DEMETER衛星觀測的ULF電場波形干擾分析

歐陽新艷 申旭輝

1)中國北京 100036 中國地震局地震預測研究所

2)中國北京 100871 北京大學地球與空間科學學院

3)中國北京 100085 中國地震局地殼應力研究所

0 引言

衛星觀測能夠對與地震孕育有關的地球物理場進行連續、動態地觀測，具有高動態和覆蓋范圍廣的特點，可彌補地面離散臺站觀測能力的不足（申旭輝等，2011）。中國首顆電磁監測試驗衛星正在推進，其主要科學目標包括獲取中國及鄰區電磁場、電離層和高能粒子的觀測數據及提取與大地震孕育過程有關的電磁、等離子體和高能粒子的擾動信息（Shen et al，2011）。電磁監測試驗衛星將搭載測量空間電場、磁場、等離子體和高能粒子參量的儀器，軌道高度約500 km，傾角約98°，為太陽同步圓軌道衛星（Shen et al，2011）。該衛星大部分載荷和軌道特點與法國DEMETER衛星類似，可利用DEMETER衛星觀測數據開展相關分析，為中國電磁監測試驗衛星的數據應用積累經驗。

DEMETER衛星發射以來，張學民等（2008）、歐陽新艷等（2008，2011）、張學民等（2009）、劉靜等（2011）、顏蕊等（2013）利用該衛星觀測數據開展了地震電磁、電離層擾動研究。就地震電磁研究，多集中討論DEMETER衛星探測的ELF/VLF頻段擾動（Bhattacharya et al，2007；何宇飛等，2009；曾中超等，2009；張學民等，2009；張學民等，2009；Akhoondzadeh et al，2010；Onishi et al，2011；Zhang et al，2011；朱濤等，2011；Zhang et al，2012；澤仁志瑪等，2012）。對于震前ULF擾動，近年研究逐漸增多，在汶川地震、海地地震和智利地震前均發現了ULF異常現象（Athanasiou et al，2011；Zhang et al，2012；Walker et al，2013；Zhang et al，2014）。0.01—100 Hz 頻段的電磁波在空間中傳播模擬研究表明：ULF頻段（f＜ 20—30 Hz）輻射可能穿透巖石圈到達地表，并傳播進入頂部電離層和磁層，從而被地面和空間觀測系統記錄（Molchanov et al，1995）。因而，ULF（0.01—10 Hz）電磁擾動被認為最具前景的地震前兆之一（Hayakawa et al，2007）。在地面ULF觀測中，學者們發現了多個地震前ULF異常擾動的可靠記錄（Fraser-Smith et al，1990；Molchanov et al，1992；Hayakawa et al，1996；張建國等，2010）。對衛星觀測的ULF異常擾動研究近年剛起步，有待深入研究。

本文針對DEMETER衛星觀測的ULF電場波形數據，對其中出現的典型干擾進行分析，以便利用該數據開展地震應用研究提供參考，并為分析中國電磁監測試驗衛星同類數據干擾提供借鑒。

1 ULF電場波形數據

法國DEMETER衛星于2004年6月發射進入太陽同步軌道，軌道高度710 km，2005年12月軌道高度下降為660 km。法國DEMETER衛星的主要科學目標是研究由地震電磁效應引起的電離層擾動及由人類活動（如地面電力系統諧頻輻射、地面甚低頻發射機發射的VLF波動等）引起的電離層擾動（Cussac et al，2006；Parrot et al，2006）。DEMETER衛星的探測數據以半軌道文件組織，上行半軌越過赤道時間對應夜間22∶30 LT，下行半軌對應白天10∶30 LT。

DEMETER衛星搭載多種載荷，分別為電場探測儀（Berthelier et al，2006）、感應式磁力儀（Parrot et al，2006）、朗繆爾探針（Lebreton et al，2006）、等離子體分析儀（Berthelier et al，2006）和高能粒子探測器（Sauvaud et al，2006）。其中，電場探測儀由4個球形傳感器（E1，E2，E3，E4）組成，安裝于4個伸桿末端，衛星上電場探測數據信號處理由BANT模塊完成（Berthelier et al，2006）。電場探測儀提供4個頻段的觀測數據，分 別 為 DC/ULF（0—15 Hz）、ELF（15 Hz—1 kHz）、VLF（15 Hz—17.4 kHz）和 HF（10 kHz—3.175 MHz）。根據衛星巡查（Survey）和詳查（Burst）工作模式，地面接收不同頻段的電場數據為波形或功率譜數據。DC/ULF頻段可提供巡查和詳查模式下4通道電勢的波形數據，通過兩兩傳感器的電壓相減得到電勢差，進而得到3個方向的電場數據。DC/ULF頻段采樣率為39.062 5 Hz，以16位進行數字化，則電勢測量分辨率約0.3 mV，對應電場分辨率約 40 μV/m（Berthelier et al，2006）。

2 ULF電場波形數據典型干擾

2.1 標定信號干擾

DEMETER衛星的電場探測儀采用主動式雙探針探測原理，在測量過程中為了確定必需的極化電流，需要生成標定信號序列，進而測量兩個球形傳感器（E1，E3）在此期間的阻抗，會在兩個球形傳感器的極化電流上疊加625 Hz和10 kHz的標定信號（Berthelier et al，2006）。圖1為2005年2月4日白天的一條半軌道記錄，展示了標定信號對DC/ULF頻段波形數據的影響，給出了DC/ULF頻段衛星坐標系下Ex、Ey和Ez三分量波形及VLF頻段功率譜。從三分量波形看，Ex和Ez波形出現周期性干擾信號，Ey波形未表現相同干擾信號。由于電場儀工作過程中，只對2個球形傳感器施加標定信號，兩兩傳感器差分獲得的電場值通過坐標轉換矩陣變換到衛星坐標系，由此可知衛星坐標系的Ey分量沒有來自施加標定信號的傳感器貢獻。結合VLF頻段E12的功率譜，進一步確定該干擾由上述標定信號引起。從圖1(d)清晰可見，625 Hz處沿半軌道出現較強的周期信號。在軌道開始時間T0處觀測到一次干擾信號，約T0+4 min處又有一干擾信號；在T0+7 min處進入詳查（Burst）模式，伴隨一干擾信號；隨后，在T0+11 min處有一干擾信號；在T0+13 min處進入巡查（Survey）模式，同步觀測到一干擾信號，且每4 min可觀測到一次干擾信號。電場數據記錄干擾出現時間與電場儀標定信號工作時間一致，即在每次詳查和巡查模式開始時以及兩種工作模式中每4 min生成一組標定信號；在詳查模式下，標定信號持續1 s，而在巡查模式下，標定信號持續4 s（Berthelier et al，2006）。

DEMETER衛星在軌運行期間，于2004年8月上旬至2005年4月上旬和2007年10月底至2007年11月初（與DEMETER衛星首席科學家Michel Parrot教授私人交流）激活標定工作。圖2給出2007年11月5日夜間一條半軌道觀測的DC/ULF頻段三分量波形以及VLF頻段E12方向功率譜。與圖1類似，Ex和Ez分量波形出現周期干擾信號。結合VLF頻段功率譜，發現該擾動信號位于625 Hz，并以周期4 min出現；沿此半軌道無工作模式切換，因而干擾信號均以相同周期均勻出現。

此類脈沖式干擾以固定周期出現，易于聯想到固定周期標定信號。通過查看VLF頻段功率譜，可以明確干擾所在頻率。干擾出現的時間特點與標定信號的工作時間一致，在電磁場數據中觀測到此類信號即可確認為由標定信號引起的干擾。

圖1 2005年2月4日03150_0軌道DC/ULF頻段波形干擾示例(a) Ex分量波形；(b) Ey 分量波形；(c) Ez分量波形；(d)VLF頻段E12方向功率譜Fig.1 An example of interferences of DC/ULF waveforms of orbit 03150_0 on Feb.4, 2005

圖2 2007年11月5日17859_1軌道DC/ULF頻段波形干擾(a) Ex分量波形；(b) Ey 分量波形；(c) Ez分量波形；(d)VLF頻段E12方向功率譜Fig.2 Interferences of DC/ULF waveform of orbit 17859_1 on November 5, 2007

2.2 詳查（Burst）模式期間噪聲干擾

另外一種典型干擾為DC/ULF波形在詳查模式期間噪聲水平增加。如圖1中，約01∶02—01∶08UT時段為詳查模式，從Ex和Ez分量波形記錄可見電場幅度噪聲明顯增加，Ey分量無相同現象。這是因為DC/ULF頻段疊加大尺度感應電場信號，該信號來源于衛星橫越地球磁力線運動產生的V×B電場。DEMETER衛星沿Z軸運動，X軸是天底方向，因而V×B電場主要影響Ey分量。有研究指出，通過IGRF得到磁場B矢量，并獲取衛星速度V矢量，將V×B電場從DC/ULF頻段的原始波形記錄中去除，以便獲得真實的空間電場(P??a et al，2011)。該方法計算復雜且會引入新的誤差。我們提出，直接使用滑動平均方法獲得趨勢波形，通過原始波形去除趨勢波形即可得到DC/ULF頻段波形的小擾動，亦可突出干擾信號。圖3給出2005年2月4日03150_0軌道DC/ULF頻段的Ex、Ey和Ez分量波形（與圖1軌道相同），橫軸為地磁緯度，從65°S至65°N。從圖3可見，去除趨勢波形后得到擾動波形[圖3(c)]，發現詳查模式期間（約20°—36°N），DC/ULF頻段波形噪聲水平增強同樣體現在Ey分量，而在原始波形記錄中觀測不到此現象。

為了確認在詳查模式期間DC/ULF波形記錄的信號特征，給出該軌道Ex、Ey和Ez分量功率譜，見圖4。DC/ULF功率譜增強頻段在約1 Hz以下。由于圖4利用64點采樣數據分段估計，可知頻率的分辨率約0.6 Hz，對于1 Hz以下的細節區分度不夠。本文只關心詳查模式下噪聲增加現象，圖4給出的功率譜用來確認巡查和詳查模式下是否觀測到不同頻率的信號。圖4中的兩條白色細線表示詳查模式開始和結束時間，可見此時段功率譜密度比其他時段整體增加，但未觀測到單個頻率或頻段的增強信號。查看其他軌道在DC/ULF頻段的波形記錄，發現詳查期間也存在噪聲水平增強現象，而功率譜結果表明，無單個頻率或頻段干擾。雖然詳查模式期間ULF波形記錄的噪聲水平增加，但由于并不存在單個頻點或頻段的干擾信號，對于后續分析空間真實的ULF擾動影響不大。

圖3 2005年2月4日03150_0軌道DC/ULF頻段Ex、Ey和Ez分量（a）原始波形；（b）趨勢波形；（c）擾動波形Fig.3 Waveforms of Ex，Ey and Ez components in the DC/ULF frequency band of orbit 03150_0 on February 4, 2005

圖4 2005年2月4日03150_0軌道DC/ULF頻段Ex、Ey、Ez分量功率譜(a) Ex分量；(b) Ey分量；(c) Ez分量Fig.4 Power spectra of Ex, Ey and Ez components in the DC/ULF frequency band of orbit 03150_0 on February 4, 2005.

3 結束語

對DEMETER衛星觀測的DC/ULF頻段波形典型干擾進行分析，通過與VLF頻段功率譜進行對比，確定周期約4 min的標定信號引起DC/ULF頻段Ex和Ez分量波形的周期干擾。DC/ULF波形在詳查期間噪聲水平增加，由ULF頻譜發現，此干擾并非來自單個頻點或頻段的信號，對于分析空間真實的ULF擾動影響不大。希望通過對DEMETER衛星觀測的DC/ULF頻段波形典型干擾的分析，有助于后續研究ULF電場擾動，并為我國電磁監測試驗衛星同類數據干擾分析提供借鑒。

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