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你可能喜欢第二章 地震监测信息技术及其进步
地震观测技术是测量地震激起的地面振动的技术。它包含了地面振动的拾取和调理、数字化转换、数据的传送、汇集、处理、存储和应用服务等技术。现代地震计将地面运动量转换为电量输出，完成了非电量至电量的变换，是地震部门特有的传感设备。记录器负责记录地震波形，以便分析和保存。信号的调理是电子放大积分引入地震观测后才特有的技术，模拟观测时期为一个独立部件作为遥测设备或记录器的一部分，数字观测时期该功能分散在反馈地震计和数据采集器中不再以独立部件出现。地震记录在模拟观测时期主流是用螺旋式滚筒记录地震波形，载体为纸介质，也有使用磁介质记录的例子。数字观测时期光盘记录作为长期保存的记录方式。地震信息传送是遥测地震台网出现后才加入到地震观测技术行列中的技术，有专用传输网和公用通信网之分。地震数据的汇集和处理技术是电子计算机用于台网实时处理后才引入的技术。地震数据处理技术涵盖的范围很广，包括了实时处理和人机结合处理的所有技术。该技术建立在通用计算机及其有关操作系统上，以专用软件形式出。
一、地震计
地震计又名拾震器、检波器，有时还简称为“摆”。地震计是地震仪的前端传感设备。
地震计是地震观测的核心部件之一，它的性能在很大程度上决定了地震观测的传递特性，包括频带、响应类型、线性度和动态范围等。地震计的发展经历了三个大的阶段：即机械杠杆放大阶段、电动传感开环地震计（或称无源地震计）阶段和反馈地震计阶段。我国早期的地震计研制明显地滞后于世界上的发达国家。新中国成立后从仿制起步，培养了一批我国地震计的设计人才，也研制出了多种与当时国际水平相近的开环地震计。20世纪90年代以来在反馈地震计设计研制方面已接近或达到了世界先进水平。
（一）机械杠杆放大地震仪中的地震计
机械杠杆放大地震仪是用地震计的摆锤通过机械杠杆直接推动记录笔实现地震观测。地震计与记录笔之间的机械杠杆起到将摆锤震动中心相对于地面的运动放大的作用，中间未经历任何物理量之间的变换。故这一类地震仪的响应类型是位移平坦型，前面曾提到过的维歇尔式地震仪、51式地震仪均属这一类型。因为摆锤要直接推动记录笔，故这一类地震计的摆锤质量均很大，且地震计不能作为地震仪中的独立部件单独使用。
我国第一台自研地震计是李善邦先生于抗日战争时期研制的霓式地震仪中的地震计，这是一种只有水平向、无专门阻尼措施、采用机械杠杆放大，只能记录中强地震的低倍率地震计。新中国成立后，李善邦将其改进定型并投入批量生产，定名为51式地震仪。有关部门用51式地震仪建立了我国第一个强震台网。因为机械杠杆放大式的地震仪是用摆锤直接推动记录笔，故其摆锤的质量必须较大。这一代地震计的摆锤轻则百余千克，重则高达十余千千克。
（二）电动式速度传感地震计
电动式速度传感地震计是在我国地震观测历史中应用得最广泛、品种也最多的一类地震计。模拟观测时期的地震仪器都使用电动式速度传感地震计。在数字观测时期反馈式短周期地震计仍以电动式速度传感地震计为基础进行设计。这是因为在短周期频段普通的电动式速度传感元件较位移传感元件能得到更高的灵敏度，更低的本底噪声。电动式地震计的摆锤质量可以远小于前一代机械杠杆放大式地震计的摆锤质量。因为这时地震计的输出要么是推动转动惯量小得多的电流计，要么是推动输入阻抗很高的电子放大器。
20世纪50年代中期，中国在前苏联的帮助下开始了国家基本台网和重点区域台网的建设。建设所需的地震仪是引进和仿制苏联电磁耦合光记录地震仪。电磁耦合地震仪所用的地震计为电动式速度传感地震计，地震计内部没有反馈环路。这期间的引进仿制的地震计主要是固有周期为12.5s的基尔诺斯地震计和固有周期为1s的维开克或哈林式地震计。这三种型号地震计采用电动式速度传感元件，传感元件输出通过电阻网络与电流计耦合。这一类地震计通过光杠杆放大照像记录。地震计工作阻尼调整在0.5左右，固有周期较短的电流计则工作在强阻尼状态完成指定频带的积分，两者配合实现地动位移记录。这三种型号的地震计既有水平向、亦有垂直向，是近代开环摆式电动传感地震计的典型代表。我国后来自行研制生产的62型、64型、65型、DS-1型、DS-2型、DK-1型和763型地震计均属这一类型。上述自研地震计中短周期地震计的固有周期多为1s或2s,中长周期和长周期地震计的固有期为15s左右。由上述地震计组成的地震仪均毫无例外地采用了电动式速度传感元件。除了763长周期地震仪频带较窄无显著的平坦带外，无论是电流计记录还是放大器配合笔记录整机特性均为位移平坦型。763型长周期地震仪是用中长周期地震计配长周期电流计实现长周期地震观测，此举的目的是避开了制造零位稳定性高的长周期地震计难题。在这一类固有周期反配置的地震仪中，地震计应工作于强阻尼状态，电流计则工作于阻尼系数为0.5～0.7的状态。只有这样才能在较宽的频带范围内获得位移平坦型特性。
另一类开环地震计是直动型或称直线型，其质量体由塔式簧片支持，产生直线运动，典型代表为768短周期地震计。直动型地震计的固有周期多为1s，没有中长周期的产品。
下面对几种应用广泛的电动式速度传感地震计仪器作简要介绍。
1．DS-1型地震计（DD-1型短周期地震仪配套用的地震计）
该仪器是国家地震局地球物理研究所和国家地震局地震仪器厂研制的，主要研制人员有琴朝智、沈梦培、徐果明、孟繁喜。1971年-1972年研制，1978年鉴定，广泛应用于全国地震基准台及区域测震台。
工作原理：
DS-1型地震计与DJ-1型记录器配用构成DD-1型短周期地震仪。拾震器把地动信号转换成电信号，经放大器放大后，推动记录笔在记录纸上画出放大后的地震波形。如果地动位移幅度较大，就能触发接在垂直向放大器输出端的报警器，发出报警讯号。时钟（石英钟）给出时间标志信号，在放大器中形成脉冲，带动记录笔在记录纸上画出标记号（时号和分号）。DS-1型地震计水平向和垂直向均采用旋转型复摆结构，见图1.2.1，技术指标见表2.1。
（a）垂直分量结构&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
（b）水平分量结构
图1.2.1 DS-1型地震计结构（引自《地震仪器概论》）
（a）1螺旋弹簧；2重锤；3线圈；4零位指示器；5磁钢；6标定器；7底盘；8水准器；9紧锤栓；10紧固螺母；11制动螺钉；12底角螺钉；13锁紧螺母；14观察窗；15支架；16平衡手轮；17周期手轮。
（b）1放大镜；2标尺；3指零尺；4线圈；5磁钢；6锁紧螺母；7底角螺母；8标定线圈；9支架；10制动螺钉；11底盘；12引线柱；13紧罩栓；14底角螺丝；15硝紧螺母；16承重钢丝；17固定支架；182重锤；19周期调整。
DS-1型拾震器的主要技术指标
DS-1-H（水平向）
DS-1-V（垂直向）
换能电压灵敏度
伏·秒/厘米
可测最大振幅
42×28×25
39×28×27
2．KS-1型中长周期地震计（ DK-1型宽频带地震仪配套用的地震计）
该仪器由国家地震局地震仪器厂研制，主要设计人员是赵子玉、赵松年。研制，1978年鉴定，广泛应用于全国地震基准台及地方测震台。
KS-1型中长周期地震计配用KJ-1型记录器构成DK-1型宽频带地震仪。该地震计是利用动圈式换能器测量地震时地壳运动的速度，然后通过记录器中的积分环节对速度量进行积分而得到地震位移量，再加以放大，放大的强信号推动记录笔绘出地震运动的波形。为了增加地震计传感的线性范围，KS-1型水平向地震计采用了双瓷缸结构。其技术指标见表1.2.2，结构图1.2.2。
KDS-1型拾震器的主要技术指标：
KS－1－V（垂直）
KS－1—H（水平）
仪器周期可调范围
2.5×10－1
3.6×10－1
工作线圈电阻
标定线圈电阻
全临界电阻
换能器电压灵敏度
质心位移摆幅
0.03－0.04
70×30×25
70×30×25
仪器总重量
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&图1.2.2&
KS-1型地震计结构示意图
3．SK（基式）中长周期地震计
基式地震仪是由原苏联地震学家基尔诺斯教授在上个世纪40年代后期研制的地震计与电流计耦合采用照像记录的中长周期地震仪，配套的地震计亦称为基式地震计。1956年，为了准备参加国际地球物理年的地震观测项目，在我国和原苏联地震学家的共同努力下，引进并仿制了一批基式地震仪。
基式地震仪是一套宽频带三分向光记录地震观测系统。该系统的二台水平向地震计，通过两组电阻网络，分别与二台短周期检流计耦合；而一台竖直向地震计测通过一组电阻网络与一台短周期检流计连接。地震计的工作阻尼小于临界阻尼、电流计工作于强阻尼两者配合在所需的频带，形成所需的位移平坦特性。
基式水平向地震计也是采用（Garden-gate）悬挂系统（图1.2.3），摆用一根金属弦和上下二片簧片悬挂。
水平向地震计原理示意图
摆的固有周期可通过改变倾角调整。其固有周期计算公式为：
式中，——摆的转动惯量；——弹性元件的刚度。
基式竖直向地震仪悬挂系统如图1.2.4所示，图1.2.5是其原理示意：
竖直向地震计悬挂系统&&&&&&& 图1.2.5
竖直向地震计原理示图
摆的固有周期可通过改变角调整
式中，当仪器结构设计好后，与是二个仅与角有关的量。
基式检流计采用的是张丝悬挂系统（图1.2.6）
检流计悬挂系统
检流计活动系统的固有周期可通过改变活动系统下张丝的有效长度，从而改变反作用力矩系统来调整。
基式地震仪主要性能指标见表1.2.3。
基式地震仪主要性能指标
可调周期范围
2.5～3.0×10-1
基式地震仪的基本参数：地震计固有周期=12.5±0.1秒；电流计固有周期=1.2±0.01秒；地震计工作阻尼：水平向=0.45±0.01，竖直向0.5～0.65；电流计工作阻尼=5.0±0.1； 耦合系数：水平向0.1，垂直向0.3；静态放大倍数：水平向3000倍，竖直向1000倍（改进型1500）。
我国Ⅰ类24个基本台站上都安装使用了基式地震仪，Ⅱ类基本台上有的也安装使用了基式地震仪。
基式地震仪是我国地震台上运转时间最长、取得连续记录资料最多的一种宽频带地震记录仪器，也是模拟地震观测时期记录动态范围最大、线性度最好的地震仪。这些观测资料不但在地震（包括核爆炸）震相分析、参数测定及震级计算方面起着显著作用，而且对中国地区震相走时的研究和制定也作出了重要贡献。此外，该仪器还推动了我国在震源物理、地壳和上地幔结构方面的研究，并取得了一批科研成果。随着20世纪90年代后期我国数字化地震台网的建立，除保留几个台站仍使用基式地震仪并行观测记录外，其他台站的基式地震仪已于2000年停记。
4．763长周期地震仪
763长周期地震仪是由原中国科学院地球物理研究所第七研究室以琴朝智为首的课题组研制的。1963年开始研制，1977年全面推广使用。
763型长周期地震仪是一套三分向光记录地震观测系统。该系统的两台水平向地震计和一台竖直向地震计，各通过电阻网络，分别与一台长周期检流计匹配，形成所需的特性。
763型水平向地震计采用的是伽登—盖特（Garden-Gate）悬挂系统（图1.2.7），摆用上下两对交叉簧片悬挂。
图1.2.7& 水平向地震计原理示意
摆的固有周期可通过改变角调整
式中，——摆的转动惯量；——弹性簧片的刚度。
763型竖直向地震仪采用的是拉柯斯（La’Coste）悬挂系统（图1.2.8）：
图1.2.8& 竖直向地震计原理示意
摆的固有周期（采用零长弹簧后）可通过改变角调整。
式中，——摆的转动惯量；——弹性的刚度。
763型长周期检流计采用的是单吊丝悬挂系统（图1.2.9）：
图1.2.9& 检流计悬挂结构示意
检流计的活动系统可看作一种扭摆，其固有周期可通过改变活动系统的转动惯量来调整。
763型长周期地震仪主要性能指标见表1.2.4。
表1.2.4& 763型长周期地震仪主要性能指标
为了与国际地震中心的资料接轨，763型长周期地震仪采用与世界标准地震台网长周期通道一致的特性参数，即：地震计固有周期=（15±0.1）秒；地震计工作阻尼=1.0±0.051；检流计固有周期=（100±5）秒；检流计工作阻尼=1.0±0.05；系统放大率750或1500倍。
763型长周期地震仪先后在我国33个基本台进行了安装使用。
我国763长周期地震观测台网的建成，使我国地震台站的观测频带从几十秒扩展到百秒以上，从而大幅度提高了监测能力；提高了识别震相（特别是周期较长的后续震相）的能力；能观测到大量的地核界面衍射波，从而扩大了单台定位极远震的能力；改变了震中距△=6～26°间的影区地震经常记不到波和波的情况，从而改善了影区地震的观测能力；推动了震源物理的研究，利用长周期波的稳定性，对反演震源机制的研究提供了较为可靠的观测依据；有助于重叠地震记录的同态信号的识别，提高对地震记录图判读结果的可信度；对监测和识别核爆炸的研究也起到了重要作用。
20世纪90年代后期763长周期地震观测台网替代了国内的SK中长周期地震观测台网，使中国地震台网成为世界地震中心（ISC）测报面波震级的主要台网之一。随着数字地震观测台网的建成，数字地震台站逐渐取代了模拟地震台站，2002年后除暂时保留北京、琼中、佘山、沈阳等几个763台站外，其他台站的763长周期地震仪停止了记录。
（三）反馈式地震计
& &&1．基本原理与分类
反馈地震计是在普通开环地震计的基础上配置合适的机电一体化反馈网络构成的。反馈网络的引入可以影响地震计的传递特性，其原理框图如图1.2.10所示。图中H1(S)、H2(S)和Hf(S)分别是机械摆、换能器和反馈网络的传递函数。
图1.2.10 反馈地震计原理图
我国实用的反馈地震计的发展可以分成三个阶段：第一阶段在七十年代末到八十年代初768工程期间，反馈回路采用了电阻电容组成的无源网络；第二阶段在八十年代初837工程期间，反馈回路采用了有源电子回路，换能器採用了电磁（速度）换能；第三阶段在八十年代后期，反馈回路采用了有源电子回路，换能器採用了电容（位移）换能。电容（位移）换能地震计的输出又可分成速度型和加速度型两类。
反馈网络的接入不仅可以影响地震计的传递特性，使之满足地震观测的需要，而且合理设置的反馈网络可以扩展地震计的观测频段、增大观测的动态范围、提高传感的线性度等。特别是用反馈技术将地震计的观测频段向长周期方向扩展，成功地解决了长周期开环地震计难于稳定工作（零位稳定性较差）的难题，使反馈地震计成为宽频带大动态数字地震观测的主流。
2.无源反馈网络
768工程是为子台无人值守的遥测地震台网设计技术系统。在那里要求地震计能在保温条件差的建筑中和无人值守的条件下长期连续稳定工作。而实践表明，固有周期在10s以上的开环地震计由于受到环境温度变化、气压变化和地表倾斜的影响，其零点很难长期连续保持在规定的范围内。它要求仪器房温度稳定，且需要人工定期调零。因此，早已应用于人工值守台的各类中长周期地震计均不能满足遥测地震台环境恶劣又无人值守的条件。四川省地震局根据这一需要研制了电容延长中长周期地震计用于遥测地震台网。实质上这是一种在DS-1地震计基础上改进并配以无源电阻电容网络将地震计的工作周期由开环时的2s延长至15～20s的技术。这种用电容网络延长工作周期的地震计具有2s的机械固有周期，它既具有2s地震计的零位稳定性和温度稳定性,又具有15～20s地震计的观测频带，非常适合于在遥测地震台的恶劣条件下长期连续稳定工作。该地震计通过国家地震局组织的测试和四川省科委的鉴定后，在我国的六大区域遥测地震台网推广。该研究曾获四川省科技进步三等奖。地震计在无源网络作用下的传递特性发生变化与现代有源反馈地震计的作用机理完全相同，它仅是反馈地震计的一个特例。这是我们说的反馈地震计研究和应用第一阶段。
3.有源反馈、电磁换能（速度传感）地震计
1983年开始的837工程拟在全国建立大震速报地震台网，地震计的低频端应达15秒，且要求有较大的动态范围。前述无源反馈方案虽然可以观测频带却无助于扩展动态范围。为此研制了有源反馈地震计。该反馈地震计的换能器仍采用电磁换能，地震计的机械固有周期也为2s，由于采用了有源电子反馈回路，确保它有好的频率特性和比较高的动态范围，且能保证地震计长期连续稳定工作和较小的体积。这类地震计成为井下宽带地震计的主体，在全国大震速报地震台网中使用。此后这种地震计的三分向又进行三轴一体安装，频宽扩大到0.05Hz～20Hz，几经改进和完善，到“九五”成为广泛使用的FBS-3型反馈式宽带地震计。用同样原理还设计了FSS-3B型反馈式短周期地震计（含地面和井下），主要用于地方台网和水库台网的数字地震观测。在数字地震台网中使用反馈地震计是取其观测频带宽、动态范围大、线性度好、零位稳定性好、体积较小河生产难度较低的多重优点。“九五”以后我国的数字地震观测中使用的反馈地震计毫无例外地都使用了有源反馈网络。采用电磁换能的有源反馈地震计反馈深度较浅，其传递函数还与它的机械特性有关，所以其温度稳定性和长期稳定性虽然有了改善，但在一定任度上还受到地震计的机械特性（机械固有周期、阻尼系数）的影响。加上其长周期段的自身噪声水平较高，当观测周期要求扩展至20秒以上时就只能让位于性能能更好的位移传感反馈地震计了。
4.有源反馈、电容换能（位移传感）地震计
20世纪八十年代末，中国地震学会地震观测技术专业委员会对发展我国的超宽带地震计进行了多次技术研讨，后又投入了经费进行实际研制，得到初样。，此项研究很快得到国家地震局科技监测司的具体支持，列为开发项目。之后此项开发又列入了“八五”国家科技攻关项目，在多方面的支持下，地震所蔡亚先研制成了JCZ-1型超宽带地震计，采用电容换能位移传感，有源反馈，在360s～20Hz的频带内为速度量输出，在3600s～360s内为加速度输出。&&
此类地震计发展到“十五”，我国科技工作者还推出了CTS -1、BBVS-120型工作周期为120s的甚宽频带地震计,BBVS-60型工作周期为60s的甚宽频带地震计。这几种型号的甚宽频带地震计均为位移传感反馈地震计，其响应类型为速度平坦型输出。
与此同时，工程力学研究所和港震公司分别研制了用于强震观测的有源反馈、位移传感的LJS－1型加速度计，BBAS-2型加速度计，均为加速度平坦型输出。
5.速度传感反馈地震计与位移传感反馈地震计的应用
在反馈地震计中根据主工作传感器的类型又可分为电磁（或速度传感）反馈地震计和电容换能（或位移传感）反馈地震计两大类。反馈网络对两类传感方式地震计的特性影响各不相同。设计合理的两类传感方式的反馈地震计均能得到展宽观测频带、扩大动态范围和提高传感线性度的好处。但反馈环路对地震计零位稳定性的影响却因传感器类型不同而各不相同。速度传感地震计的零位稳定性在反馈前后没有变化，而位移传感地震反馈后却可以提高零位稳定性，且随着反馈深度增加零位稳定性亦提高得更多。同样是受到地震计自身噪声水平的限制，速度传感反馈地震计更适用于短周期地震观测，而位移传感反馈地震计更适用于长周期地震观测。十五以后我国地震台网的宽频带地震台网普遍采用位移传感反馈地震计。
6.地震计噪声
对反馈地震计来说，仅有较长的工作周期、较宽的观测频带和预期的响应类型等指标对于反馈地震计还是不够的。一个设计优良的反馈地震计应有较低的自身噪声。一般均希望反馈地震计的自身噪声谱密度低于最安静台址的噪声谱密度。只有低噪声的反馈地震计才能得到更高的监测灵敏度，台网的监测能力才能作得更高。在台阵观测中由于可以用相关处理加强信号、抑制台址的噪声。因此，对所使用的反馈地震计要求更加苛刻，不仅要求其传递函数误差小，自身噪声也应较常规应用更低。
7、我国地震台常用的反馈地震计&&
& 1）JCZ-l型超宽带地震计
JCZ-l超宽频带地震计是在中国国家数字地震台网中使用的高性能仪器，它的外观如
图1.2.11.。它由湖北省地震局的蔡亚先为主的研究组研制，此项目于1987年开始由中国地震学会地震观测技术专业委员会先投入经费进行预研,以后列入了“八五”国家科技攻关项目，1993年通过了验收和鉴定。从九五开始，用于国家数字地震台站。
图1.2.11 JCZ－1型反馈式超宽带地震计外观
JCZ-l分别由一个垂直向和两个水平向地震计组成，频带为20Hz一DC。地震计的响应类型分为两个频段：20Hz一360s，为速度平坦输出，3600一360s的加速度平坦，分为两个通道输出，覆盖了短周期地震波至球自由振荡的宽广频带。仪器具有高灵敏度、低噪声特点，动态范围大于140dB。地震计采用力平衡式的负反馈系统，传递函数稳定。该仪器在地表使用时，采用了具有密封、高精度、恒温功能的环境保护装置，有效抑制了大气压力、温度变化对仪器的影响，使地震计在超低频端也能稳定工作。
JCZ-l超宽频带地震计具有遥控锁、松摆和调零功能，安装操作简单。
& ⑵JCZ-l系统结构
&& JCZ-l系统包括三分向(V，Hl，H2)地震传感器，FCU机箱，TCU机箱，AFU和
RCU机箱，电源FPU(给三个FCU及AFU没RCU供电)机箱与电源TPU(给TCU供电)机箱，
各机箱都可以从标牌上读出名称。
FCU为反馈控制器，TCU为温度控制器，它们和JCZ-l地震传感器本体紧密相连，一
同放在山洞或其它室内摆墩上。AFU和RCU为放大、滤波和遥控机箱，它和FPU机箱以及TPU机箱一起安装在离传感器稍远一点的地方。电源机箱安装于专门的机架上。AFU和RCU的输出即JCZ-l地震计系统输出，连接到高分辨率的数据采集器并从数据采集器中接收标定信号。数据采集器则和计算机下位机相连，完成实时波形显示、记录、存贮和通讯等功能。
JCZ－1三个分向地震传感器均独立安装于环境保护装置中，其敏感轴线有箭头标出方向(垂直方向敏感轴线垂直纸面)，仪器外壳与底盘及底盘上的电子电路接插件都是密封的，防止大气压力变化和气流对摆的扰动。
&&& 垂直向地震计的弹性系统由叶簧及悬挂在叶簧一端的质量块构成，摆杆围绕十字簧构成
的虚轴旋转;水平向摆体采用了&花园门式&gardengate)结构，即摆质量块围绕十字簧构成的虚轴在水平面内旋转。均采用了高精度电容位移传感器检测摆体相对于地震计框架的微位移。
&&& 由于摆体受到环境噪声，例如温度、大气压力变化的影响，使仪器频带向低频端扩剧
难。JCZ-l采用了具有密封和控温功能的环境保护装置，该装置由多层控温器组成，使摆体
内部控温精度优于10－4&C，从而获得一个温度均匀恒定的工作环境，避免了弹性系统由于热
胀冷缩和弹性系数变化引起的摆体位移。同时，由于隔断了大气压力长周期变化对摆体受到的浮力的影响，使摆体在低频端也能稳定工作。
⑶仪器技术性能与主要指标
&& JCZ-l的频带为50Hz一3600Sec，在数字地震台网使用时，考虑到采样、数据传输、存贮等多项因素，在A/D转换器中采用一个截止频率为20Hz的低通滤波器，从而台网中实际获得的频响范围为20Hz~3600Sec。每个地震计分量均有两个通道输出，BB:20Hz~360s;LP:
360Sec~3600Sec。该仪器覆盖了传统地震计的短周期、中长周期、长周期和超长周期的宽广频带，因此从JCZ-l的原始数据中，可以采用仿真滤波的方法获得传统定义的各种频段的信息。例如很容易地获得DD-l、763仪器的仿真数据。
&& 归纳起来，仪器特点及主要技术指标如下:
&&& ①仪器主要特点:
·超宽频带：BB：20Hz～360s，LP：360Sec～3600Sec；
·采用环境保护装置，超低频端也能稳定工作;
·传递函数稳定;
·高灵敏度，低噪声;
·高精度电容传感器检测位移;
·深度负反馈系统使仪器具有良好的线性和大的动态范围;
·遥控锁摆、松摆;
·遥控快速调零;
·提供摆位信号;
·独立的标定线圈-磁体结构。
②仪器主要技术指标:
带宽&&&&&&&&&&&&&
BB：20Hz～360Sec,速度输出;
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&LP：360Sec~3600Sec,加速度输出；
& &&&&&&灵敏度&&&&&&&&&&& BB：2Xl000V/m/s
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&LP：2Xl0000V/m/s－2
& &&&&&&最大输入幅度&&&&& BB：l.0Xl0-2m/s;
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
LP：l.0X10-3m/s2;
动态范围&&&&&&&&&
线性&&&&&&&&&&&&&
优于～70dB;
输出阻抗&&&&&&&&&
电压&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&小于20W(ΔT＝20℃
重量&&&&&&&&&&&&&
环境温度范围&&&&&
比控温点低3～33。C(控温点按用户环境设定)。
③关键技术
&&& 地震波本身具有很宽的频谱，从高频地震波直至接近超长周期的地球自由荡等。要想从地震记录中复原真实地面运动，观测仪器本身必须是宽频带的。由于技术、器件上的原因，传统地震计的观测频带是分段的，例如DD-l为l0一lHz，DK-l为15Hz~16s等。JCZ-l的观测频率为50Hz一3600Sec，覆盖了传统短周期地震计、中长周期地震计、长周期地震计及超长周期观测仪器的观测频带，它提供了一种高保真&真实&复原地面运动的手段。
研究表明地面最低噪声曲线大约在0·00278Hz(360Sec)具有最小的地噪声，为能使地震计的观测得到最大的信噪化，我们选择360Sec为地震计的幅频特性的拐点，在50Hz一360Sec频段，地震计对速度输入响应平坦，在360s一DC频段，地震计对加速度输入响应平坦。通常长周期仪器摆体较大，弹性系统的回复力矩较小，因而仪器机械结构尺寸较大，寄生共振频率较低，限制了仪器观测频带向高频端扩展。JCZ-l甚宽频带地震计的弹性系统具有小的几何尺寸，且保证了低频端具有足够高的灵敏度，提高了系统的寄生共振频率，频带向高频端扩展创造了条件。
&&& 仪器观测频带向低频端扩展面临的主要问题是稳定性。一些干扰源具有长周期甚至是超
长周期，它们和有用信号叠加在一起，难以区分。因此，保证地震计系统的传递函数稳定，特别是超低频信号的稳定性十分重要。JCZ-l采取一系列措施来保证系统稳定性，隔离干扰源，其中最重要的措施有:1.保证机械系统的稳定性，提高仪器的加工和装配精度。2.采用环境保护装置，隔离大气压力变化的扰动。大气压力变化意味着空气密度变化，也意味着浮力变化，尽管这些变化不易觉察，但对长周期仪器影响非常明显。3.稳定的温度场也是超长周期仪器稳定工作的重要条件。尽管环境温度可能上下波动，但控温系统保证了摆的核心部分温度恒定，其变化在仪器精度允许的范围内。控温点可选择，以适应同地域对控温点要求，降低功耗。4.应用了高精度电子系统，现代地震仪已和电子系统不可分离，除开机械系统的稳定性外，对电子系统也提出很高的稳定性要求。精心选择电子元器件，优化电子电路是提高电子系统稳定性的重要途径。
&&& 数字地震仪和模拟地震仪相比，动态范围约扩大5个数量级。JCZ-l动态范围可达140dB以上，这意味着仪器必须具有非常小的自身噪声。降低仪器自身噪声必须采用多种手段，除减小弹性系统的布朗噪声外，还包括前己述及的环保护装置的应用，选择低噪声的电子器件和应用高精度的电容传感器。电容位移传感器有效地降低了地震计长周期短自身噪声。
JCZ-l采用了机-电独立的标定线圈，当采用标定线圈做相对标定时，避免了在高频端可
能出现的变压器耦合效应，提高了高频端标定的范围和可靠性。为了保证摆体在运输过程中不受伤害，JCZ-l设计了遥控锁摆、松摆系统，该系统使得锁摆安全、快捷、可靠。调零系统的操作特点是几乎无延时、快捷，确保调零准确、方便。
2） CTS-l型甚宽频带地震计
CTS-l甚宽频带地震计是“九五”国家数字地震台网中使用的宽频带地震计，它的外观如图1.2.12所示。它是湖南省地震局蔡亚先等人为主研制的。
&&&&&&&&&&
&图1.2.12 CTS－1型反馈式甚宽带地震计的外观图
CTS-l甚宽频带地震计由三个独立分向传感器(一个垂直方向、两个水平向)一体化安装组成。它的频带是50Hz一120Sec，具有等速度平坦的输入输出特性。仪器具有低的自身噪声，动态范围14OdB。地震计采用力平衡负反馈系统，传递函数稳定。三个分向的传感器密均封在同一个耐压容器中，有效抑制了大气压力及温度变化对仪器的影响，使地震计在长周期频段也能稳定工作。它可以在不重新置零情况下在宽的温度范围内工作。CTS-l地震计具有遥控锁、松摆、凋零功能，安装、操作容易。CTS-l三分向一体化安装，体积小，便于运输。地震计外观参见2.1.12。
⑵CTS-I系统描述
CTS-I系统包括CTS-l三分向地震传感器、FCU机箱、AFU和RCU机箱、电源PSU机箱。FCU为反馈控制器，它和CTS-l仪器本体紧密相连，一同放在山洞或其它摆墩上AFU和RCU为放大、滤波和遥控机箱，它和电源PSU一起安装在离传感器稍远一点的地方。AFU和RCU输出，即CTS-I地震计系统输出，可连接到高分辨率的数据采集器，并从数据采集器中接收标定信号。数据采集器则和计算机下位机相连，完成实时波形显示、记录存贮、通讯等功能。
CTS-l地震计的频带是5OHz一l20Sec在数字地震台网中使用时考虑到采样、数据传输和存贮等多项因素，在采样率为50sps的A/D转换器中采用了截止频率为2OH的低通滤波器，从而在数字地震台网中获得的实际频响范围为20Hz～0·0083Hz(120Sec)，对地动速度输入响应平坦。
它的频带覆盖了传统地震计的短周期、中长周期和长周期频带，因而称CTS-l为甚宽频带地震计。从CTS-l的输出获得的原始数据中，可以用各种仿真滤波器获得传统地震计的频带。例如，DD-l，DK-1，763等地震计的仿真数据。CTS-l的三个分向:垂直向V，东西向Hl及南北向H2传感器的敏感轴线相互正交，它们都安装在一个底盘上。仪器外壳与底盘及底盘上的电子电路接插件都是密封的，防止大气压力变化和气流对摆的扰动。
垂直向地震计的弹性系统由叶簧及悬挂在叶簧一端的质量块构成，摆杆围绕十字簧构成的虚轴旋转。水平向摆体采用了花园门（Gardengate）结构，即摆质量块围绕十字簧构成的虚轴在水平面内旋转，采用了高精度位移传感器检测摆体相对于地震计框架的微位移。
CTS-l甚宽频带地震汁采用力平衡电子-机械反馈系统。当地壳运动传递到地震计框架后，
惯性质量块与框架的相对位移被检测出来，并在放大电路中产生与地动加速度成正比的电流
反馈给线圈-磁体结构，从而产生与质量块惯性力相平衡的力。反馈环路由线圈-磁体结构、位移传感器和信号处理电路三部分组成。线圈-磁体结构是一种力发生装置，它将电流转换成机械力。位移传感器检测出摆体与地震汁框架的相对位移
获得相应电信号，经过信号处理电路进行放大、滤波等数学处理后转换成电流，与线圈磁体结构一起构成反馈环路。
&& ⑶CTS-l仪器特性及主要技术指标如下:
①主要特点：
·宽频带& 50Hz-120S
·高灵敏度，低噪声;
·三分向一体化安装传感器;
·高精度电容传感器检测位移;
·深度负反馈系统使仪器具有良好的线性和宽的动态范围;
·遥控锁、松摆;
·遥控快速调零;
·提供摆位信号;
·独立的标定线圈-磁体结构;
·宽温度使用范围。
②仪器主要技术指标:
带宽&&&&&&&&&
50Hz～120Sec，速度输出平坦;
灵敏度&&&&&& &2XlOOOV/m/s
最大输入幅度& 1.0X10-2m/S
动态范围&&&&& 14OdB;
线性&&&&&&& 优于～7OdB;
输出阻抗&&& 小于lΩ;
电源&&&&&&&
AC220V或DC9～15V；
功耗&&&&&&& 交流小于5W;直流小于8W；
重量&&&&& 16kg。
3） FBS－3型反馈式宽带地震计
FBS-3型宽频带地震计是由一个垂直分向和两个水平分向组成的三位一体式结构的地震计。它的观测频带从20Sec～4OHz对地动速度呈平坦响应，能观测到小于lXlO－7m/s的地动速度，达到了1lOdB以上的动态范围。地震计具有大于1OOHz的寄生共振频率，并能保证在-15一+45C温度范围内正常工作。此地震计由北京港震机电技术有限公司生产，在“八五”和“九五”期间大量用于我国的区域数字地震台网和流动数字地震台网。FBS-3型宽频带地震计外观结构见图1.2.13。
图1.2.13 FBS－3型反馈式宽带地震计和FSS－3型反馈式短周期地震计的外观
⑵机械结构和弹性系统
FBS-3型宽频带地震计机械拾震器的每个分向是一体式独立结构，可以单独拆卸下来。垂直分向和水平分向的地震计外形尺寸一样，单分向的直径82mm，高145mm。在设计中对垂直分向选用顺簧悬挂结构，其它零部件尽可能用整块料铣出来，减少了部件联接，从而保证整机的寄生共振频率很高，为展宽高频带宽创造了条件。为了使仪器能较好地适用野外环境，防止因温度变化影响弹性系统而造成仪器零点位置的变化，采用了双金属温度补偿稳定位置，以保证恶劣条件下能长期稳定工作。地震计上设有磁、电隔离的标定装置，用来克服电流标定过程中的变压器效应，确保仪器标定精确可信。
地震计由一个机械自振周期为2Sec的开环摆体和一套电子反馈系统组成，以此来实现一个等效自振周期为20Sec、高端截止频率为40Hz的速度响应宽频带地震计。地震计主磁钢内具的两组线圈，一组作为检测地动速度用的主换能线圈，另一组为在地震计上产生负反馈力矩的反馈线圈。通过合理选择反馈网络的形式和参数，达到实现展宽频带的目的。
反馈网络中同时引人了加速度和速度负反馈。施加加速度负反馈，其作用相当于增大地震计的折合摆长，延长地震计的自振周期。施加速度负反馈，其作用是一方面控制地震计的工作阻尼，可以灵活选择阻尼常数。由于电子阻尼代替原阻尼线圈外接电阻，减小了热耗散引起的Johnson-Brownian噪声。采用的负反馈网络虽然延长了仪器的自振周期，但并不以牺牲悬挂摆体的弹簧刚度为代价，故仪器的弹性刚度仍保留原来2Sec拾震器的参数，使反馈后的地震计零点稳定性不变且具有较高的寄生共振频率，从而克服了传统长周期地震计零点稳定性差及寄生共振频率低等缺点。在电压灵敏度方面，虽然折合摆长的增大降低了原拾震器的灵敏度，但环路内电子器件的自身噪声也因负反馈受到一定程度的抑制，加上低噪声电子器件的不断发展，噪声在lμV以下的放大器已很容易获得，将仪器灵敏度补偿到原设计的灵敏度值已不成问题。在主换能器方面仍采用动圈换能形式，优点是对零点位置和超长周期的干扰信号反应不敏感，因此整个仪器省去了电机调零位等一系列复杂装置，使仪器变得轻便、简洁牢固、可靠。
由上可知，由于负反馈的作用，此类反馈地震计的折合摆长将比无反馈时大得多，在同样
惯性力的作用下，惯性质量体的相对运动将比无反馈时小得多，因此，它的线性度和动态范
围都较前有很大的改迸。
⑶主要特点和技术指标
①仪器特点:
·宽频带& 50Hz～20S
·高灵敏度;
& ·三分向一体化安装传感器;
& ·电磁换能传感器检测地动速度;
& ·负反馈系统使仪器具有良好的线性和宽的动态范围;
& ·磁电均独立的标定线圈结构;
& ·宽温度使用范围。
②仪器主要技术指标:
带宽&&&&&&&&&
50Hz～20Sec，速度输出平坦;
灵敏度&&&&&&&
2XlOOOV/m/s
最大输入幅度& 1.0X10-3m/S
动态范围&&&&& 11OdB;
线性&&&&&&& 优于～6OdB;
输出阻抗&&& 小于lΩ;
电源&&&&&&&
AC220V或DC9～15V；
功耗&&&&&&& 小于3W;
重量&&&&&&& 12kg。
4）BBVS-60、120系列甚宽频带地震计
BBVS-60和BBVS-120宽频带地震计是“十五”期间我国区域数字地震台网广泛使用的甚宽频带地震计。BBVS-60和BBVS-120甚宽频带地震计是由北京港震机电技术有限公司于2000年研制成的位移换能力平衡反馈式甚宽频带地震计。它由三个独立分向的传感器(一个垂直向、二个水平向)一体化安装组成，内置电子反馈电路、控制电路、电源变换电路，它噪声水平低、动态范围大，安装使用方便。BBVS-60的观测频带为60Sec～40Hz;
BBVS-120的观测频带为120Sec～40Hz。地震计的外观见图1.2.14。
图1.2.14 “十五”用于我国区域数字地震台网的甚宽频带地震计BBVS－60和BBVS-120
&& ⑵BBVS-60的结构与原理
BBVS-60甚宽频带地震计三个分向——垂直（UD）向、水平东西（EW）向及水平北南（NS）向的机械传感器正交地组装在一个圆形底座上，电子电路板固定在机械部分的上方。机械与电子部分之间采用专业的线材和接插件连接。BBVS-60甚宽频带地震计的两个水平向摆体采用花园门悬挂方式，垂直摆体采用叶片簧悬挂方式，机械自振周期都长达4秒。各个分向均配置有独立的马达驱动的零位调整机构和不用打开机壳就能够松摆、锁摆的机械结构。
由于BBVS-60甚宽频带地震计采用了力平衡电子反馈技术，每个分向的机械单元均设计有精密的差分电容位移换能器，并使用线圈－磁体结构来产生反馈力矩。BBVS-60甚宽频带地震计的横纵水准器（水平泡）、锁摆螺钉、水平调节地脚螺钉及方位基准面设置在底座上。圆柱状的铝制外壳与底座之间、底座上的锁摆镙钉及信号接口插座均采用防水密封技术，可以有效防止潮气进入、减小大气压力变化和气流对摆的扰动。
BBVS-60甚宽频带地震计采用力平衡电子—机械反馈系统。当地面运动传递到地震计框架后，惯性质量块（摆体）与框架的相对位移通过电容位移换能器转换为电压信号，并放大到一定的幅度。该信号通过反馈网络电路产生与地动加速度成比例的电流反馈给线圈—磁体结构，从而产生与质量块惯性力相平衡的力。如图1.2.15所示，反馈网络由电容微分支路、比例支路和积分支路构成。地震计的闭环传递函数主要由反馈网络决定。地震计的信号输出采用双端平衡方式，由差分驱动电路驱动，正比于地面运动速度。积分器的输出电压与摆体的零位偏移成正比，可用于地震计调零控制电路控制调零过程，该电压还连接到地震计信号接口插座，与数据采集器配合实现远程零点监控功能。
&&&&&&&&&&
BBVS－60甚宽频带地震计的反馈系统原理
BBVS-60内部的嵌入式单片机配合电路和机械结构可以实现自动的地震计零点调节功能，用于三分向摆体零位的精确校正。
电路结构图如图1.2.16所示。零位自动校正流程如图1.2.17所示。
图1.2.16& BBVS-60甚宽频带地震计的控制系统电路结构图
图1.2.17& BBVS-60甚宽频带地震计的调零流程图
BBVS-60甚宽频带地震计标称的传递函数如下所示：
1传递函数表达式：
式中：地震计电压灵敏度(标称值)：K = 1000 V·S/m
&&&&& &&&&传递函数归一化系数： A0 = 63165
②极点列表：
零点数：2个&&
z1 = 0，& z2 = 0
极点数：4个&& p1 = -0.07405 + 0.07405 i，p2
= -0.07405 - 0.07405 i，
p3 = -177.72 +177.72 i& p4 = -177.72 - 177.72
⑶主要特点与主要技术指标
①主要特点如下：
采用力平衡负反馈系统，传递函数稳定；
频带范围为60秒～40赫兹，速度响应平坦；
仪器自身噪声低于最小噪声模型NLNM（60秒～10赫兹）；
外置锁摆、松摆，无需打开外壳；
具有远程零点监控、遥控调零功能；
单12V直流电源供电，低功耗；
信号输出接口与FBS-3B、BBVS-120兼容；
②主要技术指标：
频带&&&&&&&&&&&&&&&
0.0167Hz～40Hz；
灵敏度&&&&&&&&&&&&&
1000V×S/m（单端）；
2000V×S/m（双端平衡输出）；
最大输出信号&&&&&&&
±10V（单端）；
±20V（双端平衡输出）；
动态范围&&&&&&&&&&&&
优于140dB (5Hz)；
&&& 输出阻抗&&&&&&&&&&&&
小于100W ；
标定功能&&&&&&&&&&&&
标定线圈内阻70W，标定灵敏度10V×s/m；
失真度&&&&&&&&&&&&&&
总谐波失真度小于-80dB；
横向振动抑制&&&&&&&&
优于10 -2；
寄生共振频&&&&&&&&&&
大于100Hz；
电源&&&&&&&&&&&&&&&&
直流供电+12V（9V～18V）；
工作环境&&&&&&&&&&&&
-20°C～+50°C；
封装&&&&&&&&&&&&&&&&
防水密封，保证相对湿度98%以上可正常工作；
整机外型尺寸&&&&&&&&
最大外径约f240mm，最大高度约270mm；
整机重量&&&&&&&&&&&&
最大外径约f240mm，最大高度约270mm；
运输防振包装&&&&&&&&
使用带有多层减振内衬的铝合金包装箱；
BBVS-60的系统噪声&&& 图1.2.18示出了BBVS-60甚宽频带地震计的系统噪声功率谱曲线，同时还绘出了限幅电平和新的地球最小噪声模型（NLNM）。
图1.2.18&& BBVS-60系统噪声功率谱曲线
（四）井下地震计
深井地震观测是20世纪60年代后才逐渐发展起来的分支。深井地震观测在避开地面干扰源，提高台站（网）监测灵敏度（尤其在表面覆盖很厚松散沉积的平原地区），可以在获得更多、更有效的地震信息等方面有着突出的优越性。因之世界各国都很重视发展这门新技术。中国的深井地震观测是从20世纪70年代中期开始的。发展深井地震观测技术最大的难点是：仪器体积要小，因为其受井孔孔径的限制；性能要稳定，因为井下仪器的安装有很强的工程性，需要有下井用的绞车、滑轮及指示拉力、指示速度、指示长度的工程机械，安装一次实属不易，因之仪器放到井下不容经常提出，更不容许其参数、零点等经常变动；井下密封要求很高，往往因为密封技术不佳，致使仪器在井下无法长期工作而损坏；应配置井下锁固装置，仪器在井孔中不能靠电缆悬吊井中，而应用专门的推靠器将仪器锁固在一定深度的井壁上，同时还要考虑到必要时能顺利回收；实现井下定向，这是在发展深井三分向测震仪器必须很好解决的问题。因为仪器是放在有套管的井孔内，磁罗盘定向已不可能，必须考虑用陀螺仪器，它需要解决锁固装置（底座）的方位标志和密封舱下的方位补档装置；容许一定程度的倾斜也能正常工作，其主要原因是深井必然会有井倾难于做到绝对垂直，井下地震计必须适应一定范围内的倾斜；为使电缆的重量和扭力不能直接作用到仪器上，必须配备电缆重量和扭力的承受装置。
根据上述要求，我国自70年代起就开始研制井下地震计，经过几十年的不断发展，研制生产了具有中国特点的多种井下地震计。
下面简要介绍几种主要的井下地震计:
1.JD-2型深井三分向短周期地震计
该地震计是地球物理所研制生产的，课题负责人是李凤杰。此仪器是我国最早研制并批量生产的，在地震系统和石油部门得到广泛应用，并为我国井下地震观测技术奠定了基础。
JD-2型深井地震计为开环短周期地震计。地震计是由一个垂直向和两个水平向组成。当井斜为5°时垂直向周期变化不大于±5%。水平向具有专门的自动调零系统，见图1.2.19。众所周知，井下地震计由于受体积和外形的限制，不能采用地面常用的旋转式复摆形式。JD-2型深井三分向短周期地震计的垂直摆实际是螺旋簧悬挂的位移摆，水平向则是“门黄”支撑的倒立摆。它具有体积小、灵敏度高、性能稳定、适应性强等特点。
（a）垂直分向结构图&&&&&&&&&&&&&&&
(b)水平分向结构图
图1.2.19&& JD-2型深井地震计结构图
（a）1工作线圈磁钢；2工作线圈；3，7簧片；4簧片垫圈；5标定线圈；6标定线圈磁钢；
(b)1熔腊槽；2铅锰；3外套；4内座；5簧片；6工作线圈磁钢；7附加轴；8工作线圈；9摆锤；10标定线圈；11标定线圈磁钢。
总体技术指标：摆的固有周期：0.8～1.2s（可调）；空气阻尼：＜0.01；工作阻尼：0.5；阻尼电阻：500～1000
kΩ；输出灵敏度：7～10V·s/cm；定向底座外径：φ106mm；密封舱外径：φ94mm；密封舱长度：1400mm；耐压：100个大气压；适应井斜：＜5°；适应温度：-10°C～＋60°C；定向精度& 1°～5°。
密封舱，见图1.2.20，由密封筒和密封头组成。密封舱三分向地震仪是安放到井下的，设计指标1000米深度。长期在深井里工作首先要解决密封问题，需要隔水、隔油、隔气。这些流体中都含有较多的腐蚀物质。因此，选择合理的结构设计方案和选择耐腐蚀的密封材料，对于密封效果有显著的作用。深井三分向地震仪采用了“O”型圈密封，和硬密插件相结合的密封方法。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
密封材料选用防油性能好、耐压强度高、密气性能较好、电绝缘性能佳、造价便宜的丁晴胶。
图1.2.20 井下地震计密封舱布局图
1.扶正器；2.上盖；3.密封头；4.密封筒；5.定向销；
6.导向块；7.对位头；8.导向器；9.方位刻线
定向底座是为了使水平向仪器在井下也能处在地理正N-S及E-W方向，专门设计了一个具有导向、定位锁固特性的底座。定向底座是由导向滑口、定位缺口和锁紧器组成。
电缆应力解除器是由与电缆钢丝绳连接器和由密封舱自重解除锁紧器组成。井下电缆是由承拉的钢丝绳及传导电讯号的绝缘芯线组成。钢丝绳放在芯线内者称为内承拉电缆。放在芯线外者称为外装承拉电缆。由于钢丝绳的重量大，且具有一定扭力，故不能把电缆直接连在仪器密封筒上，否则在井下无法定向。电缆应力解除器（1）是一个过渡机构。承拉钢丝绳通过孔（2）与应力解除器相连，然后用细软钢丝绳把应力解除器和仪器密封筒相连，电缆芯线在不受张力状况下与仪器相连。这样仪器（或陀螺）就可顺利地滑入定向底座。
2、JDF-1型短周期井下地震计
该仪器是北京市地震局赵子玉、孟繁喜等人年研制的，已在河北唐海、湖南华容、吉林松原、苏州吴江、成都双流、深圳、海口等地震台和大庆油田应用。
JDF－1型井下地震计是反馈是短周期地震计，由三分向摆（弹性悬挂惯性体）、换能器、电子反馈电路、密封筒定向底座及应力解除器等几部分组成，见图1.2.21。
地震计的摆在地动力的作用下带动一组线圈L1和L2与磁场发生相对运动，线圈L1产生的速度信号放大后经过电容C1和电阻R1负反馈到线圈L2上，反馈信号大小与地动力的大小成正比，反馈信号电流是线圈L2与磁场作用形成一个与惯性体作用力相反的力，阻止惯性体的运动，从而延长了摆（惯性体）的自振周期（由0.166秒延长到1秒），通过调整反馈电阻R1的数值可以调整摆的阻尼度。为获取平滑的地震计幅频率特性，电路中采用了低通滤波和相位补偿等。
图1.2.21&& JDF－1型井下地震计结构示意
&& &3．FSS-3DBH短周期井下地震计
&&& 1）概述
反馈式短周期井下地震计（FSS-3DBH）是在FSS-3A反馈式地震计的基础上设计制作的一种井下地震计。它特别适合于没有基岩露头有限、人口密集地区，尤其适合于表面覆盖有很厚松散沉积的平原地区的井下地震观测；且动态范围大，线性好。此井下地震计是为首都圈数字地震台网的57个井下地震台站的应用专门研制的，研制过程吸取了以往井下地震观测的成功经验。目前地震计由北京港震机电技术有限公司负责生产。“十五”期间的37个井下区域地震台站也使用了这型号的地震计。
2）基本机械结构及原理
基本结构可分成如下几部分：
&&& ⑴地震计：FSS-3DBH型井下地震计是摆体、动圈换能式的速度传感器和反馈电路等组成。摆体为由框架、质量块、吊簧和十字片簧等部分组成的弹性振动系统；并由磁钢、工作线圈、反馈线圈和标定线圈等组成换能系统。该拾震器采用的是旋转型复摆结构，用十字交叉片簧作旋转轴；水平分向用钢丝和叶簧悬挂。机械固有周期为3Hz左右，经反馈后等效的低频－3dB频率为1Hz。
⑵密封筒：长期在深井里工作的地震计必须解决仪器的密封问题，以有效地实现隔水、隔油、隔气，防止这些流体中所含腐蚀物质对仪器内部机械和电气结构的损坏。该部分包括密封筒体和密封头两部分，可以方便地将拾震器整体置于金属密封筒中，各种引线可以通过插头的接线柱引出。
⑶定向底座：定向底座的作用一是稳固仪器下端，二是为了使拾震器的水平向在井下也能正确地处在地理正北南、东西方向。所以对于井下地震观测而言，定向底座具有举足轻重的作用；合理设计和正确使用仪器底座也是非常重要的。
定向底座有两种类型：卡井定向底座和落底定向底落。卡井定向底座由弹性三爪井器、导向滑槽和定位缺口等部分组成；而落底定向底座由重力三爪卡井器、导向滑槽、定位缺口和落底锥盘等部分组成，两种底座的作用都是最终实现卡井、导向、定位锁固等功能。另外，仪器舱体、仪器底座及卡爪匀采用无磁不锈钢或铜材料制成，不仅抗腐蚀，而且不易被磁化，从而可以适应于不同定位工具应用的情况。
⑷扶正器：安装在密封筒的上端，下井过程中其卡爪在弹簧力的作用下收起，待仪器密封筒与仪器底座顺利对接后，其卡爪张开并与井壁卡紧，将仪器竖直扶正在地震观测井的中央。
⑸电缆应力解除器：电缆应力解除器在下井电缆连接仪器的一端，其作用是将电缆和井下地震计分割开来，将上部电缆的晃动干扰阻隔掉，保证井下地震计所敏感震动的正确性。
3）电子线路部分原理
&FSS-3DBH型地震计的电子线路部分由放大器、反馈器件、补偿网络以及差分驱动器组成，它们在地震计系统中的作用可以进一步地用图1.2.22所示的地震计工作原理框图来表示。
图1.2.22&&&& FSS-3DBH型地震计工作原理框图
&&& 4）主要特点及技术指标
FSS-3DBH型井下地震计，见图1.2.23。，
（1）主要特点：
①在总体布局上，采用的是三分向一体式结构，竖直排布三个分向的拾震器，并使它们的测量方向两两正交；
②采用了电子反馈技术，保证仪器整机在井斜&±5&的情况下不进行调平操作即正常工作，且无需进行机械部分的现场调节，技术参数没有明显变化；
③在电路中增加了DC-DC转换环节，可以方便地实现从单电源(标称+12V)供电到双端电压(±14V，±6.5V)输出的转换，满足了地震计与数据采集器之间长线连接的供电要求；
④在以往卡井式底座的基础上，又新近设计了落底式底座，从而可以满足不同地震观测井的需要；
⑤整机包装改木质包装箱为新型的铝合金减震包装箱，不仅美观、结实，而且轻便、易携。(亦可按用户要求，提供木质包装箱。)
&&& （2）主要技术指标：
频带&&&&&&&&&&&&&&&&&&
0. 5~50Hz(3dB)& 记录地动速度；
灵敏度&&&&&&&&&&&&&&&&
大于V×s/m& 单，双端电压输出；
最大输出信号和失真度&&
±10V& 总谐波失真度小于－70dB；
动态范围&&&&&&&&&&&&&&
优于120dB；
输出阻抗&&&&&&&&&&&&&&
小于100W；
标定功能&&&&&&&&&&&&&&
标定线圈内阻90W，标定灵敏度1.2V×s/m；
横向振动抑制&&&&&&&&&&
优于10-2；
最低寄生共振频率&&&&&&&
水平分向最低100Hz，竖直分向最低100H；
电源&&&&&&&&&&&&&&&&&&
直流供电+11~+15V，功耗小于0.6W；
工作温度区间&&&&&&&&&&
+15°C~+45°C；
密封性能&&&&&&&&&&&&&
&井下1000m长期；
密封筒物理尺寸&&&&&&&&
外径f114mm，高度950mm；
底座&&&&&&&&&&&&&&&&&&
卡井式和落底式两种可选；
适宜井径&&&&&&&&&&&&&&
f125mm~f160mm。
图1.2.23&& FSS-3DBH型井下地震计的外观图
二、地震记录设备
地震波形的记录器经历了熏烟记录、照像记录（光记录）、墨水记录、磁带记录、磁盘记录、光盘记录和电子盘记录等阶段。前三者为模拟波形信号记录，后三者为数字波形记录。磁带记录既有记录模拟的又有记录数字信号的。模拟磁带记录仅在我国六大区域遥测台网中使用过，数字磁带记录仅在中美合作地震台网CDSN和进口的流动地震仪中使用过。
（一）纸介质记录器
熏烟记录、照像记录和墨水记录用的介质均为纸，统称为纸介质记录器。纸介质记录器是模拟地震观测时期的主流地震波形记录设备。地震波形的纸介质记录器几乎毫无例外地都使用了螺旋式滚筒式记录器，极少有使用长图记录器的例子。为了得到足够的震相量取精度，地震波形记录的走纸速度均较快。常用的短周期记录走纸速度为120mm/分，中长周期走纸速度为30mm/分。纸介质记录器使用广泛的有DD-1型地震仪中的DJ-1型记录器、DK-1型地震仪的记录器和768自动换纸记录器。其中，768记录器是螺旋式纸记录器发展的顶峰。该记录器是768工程中研制最成功的设备之一，在20世纪80年代和90年代的20多年中为我国二十几个模拟遥测地震台网广泛采用。由于其特有的自动换纸、自动记录上纸时间等功能，大大减轻了台网值守人员的劳动强度、缩短了换纸停记时间，有利于观测质量的提高。
我国最早的机械杠杆放大式记录为熏烟纸，记录地动位移。照像记录为速度传感地震计配强阻尼的“积分”电流计，用照像方式记录地动位移。因照像记录不能直接可见，不利于大震速报。故有了电子放大器后，又重新启用了熏烟记录。在我国的电子放大熏烟记录中是用速度传感地震计与线性放大器配积分笔使用，记录地动位移。
墨水记录器是速度传感地震计与积分放大器配线性笔使用，记录地动位移。记录器主要由积分放大器、记录笔、倦纸滚筒、驱动与传动部、报警器以及电源等部份组成。在数字地震台网普及前我国人工值守地震台是照像记录、熏烟记录和墨水记录并存，主要是记录地动位移。
&&& 我国地震台站（网）中使用的墨水记录器主要有以下几种：与DD－1型地震计配合使用的DJ－1型记录器;与DK－1型地震计配合使用的KJ－1型地震计;模拟地震台网中心使用的768自动换纸墨水记录器等，下面简单介绍这些记录器。
1．DJ-l型记录器
&&& DJ-1是DD-l型短周期地震仪配套用的记录器。主要由北京地震仪器厂（581厂）生产。曾广泛使用的DJ-1记录器有两种亚型：一种是早期设计生产的分立元件电路，带有变速箱的RC稳频推动器。记录笔电机固有频率接近20赫兹，相对于后一种记录器来说，这种记录器小幅度记录性能差，记录走速不很稳，故障相对较多。另一种是以集成电路为主，改用不带变速箱的石英晶振稳频推动器，记录笔电机改为固有频率25赫兹、具有较大转动惯量的笔头的改进型记录器。其记录滚筒较长，不仅可使记录行距加宽，有利于观测，而且可充分利用记录用铜板纸，减小浪费。
&&& 改进型记录器的主要技术指标：
&&& 积分记录频带：1～25Hz；
记录灵敏度 (微分输入)：&6X10－4mm/V·s；
折合输入噪音电平：&2μV；
输入电阻：& 2MΩ；
记录道数：3道；
线性记录幅度范围：60mm(p-p)；
走速：120mm/min
行距：1.25mm或l.0mm(原型)；
记录纸尺寸:750mmX550mm或750mmX440mm；
&静态功能：l5W；
&&& 工作环境条件：0～40C，相对湿度&85%；
体积：710mmX5l0mmX390mm或710mmX4l0mmX390mm；
&重量：约55kg或50kg(原型)。
2．KJ-l型记录器
&& KJ-1是DK－l型中长周期地震仪配套用的五道记录器，其中三道用作三分向千倍级正常记录，另外两道用作两个水平向的低倍记录。此记录器由北京地震仪器厂生产，其结构和工作原理与DJ-l型记录器基本相同，只是滚简的尺寸、走速和行距有所不同。其主要技术指标为：
&&& 积分记录频带范围：0.033一25Hz；
&&& 放大器放大倍率(无积分)：lXl0-4；
&&& 折合输入噪音：&0.l5mV；
&&& 输入电阻：&10mΩ；
&&& 线性记录幅度范围：60mm(p-p)；
&&& 走速：60或30mm/min；
&&& 行距：2或3mm
（可选）；
&&& 记录纸尺寸：750mmX490mm；
&&& 供电及功耗：同DJ-l记录器；
&&& 工作环境：同DJ-l记录器；
&&& 外形尺寸：710mmX4l0mmX390mm。
&&& 重量:约53kg
3．768自动换纸墨水记录器
&&& 768自动换纸墨水记录器，见图1.2.24，是广泛用于遥测地震台网中心作模拟笔绘记录用的六道记录器，当记录纸走完时可自动换纸，在数字中的配合下自动记录上纸时间，它具有螺旋记录和直线触发记录两种方式。此记录器由768工程投资研制，上海1050厂生产，1987年3月通过鉴定。
主要技术指标：
记录方式：螺旋线墨水记录;
换纸方式：自动;
&&& 记录道：6、3、1（可选）；
&&& 记录纸走速：480、240、120、60、30、15mm/min（可选）；
&&& 行距：8、4、2、1mm；
&&& 换纸时间：小于10秒；
&&& 连续记录时间：纸速为120mm/Sec，行距1mm时，大于30天；
纸速均匀度：一分种内折合到测量到时误差小于0.2mm/纸速；
&&& 工作环境：+5～+40℃,相对湿度小于80％；
&&& 时间服务：有记录时间编码信号的装置。
图1.2.24&& 768自动换纸墨水记录器
（二）磁介质记录器
磁介质记录器是磁带记录和磁盘记录的统称。磁带记录有模拟磁带记录和数字磁带之分，因其容量较大主要用于连续记录地震波形。768工程（电信传输地震台网）中用的SZ7多路模拟磁带记录器（图1.2.25）是我国研制的专用于地震记录的磁带机，由当时的上海电表厂研制生产，它共有16路磁道，其中2道同于噪声补偿，以提高信噪比，14道用于记录地震信号，记录方式为调频（FM）方法，采用了1英寸的模拟磁带，带速1/320m/s。SZ7记录的信号可以延迟回放，延迟时间为50Sec。这种延迟功能在缺少大容量缓存器和计算机处理速度十分慢的时期对模拟地震台网非常有用。它能保证经A/D转换进入计算机的地震信号，进行实时处理的地震不会丢头（地震初动）。SZ7多路模拟磁带记录器曾在我国的6大（北京、上海、兰州、四川，云南、甘肃和沈阳）电信传输地震台网中使用。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图1.2.25&&
SZ7多路模拟磁带记录器
数字磁带记录器和磁盘记录器都是借用通用磁记录器。此后，地震波形记录器不再是地震专用的产品了。
（三）光盘和半导体盘记录器
光盘和半导体盘也是通用的数字记录装置。我国的数字地震观测全部记录地动速度，若需要位移平坦或加速度平坦则通过软件处理实现。我国数字地震台网一开始即采用光盘作为记录介质，用以长期保存地震波形数据。我国自产的数字地震观测设备没有经历磁带记录的阶段。而发展较早的国外数字地震观测有相当一段时间用数字磁带记录地震数据，并用于长期保存。如我国的中美合作地震台网CDSN很长时间内一直用磁带作为主要记录介质。
在模拟遥测地震台网中，前期台网观测到的地震波形以模拟方式记录在模拟磁带上。后来随着微型计算机的普及和软磁盘的出现，将地震事件波形以数字方式记录在软磁盘上。无论是磁带记录或软磁盘记录都有长期保存的难题。磁记录在自然状态下会有退磁问题，需要定期复制以延长保存期限。
地震数据采集是将地震波形信息转换为数字的技术，相应的设备称为地震数据采集器，其基本原理如图1.2.26。
图1.2.26& 地震数据采集器原理框图
（一）早期的地震数据采集技术
早期的人工值守地震台没有地震数据采集，记录器是记录模拟地震波形的唯一设备。从768工程开始建立的六大区域遥测地震台网，地震事件数据采集与墨水连续记录、模拟磁带连续记录并存。在模拟遥测地震台网时代，地震波形的模数转换是在台网中心进行的，而且只记录保存地震事件数据。在六大区域遥测地震台网的前期，因使用的是小型计算机作地震数据处理，外配了一个体积非常庞大的多路模数转换器（定点12位）、地震触发器和延时磁带机用以转换并记录满足触条件的地震事件。那时可记录地震波形数据的仅仅是磁鼓或硬磁盘。它们不仅容量十分小（768工程地震台网中心使用的磁敲容量仅6MB），对工作环境条件要求还十分苛刻且不可移动。后来，随着微型计算机的普及和运算能力的提高，从八十年代末开始模拟遥测地震台网均改用通用微型计算机实时收集处理地震数据，配置通用的多路模数转换插板进行地震事件数据的采集。这时地震事件采集所需的事件判别触发功能和延时功能均在微机中用软件实现，不必在机外配置庞大复杂的硬件。模拟遥测地震台网时期的地震数据采集均为定点12位，并仅采集保存地震事件数据。这类地震数据采集的动态范围较小（理论动态范围仅60
dB），且完全有可能出现不满足触发条件的小地震事件漏采。
（二）瞬时浮点增益控制地震数据采集技术
数字地震观测的数据采集是在地震观测点上进行的，因此数据的传输过程不会影响系统的动态范围、传递函数和观测精度等重要技术指标。数字地震观测的数据采集在技术上经历了两个大的发展阶段。即早期的瞬时浮点增益控制数据采集和现在广泛使用的高位定点数据采集两大阶段。在过采样∑-△模数转换技术出现之前，逐次比较模数转换受限于二进制电阻网络的制作精度，工业生产的字长最高仅能达到16～18位，其动态范围不能满足地震观测的高标准要求。双积分模数转换和电压频率数字式模数转换的动态范围可以作得较大但转换速度（即采样率）又难于满足地震观测的需要。那时为了获得大动态的地震数据采集，开发了瞬时浮点增益控制技术配合低位（8～12位）逐次比较模数转换制作地震数据采集器。768工程试验性的数字地震观测分系统中的多路数字化地震遥测设备（即数据采集器）采用了瞬时浮点增益控制技术实现了大于120dB动态范围，其数据格式为8位尾数、3位4为底的阶码和1位符号。后来地震部门内数个单位又用集成度更高的器件先后研制了瞬时浮点增益控制式的地震数据采集器。瞬时浮点增益控制数据采集方式因诸多原因均未批量生产推广使用。
（三）过采样地震数据采集技术
在中国地震局组织数字地震观测预研的八十年代后期，随着微电子电路集成技术和数据处理技术的进步，国际上采用过采样和数字滤波抽取技术的∑-△模数转换器开始进入市场。该类模数转换以其大动态范围、高转换精度、高集成度、高可靠性以及对前置模拟抗混叠（或称去假频）滤波要求十分宽松等优点很快在测量领域和高保真音频领域获得应用。我国地震部门也及时地将其应用于新一代地震数据采集器中，形成了我国“九五”期间广泛使用的24位定点数据采集模式，如图1.2.27。早期市售的地球物理勘测专用∑-△转换器及其套片内置的数字滤波不是最小相位滤波，还不能将它们直接用于以震相分析为主要用途的地震数据采集器中。因此，在地震数据采集中必须自行设计最小相位滤波抽取器才能满足地震观测的需要。近期推出的地球物理勘探专用滤波抽取芯片中已有最小相位滤波抽取可供选用。可以将它直接用于以震相分析为主要用途的地震数据采集器中。
图1.2.27 “九五”用于国家数字地震台网的两种24位地震数据采集器（EDAS－24）
（四）网络型地震数据采集器
随着计算机网络的发展，采用网络技术传输和收集数据显示了明显的优越性。这一新动向对地震数据采集器也提出了新的技术要求，新的网络型数据采集器要有网络通信接口，要采用TCP/IP通信协议，并要有储存一定量数据的能力。通常称它为“IP”数据采集器。十五期间普遍采用这类数据采集器。
下面介绍两种国产主要设备的基本特性和技术指标。
1、EDAS－24IP地震数据采集器
&&&& 该设备是由中国地震局地震预测研究所北京港震机电技术有限公司研制并生产的（见图1.2.28）将应用于中国数字地震观测网络项目中。
1）主要特点
24位A/D转换；
标准LAN以太网通讯；
支持TCP、FTP、HTTP等协议；
支持连续数据纪录和触发记录；
大容量USB磁盘记录器；
多达6通道数据采集；
支持WWW远程管理；
支持远程数据管理与传输；
支持实时数据流输出；
低功耗，体积小；
2）主要技术指标
(1)采集与传感器控制部分
数据采集器道数&&&&&
3通道，可选6通道；
与传感器接口&&&&&&&&
符合或兼容DB/T 13-2000有关规定；
信号输入方式&&&&&&&
双端平衡差分输入；
输入阻抗&&&&&&&&&&&
100KΩ（单边）；
输入信号满度值&&&&&
±5V、±10V、±20V可程控选择（差分信号输入）；
A/D转换&&&&&&&&&&&&
动态范围&&&&&&&&&&&&
不低于135 dB @ 50 &sps/chn；
系统噪声&&&&&&&&&&&&
小于1 LSB（有效值）；
非线性失真度&&&&&&&&
小于-110 dB @ 50 &sps/chn；
路际串扰&&&&&&&&&&&&&
小于-110 dB；
数字滤波&&&&&&&&&&&&&&
FIR数字滤波器，可选线性相移和最小相移；
通带波动&&&&&&&&&&&&&
小于0.1 dB；
通带外衰减&&&&&&&&&&&
大于135 dB；
输出采样率&&&&&&&&&&&
可设1、10、20、50、100、200、500
频带范围&&&&&&&&&&&&&
0～0.4、4、8、20、40、80、200 Hz；
去零点滤波器&&&&&&&&&
一阶数字高通滤波器；
高通滤波&&&&&&&
&&&&&&可设截止周期100、300、1000，或关闭滤波；
标定信号发生器&&&&&&&
16-bit DAC，最大输出电流±5 mA；
标定信号类型&&&&&&&&&
阶跃、正弦波；二进制编码信号可选；
标定输出&&&&&&&&&&&&&&
信号频率、幅度、周期数可设置；
标定启动方式&&&&&&&&&&
指令方式、定时方式；
校时方式&&&&&&&&&&&&&&
GPS接收机；
授时/守时精度&&&&&&&&& 优于1
环境与状态监控&&&&&&&&
采集器要具备环境与状态监控功能。
（2）数据记录与通信控制部分
记录功能&&&&&&&&&&&&&
支持内部连续/触发记录波形，容量可扩；
支持至少10天以上连续记录（3道/每秒100点采样）；
记录格式&&&&&&&&&&&
可选压缩模式，提供回放后转换为标准SEED格式的转换软件；
记录介质&&&&&&&&&&&
可插拔不易丢失数据的固态存储器；
通信接口&&&&&&&&&&&&&&
标准RS-232C串行口/标准LAN以太网接口；
标准V.90 Modem接口（选件）；
通信协议&&&&&&&&&&&&&
支持TCP/IP协议、多址发送/读取、断点重传等；
传输内容&&&&&&&&&&&&&
实时波形、健康状态、参数/信息、本机记录数据；
管理软件&&&&&&&&&&&&&
可在内嵌或外挂的PDA/PalmPC/NotePC机上运行，参数设置、自检功能，实时图形显示、存盘，提供在线帮助。完备的监控命令和诊断命令。
（3）整机指标
环境适应&&&&&&&&&&&&&
DB/T 6587对一般室内类型仪器的要求；
供电电压&&&&&&&&&&&&&
直流12 V(9～18V)；
整机功耗&&&&&&&&&&&&&
平均1.8W（3路）；
自启动功能&&&&&&&&&&&&
自检、死机复位（包括无输出信号复位）、自重启功能。
&& 图1.2.28& “十五”我国数字地震台网普遍采用的EDAS－24IP地震数据采集系统
2、TDE-324CI型地震数据采集记录器
TDE-324CI型地震数据采集记录器是由珠海市泰I型地震数据采集记录器采用了高性能、低功耗的RISC处理器/DSP器件、可用于飞机、航天器等高可靠性的实时操作系统(RTOS)以及目前国际上最新推出的CS537x系列24位AD器件等高新技术。
TDL-303集成了－324CI的全部优点，主要技术指标相同，并具备低功耗、内置电池、电池充放电控制、可内置CDMA通讯设备、密封、坚固耐用、重量轻、流动携带方便等流动地震观测设备的特点。
上述采集器已有与国内外多种地震计连接使用的成功经验，是中国地震局十五项目中标入围产品，该产品已在上海市地震台网和上海地震台阵、广东、湖南、重庆地震台网、西藏那曲台阵等项目中应用,并已出口至印尼等国家。两机外形分别见图1.2.29，1.2.30。
（1）主要特点
①采用CS537x系列24位A/D器件，动态范围更大，功耗更低，谐波总失真（THD）更小、输入信号满度7级程控可调。
②采用了高集成度、低功耗设计模式，系统集成了3/6通道24位地震数据采集、大容量电子硬盘(CF卡)实现数据存储、基于Internet等网络协议上的实时数据网络多址传输以及实时串口数据传输，台站状态监测、多路信号标定、按键设置及数码管参数显示、系统避雷保护等功能。在GPS空闲状态下，系统总功耗&1W(3路)。
③标定输出信号类型有阶跃、正弦波、伪随机信号编码、仿真地震信号输出等。独有的仿真地震信号标定输出可设定信号的幅度及地震持续时间，目前已得到应用。
④具备6路独立的A/D监测通道, 能自动实现对环境与地震计的状态监控，如地震计的零点漂移(MASS POSITION)、台站供电电压、蓄电池电压、台站温度等参数的监控。
⑤采用可插拔电子盘(CF卡)实现地震数据的存储、，最大容量可达到4G。系统数据存储采用了修正的SEED-STEIM2压缩数据格式，数据压缩率高。
⑥支持TCP/IP协议，支持基于Internet/VPN等网络协议上的实时数据多址传输，支持远程管理，断点重传等，支持DDN 数据传输及无线方式/GPRS/CDMA等多种方式下的数据传输，支持多种传输方式(含串口/网络等)的数据在同一套平台下的数据组网及共享，支持多个台网中心的数据调用及交换。TDE-324CI通过网络传输数据相对于通过串口传输数据的纯滞后小，保证了数据在Internet等网络上传输的连续可靠，并能够满足实时传输及区域遥测地震台网的要求。
（2）主要技术指标
主要技术指标见表1.2.5。
表1.2.5& TDE-324CI采集器主要技术指标
图1.2.29& TDE-324CI型地震数据采集记录器外观图
流动台外形图&&&&&&&&&&&&&&
& 流动台工作界面（侧面）
流动台工作界面（正面）&&&&&& &&&& &&&流动台与太阳能板连接图
图1.2.30& TDL-303型流动地震数据记录设备外观图
地震仪器出厂时或者经过一段时间使用后，其传递特性是否符合观测的技术要求，需要计量检定来测试证实。这类计量检定在中国地震部门中习惯称之为标定。此外，在地震仪器的使用过程中，其特性是否发生了不可容忍的变化也要通过日常标定来监督。标定是地震观测中不可缺少的一个技术环节。
（一）地震仪器标定技术的分类
地震观测仪器的标定分为直接标定与间接标定两大类。直接标定是用振动台对待测地震仪的幅频特性和放大倍数（或灵敏度）进行测定。我国的振动台直接标定采用正弦信号源，用稳态法测定幅频性和放大倍数。间接标定是将标定信号馈入地震计标定线圈中，用以模拟地面振动完成的标定。间接标定既有使用正弦信号源的稳态标定，也有使用脉冲信号源的瞬态标定。我国模拟地震观测时期，在人工值守地震台上还曾广泛地使用连续变频变幅正弦信号源的所谓“惯性轮”与“微分马达”配合实现的标定，这实际上是一种准稳态的幅频特性监督，非定量的标定。
（二）地震仪器的直接标定技术
768工程前的振动台标定仅在有条件的地震计研制生产单位使用，且多利用其它部门设置的标准振动台。中国计量院四川分院根据国家地震局的计划于上世纪七十年代研制了一种超低频标准振动台，采用激光干涉条纹作为振动台微位移的测定标准。计量部门以此超低频标准振动台建立了我国的超低频微小运动标准。该振动台可测频率范围为0.5至50 HZ，失真度小于2％。768工程为上海、成都和北京等区域电信传输地震台网各购买了一台计量部门研制的这种标准振动台，用以推动我国地震仪器标定水平的提高。上述振动台先后在上海成都等地安装调试完成，并获得了计量部门颁发的证书。这批振动台对推动我国地震仪器的直接标定和提高地震仪器的研制生产水平均起到了重要作用。
本世纪初分析预报中心数字地震观测研究所为研制宽带数字地震仪的测试需要，与浙江大学合作研制了一台频带范围更宽、测试精度更高的超低频标准振动台。该振动台采用激光干涉仪作位移标准与标准加速度计配合实现双重计量控制，平台作气体浮置，可测的频率范围为2×10－5至160HZ，位移测量范围为0.02m，测量失真度小于0.5％。目前该振动台已通过鉴定并为国家计量部门认可，批准作为振动计量标准测试使用。
（三）地震仪器的间接标定技术
昂贵的标准振动台和苛刻的安装条件不是大多数地震仪器使用单位能够承受的。因此，地震仪器的日常标定均采用了间接标定方法。在模拟地震观测时代正弦标定仅用于年度标定，使用的是分段标定法。即分别单独测定地震计与单独测定放大器记录笔组合（或电流计），然后通过计算合成整机幅频特性。脉冲（主要是阶跃脉冲）标定或准正弦变频率标定在模拟地震观测时代仅用作地震仪日常工作状态的定性监视。进入模拟遥测地震台网时代后，脉冲标定不仅用于日常定性监视，还可通过计算机利用响应波形推算地震观测系统的幅频特性。由此计算的幅频特性因受阶跃标定脉冲高频分量不足的影响，幅频特性高频端受噪声影响精度十分低。反映地震计固有周期和阻尼以及电路积分时间常数等的低频端特性，其标定精度较高。为解决频带高端标定精度较差的问题，曾有人研究用高频能量丰富的高阶脉冲标定地震仪器。使用高阶脉冲对提高幅频特性高端的标定精度的效果十分显著，可惜未能推广应用。作为脉冲标定的发展还有用伪随机码作为标定信号源的研究，其目的都是为了提高标定脉冲的高频分量。用伪随机码作为标定信号源既可用较大的幅度短时间接入系统，完成与阶跃标定类似的标定计算过程。也可以用极低的幅度长时间接入，实现响应幅度在地面振动噪声水平之下的标定。噪声水平下的伪随机码标定必然要利用伪随机码的周期相关函数十分尖锐的特点。首先应完成标定响应信号的相关提取，然后才能推算幅频特性进而计算传递函数。伪随机码的两种标定方法仅作为科研课题开展亦未在我国台网大范围推广作为日常标定使用。
固定地震观测台或台网建设和运行所需的费用均很高。而地震的发生，特别是大地震的发生却是小概率事件。大面积高密度地建设固定台网来守候观测稀少的地震显然是不经济的。经济而有效的作法是采用固定与流动相结合的地震观测。固定地震台网作为基础观测，较均匀且稀疏地布设在广大的地区。当预测预报需要强化局部地区的监测能力或大震后需要跟踪进行余震监测时则借助于流动地震监测。流动地震监测仅建立临时台站，预期目标达到后即撤离。因此，流动地震监测对地震仪器的要求是满足监测需要的条件下尽可能的轻巧、便于携带、低功耗和环境适应能力强。
我国流动地震观测技术是与固定台站地震观测技术同步发展的。早在新中国成立初期李善邦先生设计定型的第一套机械杠杆放大式中强震地震仪就有专用于流动地震观测的51-2型。流动观测用的51-2型与固定台站用的51-1型相比较轻便，更适合搬运和快速架设与拆卸。六七十年代，我国研制熏烟记录地震仪时，也生产有一种适合于流动地震观测的单分向熏烟记录器配合小体积的65型地震计使用。七十年代我国研制出笔绘式墨水记录器时，亦研制生产了单分向笔绘式墨水记录器用于流动地震观测。八十年代我国还成套从国外引进过几种类型采用磁带记录的数字流动地震仪。
在“八五”期间我国研制数字地震观测试验系统时就专门研制了一套流动数字地震观测试验系统。在该系统中采用短周期三分向地震计、16位地震数据采集器和便携式微型计算机与专用地震数据处理软件组成。
“九五”期间我国开展大规模数字地震台网建设和数字化改造时，也专门生产了96台流动数字地震仪，配置给分析预报中心、四川、广东、甘肃、云南、新疆、江苏、辽宁、地质所和地球所分别用于大震应急或科学研究。这批流动数字地震仪用两种方式组网。一种是无线实时传输方式组网，主要用于大震应急。另一种是单台人工值守记录，主要用于科学研究。
六、海底地震观测技术
（一）海底地震观测情况
国际上，海底地震观测起于20世纪70年代，日本和美国开展海底地震观测比较早，七十年代开始已有沉浮式海底地震计的研制品，分别在日本岛的东南沿海各海湾地区和美国西太平洋沿岸的海域进行试验观测。1974年起日本第三个地震预知科学计划中起动了特别研究计划“海底地震常时观测系统的研究”，到1978年开发了电缆型海底地震仪，并将其实用化，于1979年在御前崎海域建立了由3个地震台组成的海底电缆式地震观测台网。进入20世纪90年代，世界海底地震观测又进一步地得到发展。美国提出了在南加洲沿岸建立12个永久性海底宽频带地震台站的计划。日本在海洋半球地震观测计划中，在日本东北的西太平洋海盆共建立了15个海底地震观测台站，其中有3个是海底井下地震观测台。另外此计划还研制了大量沉浮式海底地震计，组成海底流动地震台阵，进行短期地震观测，如2002－2003年在日本南的海域将用30－50个海底流动观测，形成测线，进行为期2个月以上的观测。
我国东南沿海的海岸线很长，大陆在亚洲板块与太平洋板块和菲律宾板块交界的前沿。在我国东南沿海建立海底地震观测对于了解我国大陆周边的地震活动、了解我国大陆东南沿海板块交汇地的地下结构，进而对了解我国大陆地震的成因，了解我国海域大陆架的构造，有着很大的作用。第九个五年计划期间，中国科学院地球物理研究所开发了5台用于沿海地震观测的沉浮式地震计，并进行了初步观测，取得一定的结果。这些情况说明，我国开始迈入海洋地震观测的时代。
（二）海底地震仪的分类
对世界上已有的海底地震仪器调研的结果表明，目前主要三大类海底地震仪：沉浮式海底地震仪；电缆式海底地震仪和海底井下地震仪，它们分别用于不同的目的。沉浮式海底地震仪应用最普遍。但由于它是安置于海底的，与海底的耦合比较差，往往不可能直接放置到海底基岩上，因此，记录地震的脉动干扰比较大，但它灵活、方便、价格低，由于这些优点，至今还广泛使用。电缆式海底地震仪是将地震计用海底电缆联接起来，其信号传输通畅，但是由于用电缆联接，所以观测范围不能太广，电缆的费用又很大，目前只有日本御前崎一个地方使用。海底井下地震仪直接将地震计放到海底下面的岩层中，可以防止地震计放置在海底表面的海底脉动干扰和海水流动干扰，所以记录质量最好，具有地面井下地震计的所有优越性。信号可以当地记录，定时到现场获取，也可以用卫星传输，对于发展大面积的海洋地震观测有很大的优越性。这种地震计还可以架设在海面有岩石露出的小型孤岛上，同样可以达到好的观测结果，是一种发展前途比较大的海底地震观测。表1.2.6列出这三种海底地震观测的性能比较。
表1.2.6 三种海底地震计的性能比较
观测地震的效果
沉浮式海底地震仪
每1－3个月浮出水面一次
一次性获取（间隔1－3月）
电缆式海底地震仪
海底区域性地震观测（固定型）
长期连续定点观测
海底井下地震仪
海底广域性地震观测（固定型）
长期连续定点观测
实时传输好，定时接取一般
定时接取、
实时传输或事件传输
海底井孔和海面孤岛
（三）沉浮式海底地震仪的基本技术方案
沉浮式海底地震仪主要用于我国海域的流动观测。与地面地震观测不同，沉浮式海底地震仪增加了地震计调平系统、定向系统、音频信号接收系统、释放器和电池等。基本结构见图1.2.31，各部分的连接框图如图1.2.32所示。图中地震计和数据采集器可以用已有的地面地震观测台站用设备，音频通信引用现成的设备，电池用高效的锂电池，调平系统、释放器以及所用的各种控制软件。要专门开发研制。高压密闭容器可以从国际市场上采购。
图1.2.31　沉浮型海底地震仪结构
图1.2.32& 沉浮式海底地震仪框图
（四）我国研制的沉浮式海底地震仪的研发和主要技术指标
2001年中国地震局分析预报中心（现为地震预测研究所）承担了科技部国家重点基础研究发展规划项目地质过程与灾害发生机理与预测的子课题海底地震观测系统的初步研究。此项目共5年，经过调研，于2005年初步研制出沉浮式海底地震仪，地震计部分为短周期地震计。该年8月在大连海域作了下海试验。获得初步成功。2006年~2007年又经过改进研制了宽频带地震计。沉浮式海底地震计的主要部分放在一个40英寸的玻璃球体内，由于玻璃球体内的空间有限，而且下海以后一旦金属锚块自动脱开后，为保证球体能上浮，对玻璃球体内的全部物体的总重量有一定的限制。所有这些特殊性要求都给它的研制带来了困难。特别是传统的宽频带地震计，体积大、重量又重，放不到球体内，必须专门研制小型的轻体宽频带地震计。同时，为了使得下海的地震计保持垂直，必须要有一种常平装置，使其到达海底以后，在海底底面的倾斜状况下地震计仍能维持水平。短周期地震计采用硅油的方法，由于硅油的粘滞性，它对地震计形成的摆体运动频率远远低于1Hz，落已在地震计的工作频带外，但硅油却能使地震计维持在水平状况。但对于宽频带地震计，就不能使用硅油，需研制万向的常平系统，此系统将地震计调平以后应自动锁定。海底地震仪使用玻璃球体内的电池，由于其容量有限，必须开发超低功耗地震数据采集器。
此课题研制的沉浮式海底地震仪的基本指标如表1.2.7所示。
表1.2.7 沉浮式海底地震仪基本指标
速度型3分量、水声1通道
测试温度为4摄氏度
海底工作水深
200-6000米
实际投放深度不大于
存储介质容量
可扩至16GB
连续工作时间
不低于60天
速度地震计
1sec-40Hz(短周期)
20sec-40Hz（宽频带）
地震计响应特性
通道采样率
最高200sps
50、100、200可调
采集器动态范
水声通讯距离
较好海况下
脱钩释放方式
电腐蚀脱钩
收到指令后120秒内完成
常平架调整范
可校正时钟精度
每日不可校正累计钟差
晶体老化率
水下定位精度
无线数传距离
GPS位置信息
闪光灯连续工作时间
投放下降速率
1.5~1.8米/秒
图1.2.33 由海底地震观测系统专题研制的沉浮式海底地震计外观
图1.2.34 沉浮式海底地震计下海情况}