磁通門磁力儀探頭定向角度與準確度標定分析

張 敏楊福喜張文來許秋龍劉賢倫王喜珍

1）中國烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區地震局

2）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

3）中國北京100190中國科學院空間天氣學國家重點實驗室

磁通門磁力儀探頭定向角度與準確度標定分析

張 敏1）楊福喜1）張文來1）許秋龍1）劉賢倫1）王喜珍2），3）

1）中國烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區地震局

2）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

3）中國北京100190中國科學院空間天氣學國家重點實驗室

烏魯木齊地震臺遷往呼圖壁，采用傳統方法對地磁儀進行安裝調試，對探頭不同定向角度下日變化進行準確度標定，每個角度觀測一天，持續9小時。因對儀器系統零場漂移值估計不足，探頭定向角度范圍偏小，建議取值范圍±500 nT（約±1°），受絕對觀測精度及磁通門磁力儀影響因素的制約，取100 nT作為步長較好。實驗認為，定向角度與日變化準確度標定精度無明顯統計關系，認為影響磁通門磁力儀數據質量的主要因素是人為影響和儀器自身零場漂移過大。

反饋地震計；寬頻帶；數字反饋；長周期噪聲

0 引言

地球磁場觀測已經走過上百年歷史，目前國際上普遍采用能連續提供數字化記錄的三分向磁通門磁力儀，實現地球磁場記錄和地磁資料處理的數字化，地磁臺站大多采用磁通門磁力儀觀測系統作為相對記錄儀。地磁觀測與研究不僅涉及地磁學科，同時涉及通信、空間物理、航天活動、地球構造研究和地震預報等領域。在眾多地震監測預報方法中，地磁方法是可以探測到震源體深度變化的少數地震前兆方法之一。近年研究表明，震磁異常為幾nT最多十幾nT。監測地震需要高質量地磁觀測資料，提高觀測資料質量顯得尤為重要（周錦屏等，1999）。

地磁場為在空間上有方向、有大小的矢量場，且在不斷變化中。地磁場有F、H、Z、X、Y、D、I七要素。地磁場可以用磁傾角I、磁偏角D和總強度F表示，可以用北向分量X、東向分量Y和垂直分量Z表示，也可以用水平強度H、磁偏角D和垂直強度Z表示。目前能直接測量的地磁要素有I、D、H、Z、F（徐文耀，1993；徐文耀，1997；徐文耀，2003；張敏，2012；張敏等，2014）。要準確記錄地磁要素變化，必須對儀器傳感器進行準確定向（朱兆才，2000，2002）。中國部分地磁臺產出的數字化地磁記錄數據質量還不理想，有改變磁通門磁變儀探頭支架前后觀測數據與光記錄磁變儀差值的平均符號相反的現象，與探頭定向差有關（韓德勝等，2000；朱兆才，2001 ，2002；朱兆才，2004，2005）。磁通門磁變儀分辨率已達到0.1 nT甚至更高，但定向誤差所代表的相關地磁分量干擾這另一類“噪聲”影響也很重要。磁通門磁變儀要想獲得高準確度的記錄資料，必須嚴格定向。國外比較重視統計探頭定向差角，并對磁通門磁變儀原始記錄進行改正計算（以SMALL磁通門儀為代表），但研究表明，校正系數的求得有一定難度，且定向差角大時校正計算誤差也大（朱兆才，1997，1998，2001，2003）。

烏魯木齊地震臺始建于1964年，地磁觀測為中國“老八臺”之一，烏魯木齊地磁臺擁有3套不同類型的磁通門磁力儀探頭系統（FGE懸掛式、GM3固定支架式、FGE固定支架式），基本涵蓋目前中國地磁臺所使用磁通門磁力儀的探頭類型。

由于經濟發展及烏魯木齊城市擴建，烏魯木齊地磁臺的觀測工作受到諸多干擾，因此2012年于昌吉州呼圖壁縣另建新臺。烏魯木齊臺原有3套儀器分別安裝于2000年、2001年和2007年，運行時間較長，工作條件與安裝時發生較大變化。為了更好地完成儀器搬遷與安裝工作，借此機會，采用磁靜日絕對觀測方法，連續測定不同定向角度與水平角度下各磁力儀基線值變化曲線，確立測量準確度和觀測精度、定向角度和水平角度之間的關系，從而找到烏魯木齊地磁臺各磁力儀最佳定向角度與水平角度。

1 日變化準確度標定

受探頭軸向正交度、格值線性度、安裝定向準確度和穩定性、溫度穩定性和溫度變化等因素影響，地磁相對記錄儀記錄的地磁日變化與真實日變化之間有一定誤差，且每個臺站、每套儀器的誤差均不相同。因此，地磁臺站需要定期進行地磁相對記錄儀標定，定量考察地磁記錄儀記錄的地磁日變化準確程度，以利于確定臺站絕對觀測的合適時間段及數據的應用研究（丁鴻佳等，2004；胡星星等，2010；王曉美等，2011）。

2 觀測數據質量與探頭定向關系

由于探頭在出廠前各分量磁通門探頭垂直度調節在±5′以內，基本滿足目前臺站地磁觀測要求，可以保證各分量間影響量在0.1 nT的水平上。而儀器安裝時，由于安裝時間、地磁場變化及儀器自身電子裝置零場漂移的影響，帶來的北向分量（水平強度H）與磁北方向偏離成分是影響觀測數據質量的顯著因素。

目前國際上基本采用磁力儀輸出數據直接定向磁通門磁力儀探頭的方法，即通過使磁通門磁力儀輸出數據小于±50 nT從而使探頭定向偏差小于±5′。由于儀器電子裝置存在零場漂移，則可能使儀器觀測數據存在一個常差，從而使定向結果出現偏差；同時，由于地磁場是時刻變化的，則可能因定向時地磁場變化較大而使定向結果出現偏差；再則，隨時間變化，地磁場的長期變化也會使儀器輸出超出定向要求。

烏魯木齊臺3套磁力儀各要素2010年9月7日日變化準確度標定基線值曲線（橫坐標為一天內測量的9組基線值，每組基線值包含2個數值）。

從圖1可知，各分量基線明顯含有日變化成分，表明各測量分量受到其他分量影響，且影響各不相同；同時，3套儀器H分量日變化幅度均超過1 nT，雖然觀測精度仍在觀測規范要求范圍內，但顯然不能忽略。因此，必須對3套磁通門磁力儀均進行重新定向，以消除或減小儀器由于定向誤差導致的各分量間相互干擾，從而改善觀測資料質量。

圖1 2010年9月7日日變化準確度標定基線值曲線Fig.1 The baseline calculated from calibration of daily variation accuracy on Sep.7，2010

3 探頭定向試驗

2012年12月16日和18日，分別將烏魯木齊地磁臺水磨溝舊臺址的GM3磁通門磁力儀和FHDZ-M15搬遷至100km以外的昌吉回族自治州呼圖壁縣新臺址，采用傳統方法，對儀器安裝調試，經過幾天的穩定期，在磁靜日對儀器進行不同定向角度下的準確度測試。

將磁通門磁力儀探頭定位在-200 nT、-100 nT、0 nT、100 nT、200 nT附近，折合成呼圖壁臺當地角度分別約-30′、-15′、0′、15′、30′，按照地磁臺站觀測規范要求，用臺站第一觀測組合MINGEO DIM100磁通門經緯儀和Overhauser磁力儀進行日變化準確度標定，每個角度觀測一天，持續9小時。表1給出M15和GM3儀在不同定向角度下標定精度與定向角度的關系。

表1 M15和GM3標定精度與定向角度關系Table 1 Statistical table of daily variation accuracy and orientation angle

考察不同定向角度各觀測日M15儀器日變化準確度標定精度形態發現，當探頭定向在200 nT即角度30′附近時，標定精度較好。因此，對于FHDZ-M15，200 nT或者30′是比較適合的定向角度。

考察GM3不同定向角度各觀測日日變化準確度標定精度形態發現，當探頭定向在-100 nT即角度-15′附近時，標定精度較好。因此，對于GM3，-100 nT或者-15′是比較適合的定向角度。

用試驗得到的探頭定向角度對探頭進行定向，儀器運行穩定后，采用日變化準確標定方法進行驗證。定向后2012年日變化準確度標定計算的D、H、Z基線見圖2。

圖2 M15、GM3儀標定D、H、Z基線（a）M15；（b）GM3Fig.2 The baseline of D、H、Z of M15 and GM3

由圖2可見，與2010年未定向前的D、H、Z基線值相比，定向后各分量基線幾乎不含日變化成分，表明各分量受其他分量影響較小。

4 地磁臺網儀器定向及標定精度統計

統計地磁臺網基準地磁臺2011—2013年各相對記錄儀器日變化準確度各分量標定精度及其定向角度，見表2（標定精度為9小時內每小時2組觀測基線值均方差的平均值）。本文討論定向角度與標定精度的關系，受篇幅限制，只給出定向角度超過5′的臺站記錄。由表2得出以下結論。

表2 地磁臺網2011—2013年日變化標定精度及定向角度統計Table 2 Statistical table of daily variation accuracy and orientation angle in geomagnetism network from the year 2011 to 2013

（1）在標定時段，大部分臺站磁通門磁力儀D、H、Z三分量基線值測量誤差較小，滿足《數字地磁臺網觀測資料質量評比辦法》中δD ＜ 0.1′、δH ≤1.0 nT、δZ ≤ 1.0 nT的要求，說明臺站工作人員的觀測技術及磁通門磁力儀的工作狀態比較穩定。

（2）由于儀器安裝時間較長或安裝定向出現偏差，部分儀器定向角度出現較大偏差。日變化準確度標定基本選在磁靜日進行，如果本臺相對儀器工作狀態較穩定，且基線值在標定前后無較大跳動，而連續多年定向角度出現較大偏差，應由經驗豐富的觀測人員在磁靜日合適時段重新進行標定，計算標定誤差和定向角度，如偏差仍較大，則需盡快重新定向。出現定向角度偏差較大的臺站需認真進行相關檢查，如相對觀測儀工作狀態，考慮是否需要重新定向。參與統計的儀器中，定向角度小于5′的僅有32%，5′—15′的占51%，15′—30′的占11%，大于30′的占6%。

（3）定向角度與標定精度之間無明顯統計關系，說明磁通門磁力儀數據質量主要受其他因素影響?？赡芤蛩刂饕校孩偃藶橛绊懘螅^對觀測質量影響日變化準確度標定精度；②磁通門磁力儀系統自身零場漂移過大，使得探頭定向角度統計在很大程度上失去意義。

（4）由于其他因素的存在，如儀器零場漂移不同，不能采用統一方法解決地磁臺網磁通門磁力儀探頭定向問題，如針對每一臺儀器，可以采用以上研究方法進行準確定向。

5 討論

對于烏魯木齊臺FHDZ-M15儀，200 nT（30′）是比較適合的定向角度，可以推斷，該儀器電子裝置的零場漂移值約-200 nT。對于GM3儀，-100 nT或-15′是比較適合的定向角度，可以推定，該儀器電子裝置的零場漂移值約100 nT。本文進行的實驗，存在對儀器系統零場漂移估計不足的缺點，實驗的角度范圍可能偏小。在臺站確定儀器定向角度時，建議實驗取值范圍為±500 nT（約±1°）。對于每一臺儀器，可以采用論文提及的實驗方法確定定向角度，受絕對觀測精度及磁通門磁力儀影響因素的制約，考慮到工作量，選擇以100 nT為步長進行實驗較好。

定向角度與日變化準確度標定精度無明顯統計關系，認為影響磁通門磁力儀數據質量的主要因素是人為影響和儀器自身零場漂移過大。

目前，國家地磁臺網很多儀器探頭的定向角度超出±50 nT（約±5′）的范圍，且一部分儀器標定精度超出地磁臺站觀測規范要求，是否因定向不恰當導致，需要進行諸多排查，才能確定是否需要重新定向。本文使用的探頭定向角度確定方法，可以作為解決探頭定向誤差導致定向角度偏差問題的一個手段進行嘗試。

感謝新疆維吾爾自治區前兆臺網中心同仁的幫助，感謝中國地震局地球物理研究所王喜珍副研究員提出寶貴意見，并感謝相關審稿專家。

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The preliminary analysis of directional angle and measurement accuracy on fluxgate magnetometer probe

Zhang Min1），Yang Fuxi1），Zhang Wenlai1），Xu Qiulong1），Liu Xianlun1）and Wang Xizhen2），3）
1） Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，China
2） Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China
3） State Key Laboratory of Space Weather，Chinese Academy of Sciences Beijing 100190，China

Using the opportunity of Urumqi geomagnetic instrument moved to Hutubi Seismic Station，all geomagnetic instruments are tested using the traditional method as installation.After the instruments are stable，daily variation accuracy is calibrated using different directional angle.The observation for each angle lasts about nine hours in one day.There is something weaknesses in the experiments，we do not consider the zero drift value too much，and the step value of our experiment may be small，so we suggest stations need to apply such experiments to get the orientation angle，the appropriate values range is ±500 nT （about ±1°）.Restricted by the absolute accuracy and other factors of magnetometer，using 50nT or much smaller step in directional experiment cannot improve the experimental results significantly.Taking 100 nT as step value for experiment is a better choice.There is no significant statistic relationship between the accuracy of Calibration precision experiment and directional angle.It is found that the main infuence factors of fux-gate magnetometer data quality are human disturbance and the too large zone drift of instrument.

calibration of daily variation accuracy，probe orientation，directional angle

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.017

張敏（1986—），女，湖北孝感人，2012年7月畢業于中國地震局地球物理研究所，碩士研究生，主要從事地磁數據處理工作。E-mail：woaini1024.ok@163.com

由新疆地震科學基金“地磁臺站磁通門磁力儀探頭定向角度與測量準確度關系的試驗與研究”（201204）、國家重點實驗室專項基金資助項目（Y32612A24S1）、新疆地磁場磁暴分布特征及日變化異常與地震的關系（201413）聯合資助

本文收到日期：2015-01-20