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  • 短周期陣列儀器測試報告
        林欽仁研究助技師 中央研究院地球科學研究所
        近年來,密集地震儀陣列佈放有逐年熱門的趨勢,觀測目標包含人工震源、微震、餘震調查、山崩監測、風機影響…等,所需的儀器考量重點為快速佈放、省電以利長時間運作、大批資料快速下載與處理、運送便利性…等。本報告針對四款國內常見適合於密集佈放的儀器廠牌:Texan、Zland、SmartSolo、CUBE,與寬頻地震儀進行一周時間的比對測試(2020/2/28 ~ 3/2),由於僅使用少量的儀器進行比對,加上測試環境及安裝方式並無嚴格管控,此報告僅討論資料極性問題及簡易效能評估,以作為各單位未來採購參考,並非儀器雜訊之測試以及操作介紹。
        儀器測試場地在中央研究院地球科學研究所,環境變遷大樓地下3樓(如圖 1),背景雜訊低,且配有GPS訊號轉發器,相當適合地震儀器測試。測試儀器包含Texan 6台(含兩種geophone規格), Zland 4台SmartSolo 4台, CUBE 2台儀器,挑選午夜2小時人文活動干擾較低的時間段進行功率頻譜(Power Spectral Density)分析(如圖 3),所有儀器皆修正儀器響應(如表 1),透過與寬頻地震儀的比對,發現geophone的低頻轉折頻率儘管為4~5Hz,但實際可用頻寬皆高於0.2Hz,當有更大能量的遠震發生則不受此限制,由於紀錄器之前置放大器倍率設定不盡相同,反應在長周期(<0.2Hz)的表現有所差異;此外,高頻(>40Hz)效能表現,尤其在水平向,結果不盡相同,應該與未完全將儀器埋入沙子,以及木箱與水泥平台之偶和效應有關。實驗過程中也收錄一筆宜蘭地震(除了Texan提早撤除而無資料),修正儀器響應後其波形如圖四,所有儀器資料之震幅與相位皆相當一致。
        四款儀器的優缺點討論如表 2,總結如下:
    • 四款儀器的波形及資料時間皆與Q330搭配T240結果一致,唯資料極性需特別注意,以地動方向垂直朝上、朝東、朝北為正號來說,Texan的極性相反,Zland垂直軸極性相反、水平軸極性正常,SmartSolo三軸極性相反,CUBE三軸極性正常
    • 本報告的實驗場所為都會區結構物地下室,其背景雜訊並無法做為儀器雜訊
    • SmartSolo在波形呈現、安裝便利性、資料處理等表現與Zland相當。如果單看長周期(<0.2Hz)的雜訊(此頻段多與紀錄器及前置放大器整體的雜訊有關),SmartSolo表現的更好
    • Texan的geophone與其他儀器相比震幅較小(約70%),尤其是訊號頻率低於其轉折頻率4.5Hz,使用4.9Hz的極零點參數修正反而較能得到一致的振幅,然而這與geophone在長時間使用下,彈簧因疲乏而頻率趨往較低頻率有所出入,或許是廠商製作時已考量彈簧疲乏效果而將頻率設計的較規格值高
    • CUBE做為一款低耗電及輕便的資料紀錄器,其優點包含可搭配任何電壓輸出的感測器(如寬頻地震儀、次音波感測器)、即時傳輸資料、使用外部電源以延長觀測時間並易於空運,儘管在高密度陣列佈放實驗不如SmartSolo與Zland來得便利,但在長時間觀測及國外實驗應用來說相當適合
圖一、儀器測試場地在中央研究院地球科學研究所,環境變遷大樓地下3樓。
圖二、測試儀器之安裝方式。
圖三、背景雜訊功率頻譜(Power Spectral Density)分析。
圖四、宜蘭地震波形圖。

表一、儀器參數。
preamp gain sensor sen. (V/m/s) sensor damping sensor freq. (Hz) sampling rate (Hz) instrument response
Quanterra Q330 + Nanometrics T240 1 1200 0.707 240s~223Hz 100
Texan_1
(#WO開頭)
32 29.4 0.5 4.5 250 'zeros': [0j, 0j]
'poles':
[(-14.137+24.486j), (-14.137-24.486j)]
‘sensitivity’: 29.4 * 32 * 5.243e+05
(垂直軸極性相反)
Texan_2
(#WO3及#開頭)
32 82 0.707 4.5 250 'zeros': [0j, 0j]
'poles':
[(-19.99+20.00j), (-19.99-20.00j)]
‘sensitivity’: 82 * 32 * 5.243e+05
(垂直軸極性相反)
Zland 36 dB
(63.09)
76.7 0.707 5.0 500 'zeros': [0j, 0j]
'poles':
[(-21.991+22.435j), (-21.991-22.435j)]
‘sensitivity’: 76.7 * 1000
(垂直軸極性相反,水平軸極性正常)
SmartSolo 30 dB
(31.62)
76.7 0.707 5.0 250 'zeros': [0j, 0j]
'poles':
[(-21.991+22.435j), (-21.991-22.435j)]
‘sensitivity’: 76.7 * 31.62 * 1000
(三軸極性相反)
CUBE
(3C geophone)
16 16 0.707 4.5 200 'zeros': [0j, 0j]
'poles':
[(-19.781+20.202j), (-19.781-20.202j)]
'sensitivity': 4096000 * 27.7
(極性正常)

表二、優缺點討論。
Instrument 優 缺 Note
Zland 電池、3分量geophone、紀錄器一體,安裝方便,可同時充電與資料下載 無法傳輸即時資料。中心站需要220V電源,原始資料為單一檔案其容量較大(數10GB),轉檔需要額外軟體,目前無法野外延長電池容量
SmartSolo 電池、3分量geophone、紀錄器一體,安裝方便,中心站110V/220V電源可用,軟體可直接輸出daily MSEED,特殊型號可搭配外部電池來延長運作時間 無法傳輸即時資料。 價格較低。主體可分離,充電與資料下載獨立進行,維修角度以及無接點外露是優點,但需要多一步驟來分離是缺點。
Texan 使用兩顆1號電池運作,亦可外部電源運作,中心站資料下載作業方便 單分量紀錄器,無法即時傳送資料,電力不足時資料會遺失
CUBE 低耗能地震資料紀錄器,可傳輸即時資料,外部電力可延長時間運作 資料轉檔需要時間較長 記錄器、sensor、電池分離設計,可傳輸即時資料,亦可外部電力長時間運作,方便運送適合國外佈站使用