和长周期部分（10—50 s）的相关性也不同，这主要与记录数据中所含输入振动有关。在两种地震计的正常工作范围内，输入振动越大，信噪比越高，其记录数据的相关性就会越好。因此两种地震计记录地震时，如在工作频段50 s—10 Hz内地震信号远大于地震计自噪声，两台地震计记录的数据主要为地震信号，这时记录数据会具有很好的相关性；但当地震信号很小时，以致在50—20 s或者4—10 Hz时，地震信号接近全球低噪声模型（NLNM），因CMG-3ESPC自噪声高于BBVS-60，这时CMG-3ESPC的记录主要是自噪声，而BBVS-60自噪声低，其记录主要是地震信号，此时，这两种地震计的相关性将会变差。

4.2   利用地震事件检测地震计性能及记录数据差异

选取油榨坪台（地表台）记录到的包含2015年 4月8日22时51分都江堰发生的M_S2.2地震（近震）的波形数据和2015年4月30日18时45分新不列颠地区发生的M_S6.7地震（远震）的波形数据；选取井研台（山洞台）记录到的包含2015年9月18日6时59分宜宾珙县发生的M_S3.4地震（近震）的波形数据和2015年9月1日21时24分台湾花莲发生的M_S5.0地震（远震）的波形数据。基于以上选取的波形数据分别计算其相干函数和频谱，结果如图6—8所示。

图  6  基于油榨坪台记录的地震事件数据计算得到的相干值随频率的变化

（a） 都江堰M_S2.2地震；（b） 新不列颠地区M_S6.7地震

Figure  6.  Variation of coherence values calculated from seismic events data recorded at the station YZP with frequency

（a） The M_S2.2 earthquake in Dujiangyan；（b） The M_S6.7 earthquake in New Britain region

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图  8  基于四个地震事件数据计算得到的频谱图

（a） 都江堰M_S2.2地震；（b） 新不列颠地区M_S6.7地震；（c） 宜宾珙县M_S3.4地震；（d） 台湾花莲M_S5.0地震

Figure  8.  Frequency spectrums of seismic wave from four events

（a） The M_S2.2 earthquake in Dujiangyan；（b） The M_S6.7 earthquake in New Britain；（c） The M_S3.4 earthquake in Gongxian，Yibin city；（d） The M_S5.0 earthquake in Hualien county，Taiwan

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由图6和图7给出的相干值计算结果可以看出，不同台址上，两种地震计记录数据的相关性与利用背景噪声得出的对比结果具有一定的相似性。高频部分（＞1 Hz），油榨坪台（地表台）上两种地震计记录的地震数据（近震、远震）相比井研台（山洞台）在更高频段内具有相关性；长周期部分（10—50 s），井研台上两种地震计记录的地震数据（近震、远震）相比油榨坪台在更低频段内具有相关性；低频范围（1—10 s）内，两种观测环境下，两种地震计具有较高的相似性。

图  7  基于井研台记录的地震事件数据计算得到的相干值随频率的变化

（a） 宜宾珙县M_S3.4地震；（b） 台湾花莲县M_S5.0地震

Figure  7.  Variation of coherence values calculated from seismic events data recorded at the station YZP with frequency

（a） The M_S3.4 earthquake in Gongxian，Yibin city；（b） The M_S5.0 earthquake in Hualien county，Taiwan

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同一台址上由近震和远震数据计算得到的相干值在高频部分和长周期部分也均存在差异：对于油榨坪台（地表台），长周期部分（10—50 s），由远震数据所得的计算结果相比近震在更低频段内具有较高相干值，其中，垂直向在0.02—0.1 Hz频段具有较高相干值，水平向在0.06—0.1 Hz频段具有较高相干值（图6）；对于井研台（山洞台），长周期部分（10—50 s），远震数据所得的计算结果相比近震同样在更低频段内具有较高相干值，其中，垂直向在0.03—0.1 Hz频段具有较高相干值，水平向在0.04—0.1 Hz频段具有较高相干值（图7）；高频部分（＞1 Hz），同一台址上，由近震与远震数据所得的计算结果近似相同。

为观察含地震事件的记录数据中频率分量的分布情况，对记录数据进行幅频分析，计算结果如图8所示。结合上节背景噪声数据进行频谱分析可知，相比井研台，5 Hz以上高频部分的大振幅仍是引起油榨坪台上两种地震计在20—40 Hz高频段具有较高相关性的主要因素。两种地震计在长周期部分（10—50 s）存在的差异，主要是由于地震记录数据中所含对应频率分量对其的影响。总之，对于不同的台址条件、不同的地震记录数据，两种地震计在高频部分和长周期部分（10—50 s）的相关性也不同，这主要与记录数据中所含输入振动有关。在两种地震计的正常工作范围内，输入振动越大，信噪比越高，其记录数据的相关性就会越好。因此两种地震计记录地震时，如在工作频段50 s—10 Hz内地震信号远大于地震计自噪声，两台地震计记录的数据主要为地震信号，这时记录数据会具有很好的相关性；但当地震信号很小时，以致在50—20 s或者4—10 Hz时，地震信号接近全球低噪声模型（NLNM），因CMG-3ESPC自噪声高于BBVS-60，这时CMG-3ESPC的记录主要是自噪声，而BBVS-60自噪声低，其记录主要是地震信号，此时，这两种地震计的相关性将会变差。

5.   讨论与结论

本文选取国内测震台网广泛使用的两种宽频带地震计BBVS-60型和CMG-3ESPC型，在不同观测环境下，对同一测点获取的背景噪声数据和地震事件数据分别进行相干性分析，获得了两种地震计三个分向记录到的数据的相干值随频率的变化情况，以此来检测两种地震计在正常工作频段内的相关性。通过对比分析所得结论如下：

1） 在观测系统工作频带内，两种地震计的仪器噪声均非常低，记录的环境噪声均远高于仪器噪声。在比测台址观测环境下，两种地震计垂直向在0.02—40 Hz、水平向在0.04—40 Hz频段内具有良好的相关性。

2） 一台址上两种地震计记录数据的相干函数值相比另一台址，在高频（10—40 Hz）和长周期（10—50 s）部分均存在明显差异。高频部分的差异，主要来自于台基高频噪声的影响；长周期部分的差异，安静环境下主要来自于空气对流和温度变化等外界因素的影响，地震发生时，则主要为地震记录数据中所含对应频率分量对其的影响。

3） 在观测系统工作频段内，两种地震计记录数据的相关度与输入振动强度有很大关系，表现为：输入振动大，信噪比高，相关性就好；输入振动小，信噪比低，相关性就差。

比测结果表明，两种地震计的自噪声各不相同，BBVS-60自噪声低于CMG-3ESPC自噪声，工作频段内，当记录的较大波形数据均大于CMG-3ESPC自噪声时，它们将表现出较好的相关性。同时，外界环境干扰在高频部分和长周期部分会降低两种地震计的相关性。因此，当需要研究弱信号时，除优良的台基和噪声性能良好的地震计外，减低噪声干扰的措施以及在一定程度上隔离外部环境变化影响的观测室也非常重要。由于条件所限，分析中仅使用了台站背景噪声和几个震例数据，所得结果较为粗略，在今后研究中，可尝试改变温度、湿度、气流等环境观测参数，以获得两类地震计在不同观测环境下更为全面的性能差异。

感谢四川省地震局杨晓源研究员为本文提出诸多宝贵意见并给予指导。

5.   讨论与结论

本文选取国内测震台网广泛使用的两种宽频带地震计BBVS-60型和CMG-3ESPC型，在不同观测环境下，对同一测点获取的背景噪声数据和地震事件数据分别进行相干性分析，获得了两种地震计三个分向记录到的数据的相干值随频率的变化情况，以此来检测两种地震计在正常工作频段内的相关性。通过对比分析所得结论如下：

1） 在观测系统工作频带内，两种地震计的仪器噪声均非常低，记录的环境噪声均远高于仪器噪声。在比测台址观测环境下，两种地震计垂直向在0.02—40 Hz、水平向在0.04—40 Hz频段内具有良好的相关性。

2） 一台址上两种地震计记录数据的相干函数值相比另一台址，在高频（10—40 Hz）和长周期（10—50 s）部分均存在明显差异。高频部分的差异，主要来自于台基高频噪声的影响；长周期部分的差异，安静环境下主要来自于空气对流和温度变化等外界因素的影响，地震发生时，则主要为地震记录数据中所含对应频率分量对其的影响。

3） 在观测系统工作频段内，两种地震计记录数据的相关度与输入振动强度有很大关系，表现为：输入振动大，信噪比高，相关性就好；输入振动小，信噪比低，相关性就差。

比测结果表明，两种地震计的自噪声各不相同，BBVS-60自噪声低于CMG-3ESPC自噪声，工作频段内，当记录的较大波形数据均大于CMG-3ESPC自噪声时，它们将表现出较好的相关性。同时，外界环境干扰在高频部分和长周期部分会降低两种地震计的相关性。因此，当需要研究弱信号时，除优良的台基和噪声性能良好的地震计外，减低噪声干扰的措施以及在一定程度上隔离外部环境变化影响的观测室也非常重要。由于条件所限，分析中仅使用了台站背景噪声和几个震例数据，所得结果较为粗略，在今后研究中，可尝试改变温度、湿度、气流等环境观测参数，以获得两类地震计在不同观测环境下更为全面的性能差异。

感谢四川省地震局杨晓源研究员为本文提出诸多宝贵意见并给予指导。