昔陽臺(tái)FHD-2B質(zhì)子矢量磁力儀背景噪聲超標(biāo)原因分析及降噪措施

呂永青，張亮娥，宮靜芝，王振江

(1.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺(tái)，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

中國地磁臺(tái)網(wǎng)引入基于分量質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀觀測模式的FHD磁力儀[1]，并于 2008 年啟用參考背景噪聲作為相對記錄儀產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量的評估參數(shù)，一般采用一階差分計(jì)算參考背景噪聲。根據(jù)地磁臺(tái)網(wǎng)發(fā)布的噪聲數(shù)據(jù)，昔陽臺(tái)FHD-2B質(zhì)子矢量磁力儀背景噪聲值2012年至2018年均超出了臺(tái)網(wǎng)平均水平，背景噪聲大成為影響昔陽臺(tái)FHD觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量提升的主要因素。

1 觀測臺(tái)站及儀器概況

1.1 臺(tái)站地質(zhì)構(gòu)造

昔陽地磁臺(tái)位于山西省昔陽縣大寨鎮(zhèn)金石坡村小寨，處于其東部贊皇隆起和南部的沁水凹陷的過渡地帶，沁水煤盆地的東北邊緣，以北北東向構(gòu)造為主，同時(shí)存在北南向和北東向構(gòu)造。臺(tái)址以北約380 m處為大寨斷層，走向北38°東，傾向北西，傾角70°，長8 km，沿?cái)鄬泳€有新生代玄武巖出露。大寨斷層屬晉獲斷裂帶，晉獲斷裂帶全長330 km，最新活動(dòng)時(shí)代為中更新世。經(jīng)航磁測量，區(qū)域磁場平靜，構(gòu)造簡單，未發(fā)現(xiàn)隱伏磁性巖體。

1.2 FHD-2B型質(zhì)子磁力儀觀測系統(tǒng)

FHD-2B型質(zhì)子磁力儀(以下簡稱FHD-2B磁力儀)是根據(jù)“十五”中國地震前兆數(shù)字化觀測網(wǎng)絡(luò)的要求而研制的，是一種測量地磁場F、H(或Z)、D分量的數(shù)字化地磁儀器。該儀器除線圈調(diào)節(jié)外，其他各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化控制，用戶可通過因特網(wǎng)瀏覽該儀器的網(wǎng)頁，下載地磁觀測數(shù)據(jù)，監(jiān)視儀器的運(yùn)行狀態(tài)，對儀器進(jìn)行參數(shù)控制。同其他類型的分量質(zhì)子磁力儀相比，F(xiàn)HD-2B磁力儀是一種觀測精度、智能化程度、可靠性與穩(wěn)定性都較高的地磁準(zhǔn)絕對觀測儀器。

2008年臺(tái)站觀測環(huán)境優(yōu)化改造時(shí)，拆除原有地磁觀測室，于監(jiān)測山洞上方40 m置換的村民用地上新建地磁觀測室，建筑采用青石墻，房屋建筑符合規(guī)范要求。2010年12月3日安裝FHD-2B磁力儀。2012年結(jié)束試運(yùn)行，并入中國地磁臺(tái)網(wǎng)。

2 昔陽臺(tái)地磁觀測數(shù)據(jù)噪聲分析

昔陽臺(tái)FHD-2B磁力儀2012年正式投入觀測以來，儀器背景噪聲值除總場F基本符合要求外，水平分量H、磁偏角D、垂直分量Z的噪聲值均高于臺(tái)網(wǎng)參考背景噪聲(見第27頁圖1)，觀測數(shù)據(jù)曲線毛刺較多，影響了觀測質(zhì)量和對觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析。

3 噪聲超標(biāo)原因分析及降噪措施

3.1 造成背景噪聲超標(biāo)原因分析

(1) 觀測環(huán)境干擾。

FHD-2B磁力儀的觀測環(huán)境要求符合規(guī)范，磁房溫度、環(huán)境干擾、墩基不穩(wěn)等因素都可能對觀測儀器造成比較大的影響。在臺(tái)站磁房建設(shè)過程中，要嚴(yán)格按照觀測規(guī)范中對地磁觀測室的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選址和施工[2]。昔陽臺(tái)磁房的建設(shè)符合規(guī)范要求，周邊無明顯干擾源存在，但磁房保溫效果較差，當(dāng)溫度較高或較低時(shí)，電子器件的工作特性會(huì)產(chǎn)生變化，影響觀測數(shù)據(jù)的背景噪聲[3]。

圖1 昔陽臺(tái)FHD質(zhì)子矢量磁力儀噪聲圖例Fig.1 Xiyangtai FHD Proton vector magnetometer noise legend

(2) 供電干擾。

在觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要避開交流干擾、集成干擾等各種干擾因素，如采取信號線與供電線從不同方向進(jìn)入儀器室；儀器室與FHD地磁房距離盡量靠近，信號線長度縮短，減少信號衰減造成的影響；保持接地良好，使用專用UPS供電線路，降低數(shù)據(jù)噪聲水平。

觀測室內(nèi)供電線路的合理性關(guān)系到是否會(huì)產(chǎn)生交流電磁干擾，原因主要為兩方面。一是由于環(huán)狀線路與儀器探頭上方的交流線路，可通過探頭感應(yīng)，使測量數(shù)據(jù)背景噪聲變大；二是與信號線距離很近，尤其是與信號線平行的交流供電線路，通過信號線的電磁耦合，將電磁干擾耦合至儀器，使測量數(shù)據(jù)背景噪聲增大[4]。

(3) 配諧不精確導(dǎo)致的噪聲問題。

目前，國家地磁臺(tái)網(wǎng)使用的FHD磁力儀探頭的電感量約34.20 mL，夏天受溫度影響，其電感量要大一些，年變化約0.1 mL；儀器中的配諧電容也是正溫度關(guān)系，夏天的容量比冬季大0.5%左右。由于FHD磁力儀具有探頭電感量可以設(shè)置的特點(diǎn)，可以通過修改探頭電感量，來改變儀器中的配諧電容值，以達(dá)到精確的配諧目的。通常，夏天時(shí)，將電感量設(shè)置減小0.2 mL左右，冬季增大0.2 mL左右?？筛鶕?jù)具體情況，通過監(jiān)視數(shù)據(jù)噪聲的變化，反復(fù)多次修正后，達(dá)到最佳效果[5]。

(4) 設(shè)備老化對儀器噪聲影響大。

生產(chǎn)廠家在主機(jī)和線圈出廠時(shí)做運(yùn)行測試，但隨著儀器使用時(shí)間遞增，儀器老化會(huì)造成線圈漏電、主機(jī)精密度下降等現(xiàn)象。如果儀器使用年限較長，經(jīng)過多方嘗試無法有效解決背景噪聲增大的問題，可分別測試線圈和主機(jī)的工作精度，如有問題要及時(shí)維修和更新。

3.2 臺(tái)站采取的降噪措施

(1) 為解決觀測室溫差較大的問題，臺(tái)站于2018年6月對磁房采用無磁保溫材料進(jìn)行保溫施工，同時(shí)在氣溫較低的月份為儀器主機(jī)加蓋棉被保溫，這些措施對降低儀器背景噪聲有一定的效果(見圖2)。

圖2 磁房溫度改造前后同時(shí)段觀測曲線對比圖Fig.2 Comparison diagram of observation curve of magnetic room before and after temperature modification

(2) 昔陽臺(tái)FHD-2B磁力儀安裝時(shí)將儀器的信號線和電源線捆綁進(jìn)入觀測室，主機(jī)與觀測線圈距離較長。2018年6月，觀測人員對線路進(jìn)行整改，對主機(jī)進(jìn)行搬遷，使信號線與電源線徹底分離，主機(jī)與線圈之間的信號線長度縮減至6 m。重新整理主機(jī)后面的電源線路，杜絕電源線環(huán)狀纏繞,經(jīng)過線路整改后，對儀器背景噪聲的降低起到較明顯的作用。

(3) 昔陽臺(tái)根據(jù)自身儀器數(shù)據(jù)變化情況，在季節(jié)變化時(shí)適時(shí)調(diào)整探頭電感量，使儀器達(dá)到最好的工作狀態(tài)，對因電感量問題引起的儀器噪聲變化起到較好的改進(jìn)。

(4) 跟蹤日常數(shù)據(jù)，及時(shí)處理噪聲變化。臺(tái)站應(yīng)每天計(jì)算各分量的一階差分均方差[6]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測噪聲的變化，條件較好的臺(tái)站一階差分均方差為：F在0.3左右，H、Z為0.5左右，D為0.04左右。如果臺(tái)站FHD-2B型儀器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)某個(gè)分量(一般F分量除外)的一階差分均方差數(shù)據(jù)越來越不穩(wěn)定，且曲線變粗時(shí)，在排除外界的干擾(包括交流電等)后，仍不能解決的，可以嘗試打開儀器網(wǎng)頁的儀器參數(shù)頁面，按下“恢復(fù)原始參數(shù)”按鈕。由于數(shù)采的跟蹤參數(shù)會(huì)自動(dòng)刷新,實(shí)時(shí)參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。

(5) 昔陽臺(tái)地磁組經(jīng)過檢測后發(fā)現(xiàn)線圈存在漏電現(xiàn)象，2019年1月對FHD-2B磁力儀進(jìn)行更新。將更新后的參考背景噪聲值與中國地磁臺(tái)網(wǎng)對比，已低于地磁臺(tái)網(wǎng)公布的參考水平(見圖3)。

圖3 2011-2019年昔陽臺(tái)FHD質(zhì)子矢量磁力儀與中國地磁臺(tái)網(wǎng)的背景噪聲對比 Fig.3 Background noise comparison between Xiyangtai FHD proton vector magnetometer and Chinese Geomagnetic network from 2011 to 2019

4 討論和認(rèn)識(shí)

(1) 對昔陽臺(tái)FHD-2B儀器背景噪聲超標(biāo)的原因進(jìn)行查找分析發(fā)現(xiàn)，主要原因有觀測環(huán)境未達(dá)規(guī)范要求、儀器硬件老化不符合觀測條件、觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、儀器參數(shù)設(shè)置不合理等。

(2) 改造觀測環(huán)境不達(dá)觀測規(guī)范要求的部分，調(diào)試儀器參數(shù)，使儀器在合理的參數(shù)范圍運(yùn)行等措施可以有效降低噪聲值[7]。如儀器工作年限長，儀器老化，更新儀器可使觀測精度大幅提高，噪聲水平明顯下降。

(3) 對昔陽臺(tái)FHD-2B磁力儀進(jìn)行更新后，背景噪聲得到有效控制，噪聲值低于中國地磁臺(tái)網(wǎng)公布的參考背景噪聲值。

(4) 隨著地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、信息化建設(shè)工作的深入推進(jìn)，觀測環(huán)境和觀測儀器將進(jìn)一步規(guī)范[8-9]，地磁觀測儀器的背景噪聲也能從源頭上得以控制，為地震監(jiān)測預(yù)報(bào)提供可信度高的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。