1、精确传递函数地震观测系统研究
（获奖等级：三等奖，类别：基础研究与应用基础研究，依托单位：365bet日博）
计划（基金）名称和编号：
国家自然基金面上项目《精确传递函数地震观测系统研究》，基金编号：41074026
成果起止时间：2011-2014
主要完成人: 王翠芳 韩进 杨晓源 张勇 邵玉平
项目简介：
传递函数是地震观测仪器的重要技术参量，它的精度及其稳定性关系着地震分析研究的深入开展。现有地震观测系统的传递函数中主导二阶极点是由反馈地震计用模拟方法生成。用模拟方法生成的主导二阶极点的精度是较低的且会随环境温度的变化和时间推移而漂移。较差的产品漂移可达30%，较好的产品漂移也只能达到百分之几。
为提高地震观测系统传递函数的精度，项目创新性地提出了将主导二阶极点的生成任务交给地震数据采集器用数字算法完成,地震计不再生成主导二阶极点。项目共计研制出无主导二阶极点速度传感反馈地震计1台、无主导二阶极点位移传感反馈地震计1台、主导二阶极点的地震数据采集器2台。经2012年4月至2013年7月台站试验表明：主导二阶极点地震数据采集器配合无主导二阶极点速度传感反馈地震计试验，使地震观测精度达到千分之一的水平；主导二阶极点地震数据采集器配合无主导二阶极点位移传感反馈地震计试验，使地震观测精度达到万分之一的水平。
本项目研究成果较现有地震观测精度提高了2-3个量级，实现了地震观测传递函数精度的巨大飞跃，对于大幅提升地震观测系统的精度具有重要意义,能为地震预测预报提供更精准的数据。
创新点与关键技术
创新点
项目提出了在反馈地震计和地震数据采集器之间重新分配系统传递函数的新思路、新方案。其要点是将原分工给反馈地震计用模拟方法实现的主导二阶极点任务改由地震数据采集器用数字算法去完成，可完全避免模拟元器件因时间推移而发生老化漂移。另一方面数字算法生成主导二阶极点的精度仅取决于采样率的精度和滤波系数量化的字长。在现代地震数据采集器中采样率锁定于GPS时钟，其精度可以做到高于1ppm。而现代地震数据采集器滤波系数量化至少都使用了二进制24位字长，其误差亦可低至百万分之一。因此，在现代地震数据采集器中用数字算法生成主导二阶极点的总偏差也同样可以低至百万分之一并长期稳定工作。此精度较现有数字地震观测系统传递函数中的主导二阶极点精度提高了约4个量级！且不需要调整而长期稳定不变。
关键技术
(1) 速度传感反馈地震计用强阻尼负反馈方案剥离主导二阶极点，使之失去“主导”作用
选用了强阻尼负反馈方案通过负反馈使系统的阻尼达到一个非常大的数值。该方案的最大优点是负反馈不会在设计的通频带中及通频带边沿频率附近出现用模拟方法生成的零极点，却保留了负反馈给地震观测带来的所有优点。而且随着反馈阻尼的增大，这两个被移出带外的极点离通带边沿频率会越远。被移出高端带外的那一个极点，若其远离地震数据采集器采样率决定的奈奎斯特频率则不会对幅频特性和相移频特性产生影响。移出低端带外那一个极点,如果它离下边沿频率足够远对通频带内的幅频和相频也几乎没有影响。
(2)位移传感反馈地震计用加速度平坦方案剥离主导二阶极点，使之失去“主导”作用
本项目研选用了加速度平坦方案，将两个极点一起推出通频带的高端带外（1997,王家行）。因为低端带外没有残留的极点,故不会有影响标定响应波形的问题。故实际观测中通过阶跃标定响应波形求得的主导二阶极点数值误差更小，可达万分之几的水平。
(3)地震数据采集器用双线性变换法生成主导二阶极点的滤波系数
主导二阶极点是模拟域里S平面中的一对共轭复数极点，而地震数据采集器中用作生成主导二阶极点的滤波系数却是数字域Z平面中的一对极点。为了使数字域中的滤波系数对地震波形数据进行处理后，其效果能够高度仿真模拟域中主导二阶极点对地震波形信号的过滤结果。研究中是先按地震观测要求的工作周期和工作阻尼标称值，计算出对应的模拟域二阶极点坐标和二次多项式的系数。利用用双线性变换法将其变换至数字域才能在地震数据采集器中用算法来实现。
主要研究成果
本项目研制完成了无主导二阶极点速度传感反馈地震计1台、无主导二阶极点位移传感反馈地震计1台、速度型主导二阶极点地震数据采集器1台、位移型主导二阶极点地震数据采集器1台。
