GSM-19T質子磁力儀性能測試

談 昕 張 毅 王 雷 徐如剛肖偉鵬 王韶穩 陶 酣 黎哲君

（中國合肥230031 安徽省地震局）

GSM-19T質子磁力儀性能測試

談 昕 張 毅 王 雷 徐如剛肖偉鵬 王韶穩 陶 酣 黎哲君

（中國合肥230031 安徽省地震局）

以GSM-19T質子磁力儀為研究對象，依據不同性能指標，采用不同測試方式，對質子磁力儀特性進行系統測試。結果表明：該磁力儀操作簡單、快捷，是具有數據采集數字化、精確測量自動化和高觀測精度的便攜式磁力儀，具有良好的穩定性和一致性，可以滿足野外地震監測工作要求。

性能測試；觀測誤差；GSM-19T磁力儀

0 引言

觀測儀器作為地磁研究的重要物性基礎，在固定地震臺測量及野外數據收集過程中，可以準確記錄地磁場分布及時空變化，從而為地磁場研究及地震地磁研究提供豐富資料。20世紀80年代，美制G型質子旋進磁力儀用于中國地震局流動地震地磁監測工作，對其主要性能指標已開展較為深入的性能測試與研究工作（張銀貴，1996；詹志佳等，2000；郭玉蓮等，2001；楊婕等，2008；侯志成，2011）。近年，隨著中國地震監測預報研究工作的深入開展、觀測技術的不斷發展，以及對地震地磁監測能力要求的不斷提升，中國地震局引進GSM-19T質子旋進磁力儀，用于野外流動地磁測量工作。GSM-19T標準質子旋進磁力儀是加拿大GEM公司生產的全自動質子磁力儀，靈敏度達0.05 nT，分辨率達0.01 nT，絕對精度±0.2 nT，采樣率3—3 600 s可調（加拿大GEM公司，2011）。目前，儀器的主要性能及技術指標等相關信息僅來源于儀器附帶說明書，若將其用于流動地震地磁測量，為保障地磁測量數據的準確可靠，需要對其精度、穩定性等性能進行研究，掌握其實測性能（國家地震局，1986）。

2012年8月和11月，中國地震局地球物理研究所與安徽省地震局等單位，在十三陵地震臺進行22臺GSM-19T標準質子旋進磁力儀性能測試工作，主要依據為《中國地磁圖地磁野外觀測技術規范》（中國地震局地球物理研究所，2003）、《地震觀測儀器進網技術要求——地磁觀測儀第2部分：質子矢量磁力儀》（中國地震局，2008）以及儀器購置招標文件等。按照測試大綱與方案，對測試環境（包括軟、硬件環境）和儀器功能（包括儀器配置、基本功能檢查等）及分辨率、采樣率、一致性、穩定性、溫漂等主要參數進行測試。本文基于各項測試的觀測數據，結合數據處理結果，對GSM-19T標準質子旋進磁力儀主要性能進行分析，以便對儀器性能進行整體把握，在地震監測預報中發揮作用。

1 GSM-19T磁力儀性能測試

1.1 測試方案

對22臺GSM-19T標準質子旋進磁力儀在十三陵地震臺進行性能測試，2012年8月完成對2.45 m原電纜線（短線）配置下的儀器性能測試工作，2012年11月完成附加25 m加長電纜線（長線）后的儀器性能測試工作。由于各探頭外觀相同，為防止探頭混用影響測試結果，設置儀器序列號與探頭編號同名，見表1。

表1 22臺GSM-19T質子磁力儀序列號及探頭編號Table 1 The serial number and the probe number of 22 GSM-19T proton magnetometers

根據不同檢測目標，采用兩種檢測方式：①在基站模式下，儀器先后采用不同采樣率同步連續觀測至最長時段，以分析儀器分辨率、采樣率、穩定性等指標，選取日溫差較大時段，同步記錄溫度變化，分析儀器溫漂指標；②依據《中國地磁圖地磁野外觀測技術規范》，建立兩個固定測樁，對所有儀器進行比測，考察儀器一致性指標。

1.2 穩定性測試

儀器穩定性實驗測試工作分兩個時間階段進行：8月1日至3日，針對探頭及主機之間連接2.45 m連接線的穩定性進行試驗；11月1日至3日，針對探頭及主機之間附加25 m連接線的穩定性進行試驗。試驗過程中，選取距離干擾源較遠的區域布設儀器，采樣周期設3 s、5 s、10 s、60 s，在不同時間段，對測試儀器同步采樣，同步采樣時間達儀器最長時間。

穩定性測試過程采用不同采樣頻率多個時段同步采樣，數據量豐富，限于篇幅，僅給出22臺儀器2012年11月02日00∶00—03∶53采樣率5 s的2 076個測試數據處理結果，見圖1。由圖1（a）可知，在相同觀測時段，儀器測試觀測值整體變化趨勢相似，無顯著差異。以22臺測試儀器同步采樣的地磁總強度觀測值的平均值作為觀測正常背景值參考基準，將測試儀器的觀測值與對應的參考基準值進行差值，曲線變化穩定，無明顯趨勢性變化［圖1（b）］。由圖1（c）可知，儀器均方差較小，各臺儀器均方差范圍0.025—0.045 nT。

1.3 一致性測試

地磁儀器比測是保障地磁測量準確可靠的有效手段（顧左文等，2004）。在儀器一致性測試過程中，參照《中國地磁圖地磁野外觀測技術規范》，在臺站內建立兩固定測樁，對儀器進行比測，系統分析儀器一致性及儀器差指標。比測時，將兩臺儀器分別固定于兩測樁同步記錄10個讀數，交換儀器再次同步記錄10個讀數，計算儀器差，每組結束，更換儀器，按照序列號101-102-103-… 096-101的順序對儀器進行循環比測。表2給出測試的儀器差與點位差，可知二者變化穩定且較小，儀器差變化范圍-0.21— +0.31 nT，點位差變化范圍40.45—41.64 nT。

圖1 22臺GSM-19T測試結果（a）測試觀測值空間變化圖像；（b） 觀測值與參考基準差值變化；（c）測量均方差Fig.1 The test result of 22 GSM-19T proton magnetometers

表2 GSM-19T質子旋進磁力儀一致性測試結果Table 2 The results of conformance test with 22 GSM-19T proton precession magnetometers

1.4 溫漂性能測試

采用60 s采樣率連續觀測數據進行儀器溫漂性能測試。測試儀器受實時溫度影響，同步架設GM4磁通門磁力儀，進行實時溫度記錄。使用靜海地磁臺連續秒采樣觀測數據，對測試儀器60 s采樣數據進行日變通化，與GM4磁通門磁力儀溫度變化曲線進行對比，計算各臺儀器的溫漂性能。選擇8月2日至3日兩個溫度差異較大的時段，高溫時段選定北京時間15∶30—16∶30，低溫時間段選定北京時間02∶00—03∶00，計算經日變通化后高、低溫時段的地磁場觀測均值，根據GM4磁通門磁力儀溫度記錄，統計溫差，使用統計平均方法，計算各測試儀器溫漂特性，見圖2和表3。由表3可知，22臺測試儀器的溫度漂移率變化范圍-0.0058 nT/℃ — -0.0623 nT/℃。

圖2 GM4磁通門磁力儀溫度變化曲線Fig.2 The temperature variation curve of GM4 flux-gate magnetometer

表3 GSM-19T質子旋進磁力儀溫漂測試結果Table3 The results of temperature drift test of 22 GSM-19T proton precession magnetometers

2 統計分析

對GSM-197質子磁力儀的穩定性、一致性及漂移性進行測試，測試結果見圖3—圖5。圖3為22臺測試儀器在長短線、不同采樣周期（3 s、5 s、10 s、60 s）條件下均方差分布結果，可以發現：測試GSM-19T標準質子旋進磁力儀，整體均方差較小且均勻，優于0.05 nT，表現出良好的穩定性。可見穩定性與連接線長短基本無關，且不隨采樣周期變化而變化。

圖4為循環比測法給出的儀器一致性測試分布結果，包含儀器差及點位差統計結果。由圖4可見，儀器差變化較小，幅度為±0.31 nT，均方差約±0.13 nT。點位差變化范圍在40.45—41.64 nT，均方差為±0.30 nT，表現出良好的一致性。

圖5為儀器溫度漂移特性測試分布結果，可知：儀器溫漂變化范圍在-0.062 3 nT/℃—-0.005 8 nT/℃，總體變化較均勻，表現出較好的一致性。但測試所得溫漂指數大于理論值0.002 5 nT/℃（環境溫度為-40℃ — 0℃）、0.001 8 nT/℃（環境溫度為0 — +55℃）（加拿大GEM公司，2011），可能是因為測試環境溫度變化較小，儀器精度無法滿足溫漂測試環境，或測試過程引入一定誤差等。

圖3 不同采樣率下GSM-19T儀器均方差分布（a） 3 s均方差；（b） 5 s 均方差；（c） 10 s均方差；（d）60 s 均方差Fig.3 The histogram of the mean square error with GSM-19T at the different sampling rate

圖4 22臺GSM-19T質子磁力儀儀器差、點位差Fig.4 The histogram of instrument difference and point position difference with 22 GSM-19T proton precession magnetometers

圖5 22臺GSM-19T溫漂測試結果Fig.5 The histogram of the temperature drift test results of 22 GSM-19T proton magnetometers

3 結束語

通過對GSM-19T質子磁力儀性能進行測試，分析可知該類型儀器是一種操作簡單、快捷、具有數據采集數字化、精確測量自動化和高觀測精度的便攜式磁力儀，具有良好的穩定性和一致性，可為野外觀測數據質量和精度提供保障。

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郭玉蓮，唐延梅，佟瑞清.根據野外震磁測量實踐簡評G-856質子旋進磁力儀性能［J］.西北地震學報，2001，23（3）： 308-309.

國家地震局.地震地磁野外測量規范［S］.北京： 地震出版社，1986.

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Main performance test and analysis of GSM-19T proton magnetometer

Tan Xin，Zhang Yi，Wang Lei，Xu Rugang，Xiao Weipeng，Wang Shaowen，TaoHan and Li Zhejun
（Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

GSM-19T proton precession magnetometer is widely used in seismic magnetic survey in recent years and becomes an important instrument in the area of earthquake monitoring.Taking GSM-19T proton magnetometers which are newly-purchased by China Earthquake Administration as the research objects，according to the different performance indexes，the study has conducted tests and systematical analyses for the main technical indicators of these proton magnetometers in different testing methods.The results showed that:GSM-19T proton precession magnetometer is a kind of easy-operating portable magnetometer applying skills such as the digital data acquisition，automatic measurement and higher observation precision.Besides，the good consistency stability of the instrument can also fully meet the requirements of seismic system.

performance test，observation error，GSM-19T proton precession magnetometer

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.008

談昕（1987—），女，碩士，助理工程師現主要從事地磁監測及研究工作。E-mail：tanxin_only@163.com

安徽省地震局合同制課題項目資助（201426）

本文收到日期：2015-03-20