仪器响应文件

在 SAC 诞生的80年代，模拟地震仪的类型很少，SAC 将这些地震仪器的响应函数都内置到程序中，可以直接使用。随着数字地震仪的出现和不断发展，地震仪器的类型越来越丰富，不可能把这些地震仪器的响应函数都内置到 SAC 中，这就需要有更通用的方式来描述仪器响应，即仪器响应文件：RESP、PZ和FAP。

内置仪器响应

SAC 内置了很多标准地震仪器的仪器响应，如 表 17 所示。部分仪器类型还拥有子类型，如 表 18 所示。在 SAC 命令中，可以直接使用这些仪器类型。

表 17 SAC 内置仪器类型列表

type	说明
BBDISP	Blacknest specification of Broadband Displacement
BBVEL	Blacknest specification of Broadband Velocity
BENBOG	Blacknest specification of Benioff by Bogert
DSS	LLNL Digital Seismic System
DWWSSN	Digital World Wide Standard Seismograph Station
EKALP6	Blacknest specification of EKA LP6
EKASP2	Blacknest specification of EKA SP2
ELMAG	Electromagnetic
GBALP	Blacknest specification of GBA LP
GBASP	Blacknest specification of GBA SP
GENERAL	General seismometer
GSREF	USGS Refraction
HFSLPWB	Blacknest specification of HFS LPWB
IW	EYEOMG-spectral differentiation
LLL	LLL broadband analog seismometer
LLSN	LLSN L-4 seismometer
LNN	Livermore NTS Network instrument
LRSMLP	Blacknest specification of LRSM LP
LRSMSP	Blacknest specification of LRSM SP
NORESS	NORESS (NRSA)
NORESSHF	NORESS high frequency element
OLDBB	Old Blacknest specification of BB
OLDKIR	Old Blacknest specification of Kirnos
PORTABLE	Portable seismometer with PDR2
PTBLLP	Blacknest specification of PTBL LP
REDKIR	Blacknest specification of RED Kirnos
REFTEK	Reftek 97-01 portable instrument
RSTN	Regional Seismic Test Network
S750	S750 Seismometer
SANDIA	Sandia system 23 instrument
SANDIA3	Sandia new system with SL-210
SRO	Seismic Research Observatory
WA	Wood-Anderson
WABN	Blacknest specification of Wood-Anderson
WIECH	Wiechert seismometer
WWLPBN	Blacknest specification of WWSSN long period
WWSP	WWSSN short period
WWSPBN	Blacknest specification of WWSSN short period
YKALP	Blacknest specification of YKA long period
YKASP	Blacknest specification of YKA short period

表 18 部分仪器子类型

主类型	子类型
LLL	LV, LR, LT, MV, MR, MT, EV, ER, ET, KV, KR, KT
LNN	BB|HF
NORESS	LP|IP|SP
RSTN	[CP|ON|NTR|NY|SD][KL|KM|KS|7S][Z|N|E]
SANDIA	[N|O][T|L|B|D|N|E][V|R|T]
SRO	BB|SP|LPDE
FREEPERIOD v	ELMAG, GENERAL, IW, LLL SUBTYPE BB, REFTEK
MAGNIFICATION n	ELMAG, GENERAL
NZEROS n	GENERAL, IW
DAMPING v	GENERAL, LLL SUBTYPE BB, REFTEK
CORNER v	LLL SUBTYPE BB, REFTEK
GAIN v
HIGHPASS v	REFTEK

除了 表 17 中列出的众多仪器类型之外，还有几个特别的仪器类型：

• none：即位移，也是 SAC 的默认值

• vel：速度

• acc：加速度

RESP 文件

RESP 文件是用于描述仪器响应的文件，其包含了描述仪器响应所需要的全部信息。

RESP 仪器响应文件可以通过如下几种方式获得：

• 用 rdseed 程序从 SEED 数据中提取；

• 用 evalresp 程序从 SEED 数据中提取；

• 从 IRIS DMC resp Web Service1 下载；

• 手写 RESP 文件；

一个 RESP 文件中可以只包含一个仪器响应函数，也可以包含多个台站、多通道、多时间段的多个仪器响应函数。每个仪器响应函数中包含了台站名、台网名、通道名、开始时间和结束时间等台站的基本信息。具体的仪器响应函数部分又分成多个 Stage，每个 Stage 中又分为多个 block，包含了仪器响应的不同信息。

• Stage1 一般对应模拟信号阶段，从中可以提取中这一阶段的输入单位、零极点、归一化因子 \(A_0\) 以及第一阶段的增益。

• Stage2 一般对应 ADC 阶段，从中可以提取出这一阶段的放大系数。

• Stage3 一般对应于数字滤波和减采样阶段。通常需要对数字信号多次滤波或减采样，因而 Stage3 后面可能会接多个类似的 Stage。从这几个 Stage 中提取的信息是增益，一般值为1。

• Stage0 是会给出前面所有 Stage 的增益的乘积，主要是起到了辅助验证的作用。

SAC PZ 文件

RESP 文件中包含了仪器响应的完整信息，同时也包含了不少冗余信息。SAC 从 RESP 文件中提取处仪器响应中的重要信息，定义了新的零极点响应文件（即 SAC PZ）。相对于 RESP 文件而言，PZ 文件中仅包含仪器响应中的零极点和增益信息，在去仪器响应时更方便。

SAC PZ 文件可以用 rdseed 程序从 SEED 文件中提取，也可以从 IRIS DMC SAC PZ Web Service2 获取，当然也可以手写 SAC PZ 文件。

下面是某个台站的 SAC PZ 文件:

* **********************************
* NETWORK   (KNETWK): IU
* STATION    (KSTNM): COLA
* LOCATION   (KHOLE): 00
* CHANNEL   (KCMPNM): BHZ
* CREATED           : 2013-06-22T14:12:09
* START             : 2012-09-14T04:00:00
* END               : 2599-12-31T23:59:59
* DESCRIPTION       : College Outpost, Alaska, USA
* LATITUDE          : 64.873599
* LONGITUDE         : -147.861600
* ELEVATION         : 84.0
* DEPTH             : 116.0
* DIP               : 0.0
* AZIMUTH           : 0.0
* SAMPLE RATE       : 20.0
* INPUT UNIT        : M
* OUTPUT UNIT       : COUNTS
* INSTTYPE          : Geotech KS-54000 Borehole Seismometer
* INSTGAIN          : 2.013040e+03 (M/S)
* COMMENT           : N/A
* SENSITIVITY       : 3.377320e+09 (M/S)
* A0                : 8.627050e+04
* **********************************
ZEROS   3
        +0.000000e+00   +0.000000e+00
        +0.000000e+00   +0.000000e+00
        +0.000000e+00   +0.000000e+00
POLES   5
        -5.943130e+01   +0.000000e+00
        -2.271210e+01   +2.710650e+01
        -2.271210e+01   -2.710650e+01
        -4.800400e-03   +0.000000e+00
        -7.384400e-02   +0.000000e+00
CONSTANT        +2.913631e+14

SAC PZ 文件中，以星号开始的行为注释行，给出了该 PZ 文件所对应的台站信息，其中 INPUT UNIT 表明了该 PZ 文件的输入是位移、速度还是加速度。用 rdseed 从 SEED 数据中提取出来的 PZ 文件，输入都是位移，且单位为 m。

以关键字 ZEROS 起始的行给出了零点数目，接下来几行列出了每个零点的实部和虚部。以关键字 POLES 起始的行给出了极点数目，接下来几行列出了每个极点的实部和虚部。最后一行给出了仪器响应中的常数 CONSTANT。

根据零极点以及 CONSTANT，即可计算得到仪器响应函数：

\[H(s) = C_0 * \frac{(s-z_1)(s-z_2)...(s-z_{nz})}{(s-p_1)(s-p_2)...(s-p_{nz})}\]

其中 \(s=2\pi i f\)。

一些说明：

• 若有零点 (0.0,0.0)，则这样的“零”零点可以省略。因而列出的零点数可能会少于“ZEROS”行给出的零点数；上例中的三个零点可以不列出；

• CONSTANT 对应于RESP文件中所有阶段的增益 \(Sd_0\) 以及归一化因子 \(A_0\) 的乘积；

• 若未指定 CONSTANT，则默认值为1.0；

FAP 文件

FAP文件是响应函数的另一种表现形式，其包含了很多记录行，每行三个字段，分别是频率、振幅及相位。

频率不需要等间隔分段。在执行 transfer 时，低于第一行频率的频段将使用第一行的振幅和相位；同理大于最后一行频率的频段将使用最后一行的振幅和相位。

FAP 文件可以从程序 evalresp v3.3.2 中获得，FAP 相对于 PZ 文件的优势在于，其给出了每个频率的振幅和相位响应，因而包含更丰富的信息，且方便人工修改以控制需要校正的频率段。

RESP vs PZ vs FAP

RESP、PZ 和 FAP 都可以用于表征仪器的响应函数，常用的是 RESP 和 PZ，而这两种还是有很大区别的：

• RESP 文件包含了仪器响应的完整信息，而 PZ 文件中仅包含了零极点和增益信息，二者的主要差异在于 PZ 文件中未包含 FIR 滤波器的信息；

• RESP 文件中可以知道输入数据是位移、速度还是加速度，而 PZ 文件默认输入为位移。因而若 RESP 文件中输入是速度，则 PZ 文件中会多一个“零”零点；若 RESP 文件中输入是加速度，则 PZ 文件中会多两个“零”零点；

• SAC 中的默认位移单位是 nm，RESP 文件中有指定输入单位为 m，因而在用RESP去仪器响应时， transfer 会在去除仪器响应之后在对数据做单位上的变换以使得得到的位移数据的单位是 nm，即与 SAC 的标准相一致。而 PZ 文件中并未提供输入单位信息，或者说即便提供了也没有被利用到，故而用 PZ 文件去除仪器响应得到的位移物理量单位是 m，为了与 SAC 标准相一致，需要手动对数据乘以10的9次方将数据单位由 m 转换成 nm；

对于大多数情况，建议使用 PZ 文件，数据处理速度要快很多。

RESP 转换为 PZ

将RESP格式的仪器响应文件转换为等效的PZ格式的仪器响应文件，可以遵循如下几个步骤：

1. 在RESP文件中搜索以 B053F05 开头的行，确定地震计的输入物理量是速度、位移还是加速度

2. 在RESP文件中搜索以 B053F09 开头的行，得到零点数目

3. 在RESP文件中搜索以 B053F14 开头的行，得到极点数目

4. 在RESP文件中搜索以 B053F10-13 开头的行，每行代表一个零点，每行的第三和第四列分别是零点的实部和虚部

5. 在RESP文件中搜索以 B053F15-18 开头的行，每行代表一个极点，每行的第三和第四列分别是极点的实部和虚部

6. 在RESP文件中搜索以 B053F07 开头的行，得到归一化因子 A0

7. 在RESP文件中搜索以 B058F04 开头的行，通常会搜索到多个结果。若某个结果的前一行“Stage sequence number”为0，则该行给出的值即为仪器灵敏度 Sensitivity

8. 新建PZ文件，按照PZ文件的格式分别写入如下信息：

   • 零点数目。需要注意，PZ中零点数目可能与RESP中零点数目不同：

     • 若地震计的输入物理量是位移，则PZ文件的零点数目与RESP文件的零点数目相同；

     • 若地震计的输入物理量是速度，则PZ文件的零点数目应比RESP文件的零点数目多一个，即多一个“零”零点 0.0 0.0；

     • 若地震计的输入物理量是加速度，则PZ文件的零点数目应比RESP文件的零点数目多两个，即多两个“零”零点 0.0 0.0。

   • 零点信息。其中，“零”零点可以省略不写

   • 极点数目

   • 极点信息

   • CONSTANT值，为 RESP文件中 A0 与 Sensitivity 的乘积

读者可尝试将 IU.COLA.00.BHZ 通道的 RESP 转换为 PZ 格式，并与 IRIS 提供的 PZ 进行对比以确认自己的理解正确。

需要注意的是，通常一个 PZ 文件中仅包含一个通道，此种情况下 PZ 文件中无需包含注释部分。若一个 PZ 文件中包含多个通道的仪器响应，则需要包含注释部分以保证SAC可以区分不同通道。

1

http://service.iris.edu/irisws/resp/1/

2

http://service.iris.edu/irisws/sacpz/1/