永安地磁臺FHD-2B質子磁力儀觀測數據干擾分析

全建軍 夏 忠 張 凱 劉水蓮陳珊樺 劉禮誠 陳美梅

1）中國福建366000永安地震臺

2）中國江蘇221400新沂地震臺

3）中國福建363000漳州地震臺

4）中國福建362000泉州基準地震臺

0 引言

隨著地震科技水平的逐步提高，我國地震觀測開始走向數字化，其高精度、大動態觀測數據在地震科研和預報中得到了廣泛應用（邢西淳等，2008）。“九五”期間江蘇省地震局研制出智能化分量質子磁力儀，即FHD質子磁力儀，具有數字化程度高和觀測精度高的特點，目前已在全國數十個臺站投入使用（夏忠，2002）。FHD質子磁力儀經過不斷改進與完善，目前較先進的FHD-2B型質子磁力儀已開始運行。FHD-2B質子磁力儀實現數字化與網絡化控制，用戶可通過網絡瀏覽儀器網頁、監視儀器的運行狀態、下載觀測數據、控制儀器參數、遠程實現儀器重啟等。

在地震研究觀測中，觀測環境保護很重要。因為采集地震信息是一個漫長、連續的過程，要保證地震觀測環境不被破壞很困難，天氣變化和人為因素等干擾對地磁觀測資料造成很大影響，對各種類型干擾因素如何正確識別，會影響到觀測資料正確預處理。本文分析各種干擾因素對永安地磁臺地磁資料的影響，總結各種干擾對觀測數據變化幅度與曲線形態的影響大小，在此基礎上，對數據預處理方式進行合理選擇，提高地磁觀測資料質量。

1 臺站參數

永安地磁臺建于福建省永安市洪田鎮黃龍村李厝甲，占地面積約9.2畝，距離村民土木房約100 m，東面為民居和農田，南面為山坡，西面為高山，北面為民居和農田。區域構造簡單，表面為黃土、碎石覆蓋，基巖巖性為沉積石灰巖，未發現磁體巖體，200 m范圍內磁場梯度小于1.0 nT/m，符合地磁臺選址規范的要求（全建軍等，2013）。

永安地磁臺FHD-2B 數字化地磁觀測系統（圖1）于2009年10月架設完畢，探頭和線圈安裝在地磁觀測室，主機安裝在臺站辦公樓，地磁觀測室與臺站辦公樓的距離約39 m，采用平行信號線連接。FHD-2B質子磁力儀分辨率<0.1 nT；總場F精度< 0.3 nT；水平分量H（或垂直分量Z）精度<0.6 nT；磁偏角D精度<0.1′，測量范圍：20 000 nT—70 000 nT。

圖1 FHD-2B 數字化地磁觀測系統Fig.1 FHD-2B digital geomagnetic observation system

2 觀測資料相關干擾分析

地磁場是地球物理場的一種，可以反映地下基本場以及外空場變化。因此，研究地磁場變化成為地震預測預報的一種重要手段。通常地磁場是連續、穩定的，但平時觀測過程易受到各種因素干擾，突出的有觀測環境干擾以及儀器系統穩定性、精度等影響。通過對近幾年永安地磁臺地磁觀測數據分析，發現影響觀測資料質量的因素主要有自然因素、儀器自身因素、人為干擾因素、外界環境因素等。通過對這些干擾因素分析，對臺站觀測環境保護，對提高地磁觀測資料質量有積極意義。

2.1 空間電磁影響

當太陽表面活動旺盛，特別是在太陽黑子極大期時，太陽表面耀斑爆發次數增加，耀斑爆發時會輻射出x射線、紫外線、可見光及高能量的質子和電子束。其中帶電粒子（質子、電子）形成的電流沖擊地球磁場，引起電離層變化，同時引起地球磁場強度和方向發生急劇不規則變化，稱為磁暴。按影響強度，磁暴可劃分為小磁暴、中級磁暴和大磁暴。按照形態變化，磁暴可以分為緩始磁暴與急始磁暴。

在2012年5月11日至13日期間，永安地磁臺地磁觀測曲線出現全天連續的毛刺突跳現象，與平時相比極不光滑（圖2）。登錄福建省地震局前兆數據庫服務器，查看相鄰臺站數據，發現觀測曲線同樣出現全天連續的毛刺突跳現象，因此排除儀器自身因素引起的干擾，認定為小磁暴干擾。由圖2可見，在磁暴影響期間，地磁場垂直分量和磁偏角有較明顯的波動。磁暴發生時，垂直分量和磁偏角出現明顯突跳，其特征是初動波動范圍大且突跳尖銳。因為FHD-2B是分鐘值采樣，且通過2組數據平均值生成H值和F值，D值是儀器40 s測量結束后由補償電流、H值等計算得出；幾個分量采集時間不同步，且存在一些差別；而磁暴變化是連續的，特別是大磁暴和急始磁暴，雖然時間相差數秒，但磁暴變化量明顯，從而導致FHD-2B變化與其產出數據并不完全一致，其中不正確變化需要人工消除。

日全食是月亮把太陽完全遮住的天文現象。2011年7月22日有日全食發生，永安地磁臺地磁數據曲線起伏較明顯，地磁場垂直分量與磁偏角都呈現出較明顯改變，變化時間上水平分量比磁偏角有所提前，突跳現象也不是很明顯，地磁觀測曲線受日全食影響呈現出一個緩慢下降再上升的變化過程，曲線形態恢復較快，一般持續若干小時即可逐漸恢復正常（圖3），對觀測精度產生的影響與磁暴類似。

圖2 2012年5月11日受磁暴干擾曲線Fig.2 Magnetic interference on May 11，2012

圖3 2011年7月22日受日全食干擾曲線Fig. 3 Total solar eclipse interference on July 22，2011

2.2 工作參數偏離影響

FHD-2B質子磁力儀與其他質子磁力儀相同，地磁場測量采用LC諧振原理， 根據諧振公式

③陰極保護系統失效。由于人為因素、意外或施工等原因會造成陰極保護系統的物理性破壞，使得陰極保護系統失散，常見的情況有：新建立的犧牲陽極系統、陰極系統，其中有一個系統未設置，使陰極保護不能運行；陰極保護系統設置不正確，未能提供足夠的保護電流；陰極保護系統部件遭到破壞，一個或多個部件失效；陰極保護系統部件失效，有20%以上的時間未運行；施工單位未按設計要求施工或擅自修改設計施工。

式中：f是LC諧振回路的中心頻率；L是探頭的電感量；C是儀器中的配諧電容值。

根據這個原理及地球磁場緩慢變化特點，FHD-2B質子磁力儀采用自動跟蹤與數字化選頻技術。FHD在設定調諧參數后，儀器調諧測量將根據設定值進行。如果測量結果與上一次測量結果或設定值相比≤±100 nT，測量結果將會自動跟蹤并存入調諧值存儲單元，為下一次測量選頻提供參考值，否則不作跟蹤時，始終利用存儲單元中的調諧值進行調諧測量，如果所需調諧參數同存儲單元中調諧參數相距較大，調諧選頻頻率將偏離實際質子旋進頻率較多，使信號測量不能產生有效的選頻共振，易導致儀器選頻特性下降、測量誤差增大，造成觀測曲線出現突跳、毛刺、線條變粗等現象（紀加迎等，2011）。

此外，質子磁力儀探頭軸向應指向東西方向，因為探頭軸向與地磁場方向成90°夾角時，探頭感應到的質子旋進信號電壓最強，如果探頭軸向偏離東西方向較多，感應到的質子旋進信號電壓將會明顯減弱，有可能造成觀測數據噪聲增大，甚至無法正常觀測。水平補償電流如果較大變化或沒有輸出，將會引起補償磁場較大改變，造成測量參數嚴重偏離，引起磁偏角測量和水平分量偏離實際值較多，并造成噪聲增大，甚至無法正常觀測。分量線圈方位角如果偏離較多，導致跟蹤參數偏離較多，也會使磁偏角數據噪聲增大。

因此，要保證儀器能夠正常運行，一定要保證儀器補償電流值、調諧值、觀測方位角、探頭方向等參數的正確性。臺站地磁觀測人員要熟悉本臺站FHD儀器工作參數，并經常對儀器工作參數進行檢查，特別是在數據曲線出現較多突跳或變粗時，首先應檢查儀器工作參數，確認其正確后再檢查其他原因。檢查儀器工作參數有兩種方式：①通過儀器網頁進行檢查；②按照說明書利用儀器面板進行檢查。通過網頁檢查參數時，要以超級用戶登錄儀器網頁，打開儀器參數頁面，對比實時工作參數與原始工作參數，如果二者相差較大，或雖然相差不大，但實時參數無法更新，也就是調諧參數無法進行跟蹤時，可以打開儀器參數表下面的“恢復缺省工作參數”，來恢復儀器測量參數。如果測量參數恢復后還不能正常工作，就要到現場檢查儀器，如果仍找不出原因，就要尋找其他原因。

2.3 交流電磁影響

交流電磁干擾對FHD質子磁力儀觀測影響大，一般有兩種方式，即：環境電磁干擾與觀測系統電磁干擾。臺站附近如果有無線電發射塔發射的無線電波、高壓交流輸電線路，都會對觀測環境產生電磁干擾，使觀測數據噪聲增大，影響儀器正常觀測。對比類電磁干擾，國家制定了相應的行業技術規范，臺站建臺時需避開，無法避開要與相關部門交涉。

電磁干擾是FHD觀測數據最大、最主要因素。使數據曲線毛刺增多，出現線條變粗、突跳現象，嚴重的還會影響儀器自動跟蹤的工作參數，造成自動跟蹤測量與數字化選頻失敗，使儀器不能產出有效觀測數據，可以通過多種途徑干擾儀器正常觀測：①與信號線距離較近，特別是與信號線平行的交流供電線路，通過信號線的電磁耦合，將電磁干擾耦合到儀器中，使觀測數據噪聲增大；②地磁記錄室交流供電線路，特別是環狀線路與儀器探頭上方的交流線路，可以產生交變干擾磁場，通過探頭感應，使測量數據噪聲增大；③FHD質子磁力儀與其他儀器集成在儀器柜中，儀器與儀器之間、線路與線路之間距離近，造成相互的電磁干擾，從而影響儀器觀測精度；④給儀器供電的交流電，包含大量高頻電磁諧波，如果未經過凈化，會通過電源耦合到儀器中，造成儀器觀測數據噪聲增大。圖4是永安地磁臺2009年10月30日FHD-2B質子磁力儀受交流干擾的數據觀測曲線。

避開交流電磁干擾對FHD質子磁力儀觀測的影響，根據不同干擾途徑，可以采取以下措施。

圖4 受交流干擾的數據曲線Fig.4 The data curve interferenced the AC

（1）對于環境電磁干擾，在地磁臺建設時，應當嚴格按照地磁臺站建設規范進行勘選和建設，避免交流電磁干擾影響電磁環境，從而影響地磁觀測。

（2） 對于地磁記錄室中電磁干擾，在布設交流電路時要避免形成環狀電路，注意探頭上方不要安裝電燈之類的電器設備，避免交流電磁干擾通過探頭影響地磁觀測。

（3）對于通過信號線耦合的交流電磁干擾，在布設信號線時要注意遠離交流電線，特別是與其平行的交流電線要相距兩米以上，與其他儀器的各種線路也要保持一段距離，避免共同埋設在同一溝槽內，在進入儀器室時，交流電線要與信號線從不同的方向進入儀器觀測室內，與其他儀器的信號線也不要用同一管道進入儀器觀測室。

（4）對于儀器集成產生的電磁干擾，最好不要將FHD-2B質子磁力儀同其他儀器集成在一起，如果確實需要集成，布設時要將信號線與供電線分開走線，切不可將信號線與交流電線放在一起，并且儀器接地要良好，這樣才能有效地將機箱表面感應的電磁干擾接入大地。

（5）對于通過電源耦合到儀器的電磁干擾，可以在儀器供電前端將交流電通過線式UPS或在交流凈化電源進行凈化，避免高頻電磁諧波通過交流電源干擾地磁觀測。

2.4 信號線長度的影響

FHD-2B分量質子磁力儀觀測系統中，從探頭到儀器主機之間的信號線存在一定線阻和分布電容，如果信號線較短，可以忽略線阻和分布電容對選頻的影響；如果信號線較長，信號線中線阻和分布電容就較大，將對FHD分量核旋儀選頻特性產生一定影響，造成選頻的中心頻率偏離，并降低信噪比；信號線較長、線阻較大時，會降低探頭的極化電流和質子旋進信號強度，從而進一步降低測量信號信噪比，造成測量數據噪聲增大；此外，信號較長時，容易遭受交流電磁耦合干擾影響，造成數據噪聲增大。

為了解決信號線長度對數據噪聲的影響，FHD-2B提供信號線分布電容修正功能，根據信號線長短不同，進行分布電容修正，從而使選頻更加精確；廠家發現信號線較長，也會適當提高探頭的激化電壓，調整儀器信號放大倍數，從而達到提高信噪比的目的。如果臺站改變信號線長度，信號放大倍數與分布電容修正值應作相應調整，否則選頻特性將發生改變，偏離較大會造成磁場測量精度降低。要提高儀器觀測精度，最佳辦法是，在FHD-2B質子磁力儀觀測系統設計時，盡可能縮短信號線長度，將其控制在50 m以內。

永安地磁臺原先的FHD-2B分量質子磁力儀觀測系統中，儀器主機安裝在臺站綜合辦公樓，距離探頭安放的FHD觀察室90多米，受線阻和交流電磁耦合干擾影響，測量數據噪聲較大[圖 5 （a）]。2013年6月，永安地磁臺重新將儀器主機安裝到FHD觀察室，儀器主機與探頭相距10 m，廠家重新對信號放大倍數與分布電容修正值進行調整，縮短信號線長度后，數據噪聲有了很大改善[圖5（b）]，儀器觀測精度得到顯著提高。

圖5 信號線長度改變前后數據曲線

2.5 人為干擾影響

人為干擾是指人類活動造成的記錄干擾。目前，永安地磁臺的地磁觀測人為干擾主要來自附件村民烤煙房施工影響。烤煙房距離FHD觀測室50 m，安裝了大量鐵質和混凝土的烤煙設備，導致地磁觀測環境發生改變，造成數據曲線在短時間出現明顯畸變。構筑物與建筑物屬于永久性的，在建設過程中及建成后產生的影響屬于靜磁干擾（馮武等，2008）。烤煙房建成以后，觀測環境基本保持一種穩定狀態，消除了對地磁觀測資料影響，但因存在較大隨機性，有時數據曲線會出現一些小突跳，此類干擾較易識別和處理。

根據以往觀測經驗，FHD觀測室與車輛相距60 m以上，一般不會對數據曲線形成干擾。而2011年1月11日距離觀測室約50 m的烤煙房施工，對記錄造成一定程度干擾，由于施工車輛非固定不動，干擾有時較明顯，有時則不明顯（圖6）。

圖6 烤煙房施工對地磁的干擾突跳曲線Fig. 6 Geomagnetic disturbances because of construction

3 結論

通過對永安地磁臺數字化磁力儀近幾年的觀測資料干擾因素分析研究，得出以下結論。

（1）在日常觀測中，有些干擾無法避免，如磁暴、日全食等自然現象，對觀測資料影響主要表現為數據突跳（特別是磁暴開始時），究其原因是，FHD-2B觀測與磁暴變化不同步，此類變化較易識別與剔除。

（2）有效降低觀測數據噪聲的辦法是保證接地良好。在日常觀測中FHD-2B質子磁力儀主要使用交流供電，交流電中含有高頻諧波分量，由于儀器信號線和機箱的屏蔽層是金屬制的，雖然有一定屏蔽作用，但表面也會感應耦合到電磁干擾，如果儀器接地裝置不良好，交流電中高頻諧波分量會遭受電磁干擾，影響儀器正常觀測，造成數據噪聲增大，嚴重的可能導致無法正常工作。因此，利用在線式UPS或交流凈化電源對供電電源進行凈化，同時確保儀器良好接地，以便將電磁干擾有效引入地下，從而消除交流電產生的電磁干擾。

（3）基建工程影響主要來自施工過程中鐵磁性物質形成的干擾，構筑物和建筑物屬于永久性的，因此建設過程中和建成后產生的影響屬于靜磁干擾，通常施工結束后影響會達到平穩或消失，具有一定時效性是基建工程影響的特點。在某些特殊情況下，臺站工作人員可阻止有干擾的基建工程實施；車輛影響主要是過于靠近觀測室，可通過人為干預的辦法消除。

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