地震低頻電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的研制

[摘要] 電磁擾動(dòng)是一種有效的地震前兆觀測(cè)手段。感應(yīng)式磁力儀作為捕捉電磁擾動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶范圍寬的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。然而，各類儀器頻帶不同，觀測(cè)頻段不一致，使用的范圍也不同，能滿足地震低頻電磁擾動(dòng)觀測(cè)需求的儀器較少。本文通過對(duì)自主研制的感應(yīng)式磁傳感器和通用數(shù)據(jù)采集器集成設(shè)計(jì)，組成地震低頻電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)系統(tǒng)。首先闡述了電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的系統(tǒng)組成，介紹了傳感器的工作原理、靈敏度、一致性和噪聲水平的測(cè)試方法和結(jié)果，結(jié)合電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀在電磁臺(tái)站安裝調(diào)試情況和觀測(cè)運(yùn)行資料，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，磁傳感器的靈敏度優(yōu)于50 mV/nT（0.01～10 Hz），一致性測(cè)試的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，噪聲水平測(cè)試可達(dá)0.15 pT/√Hz@1 Hz，其性能參數(shù)可以滿足地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)技術(shù)要求，日常觀測(cè)可以清晰記錄到各種電磁擾動(dòng)事件，驗(yàn)證了其用于臺(tái)站觀測(cè)的可行性。

[關(guān)鍵詞] 電磁擾動(dòng); 磁傳感器; 測(cè)試方法; 觀測(cè)試驗(yàn)

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-112

基金項(xiàng)目： 江蘇省科技計(jì)劃專項(xiàng)資金重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（BE2020116）和江蘇省地震局青年科學(xué)基金項(xiàng)目（202205）聯(lián)合資助。

0 引言

地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)是捕捉地震短臨異常的較好方法之一，受到國內(nèi)外地震學(xué)家的廣泛重視。我國地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)起始于1976年唐山7.8級(jí)地震后，在全國各地陸續(xù)建設(shè)了200余個(gè)觀測(cè)臺(tái)站，多年來積累了豐富的觀測(cè)資料和研究成果，證實(shí)了伴隨巖石破裂產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)效應(yīng)的存在[1-2]。一些觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和研究報(bào)道表明，在低頻頻段電磁異常和地震活動(dòng)存在較強(qiáng)的相關(guān)性。趙國澤和陸建勛[3]利用人工源超低頻電磁波技術(shù)進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)的可行性研究，在北京、天津等地通過接收位于俄羅斯科拉半島的超低頻發(fā)射臺(tái)信號(hào)，在觀測(cè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了地震前后的電磁異常現(xiàn)象。雍珊珊等[4]基于多分量地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)（AETA）開展觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，分析九寨溝 MS7.0地震和宜賓長(zhǎng)寧 MS6.0地震等事件，發(fā)現(xiàn)電磁擾動(dòng)均值異常與地震具有前兆相關(guān)性。開展地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)，尤其關(guān)注低頻頻段，研究地震電磁擾動(dòng)異常信號(hào)的產(chǎn)生和傳播機(jī)理，對(duì)地震預(yù)測(cè)，特別是短臨預(yù)測(cè)具有重要意義。

感應(yīng)式磁力儀作為捕捉電磁擾動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備，其磁傳感器是核心部件，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶范圍寬的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大地電磁（Magnetotelluric，MT）、可控源音頻大地電磁（Controlled-Sourse Audio-frequency Magnetotelluric，CSAMT）、瞬變電磁（Transient Electromagnetic Methods，TEM）等方法的研究中，在地下資源勘探、空間地球磁場(chǎng)觀測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。目前市場(chǎng)上常見的商用感應(yīng)式磁傳感器的廠家及型號(hào)包括德國Metronix 公司的MFS-06e 、加拿大Pheonix 公司的MTC-80、俄羅斯NORD 公司的IMS-10、烏克蘭LCISR研究所的LEMI-30等，近年來國內(nèi)有中國科學(xué)院電子學(xué)研究所、吉林大學(xué)、中南大學(xué)等單位對(duì)感應(yīng)式磁傳感器開展了諸多研究，傳感器的頻帶寬度、噪聲水平和靈敏度等關(guān)鍵指標(biāo)已達(dá)到國外同等水平[5-7]。然而，根據(jù)地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，原有電磁擾動(dòng)臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備因設(shè)備老化、儀器故障等因素運(yùn)行狀態(tài)不佳，新研制的用于地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)設(shè)備種類和型號(hào)相對(duì)較少。何春舅等[8]開展了多分量地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)AETA的感應(yīng)式磁傳感器磁棒研制，監(jiān)測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍為1～1000 nT，靈敏度大于20 mV/nT@（0.1 Hz～10 kHz），在云南、四川等地布設(shè)并進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，研究地震前后設(shè)備記錄電磁信號(hào)的異常特征。中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研制的基于CAS-10M傳感器的感應(yīng)式磁力儀應(yīng)用于子午工程二期項(xiàng)目站點(diǎn)觀測(cè)，捕獲地震電磁異常等信息[9]。于向前等[10]基于磁阻傳感器、巨磁感抗傳感器和線圈傳感器研制寬頻地磁波監(jiān)測(cè)儀，通過性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)頻率范圍0.1 mHz～10 kHz的波動(dòng)磁場(chǎng)探測(cè)的能力，并用于子午工程二期地磁監(jiān)測(cè)。

根據(jù)地震低頻電磁擾動(dòng)的觀測(cè)需求，研究人員對(duì)感應(yīng)式磁傳感器結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、信號(hào)處理電路等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[11-12]，并和數(shù)據(jù)采集器集成，研制了JSDC-1型地震電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，并開展相關(guān)測(cè)試和試驗(yàn)研究。本文闡述電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的組成、工作原理，分析數(shù)據(jù)的一致性，計(jì)算電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)的噪聲水平。結(jié)合電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀在江蘇連云港、鹽城、蘇州等電磁臺(tái)站的觀測(cè)資料，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證研制的低頻電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀用于臺(tái)站觀測(cè)的可行性。

1 電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀組成

JSDC-1型電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀主要由數(shù)據(jù)采集器和三分向感應(yīng)式磁傳感器組成（圖1）。感應(yīng)式磁傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)定律，將采集的交變磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。3根磁傳感器分別用于東西、南北和垂直方向正交布設(shè)，經(jīng)前置信號(hào)處理單元和集線盒，最后接入數(shù)據(jù)采集器。電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)的對(duì)象是磁場(chǎng)變化率，電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀記錄的南北向、東西向、垂直向磁感應(yīng)強(qiáng)度分別記為Bx、By和Bz。數(shù)據(jù)采集器對(duì)輸入的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，既支持觀測(cè)數(shù)據(jù)的本地保存，又支持網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。

數(shù)據(jù)采集器選用北京港震科技股份有限公司生產(chǎn)的EDAS-24GN型通用地震數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器的主要參數(shù)設(shè)置為：采樣率為100 Hz，量程為±10 V，線性相位，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為MiniSEED格式，輸出數(shù)據(jù)count值經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器的轉(zhuǎn)換因子換算成電壓值。

自主研發(fā)的感應(yīng)式磁傳感器主要參數(shù)為：傳感器長(zhǎng)度1000 mm，直徑70 mm；磁芯選用坡莫合金（1J85）；主線圈感應(yīng)線圈匝數(shù)90000，線徑0.19 mm，分段繞制；反饋線圈、標(biāo)定線圈匝數(shù)分別為54和11，線徑0.38 mm，骨架和外殼采用尼龍加工，外部采用防水套管封裝。關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)為：①靈敏度：優(yōu)于50 mV/nT（0.01～10 Hz）；②噪聲水平：小于0.2 pT/√Hz@1 Hz；③頻帶寬度：0.01～10 Hz平坦。

為了便于野外長(zhǎng)期觀測(cè)的運(yùn)維檢修，磁傳感器的前置信號(hào)處理單元采用外置形式。前置信號(hào)處理單元的作用是將磁傳感器微弱的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，采用斬波放大原理有效抑制了感應(yīng)線圈的輸出噪聲。此外，基于磁通負(fù)反饋的原理，使感應(yīng)線圈諧振頻率兩側(cè)具有平坦的幅頻特性曲線，拓寬了感應(yīng)式傳感器的響應(yīng)頻帶。集線盒連接3根磁傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)主信號(hào)線匯聚后接入數(shù)據(jù)采集器的傳感器采集通道，主信號(hào)線還為磁傳感器提供供電和標(biāo)定信號(hào)傳輸。

2 傳感器原理及性能測(cè)試

2.1 工作原理

磁感應(yīng)線圈在交變磁場(chǎng)中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e（t）和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系可表示為：

（1）

式中，N是線圈匝數(shù)，S是磁芯的截面積，μa表示磁芯的有效磁導(dǎo)率。

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B是角頻率為ω的正弦波時(shí)，線圈的等效電路如圖2所示，輸出電壓和磁感應(yīng)強(qiáng)度的傳遞函數(shù)可表示為：

（2）

式中，RL、C、LP分別是感應(yīng)線圈的電阻、分布電容和等效電感；Rf是反饋線圈的電阻；G是放大電路的增益；M為感應(yīng)線圈和反饋線圈之間的互感，二者完全耦合時(shí)。

因此，根據(jù)式（2）可以得出磁傳感器的幅頻特性、相頻特性，可以表示為：

（3）

（4）

根據(jù)式（3）和式（4）代入傳感器的主要參數(shù)，對(duì)幅頻、相頻特性進(jìn)行仿真分析（圖3）。通過采用磁通負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，感應(yīng)式磁傳感器輸出在諧振頻率處幅度平坦，改善了相位突變的問題。

2.2 靈敏度測(cè)試

靈敏度測(cè)試是將感應(yīng)式磁傳感器放在標(biāo)定螺線管中，其中標(biāo)定螺線管的電流-磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換系數(shù)已知，采用精密電流源輸出頻率可調(diào)的正弦波電流信號(hào)，根據(jù)輸入電流計(jì)算出標(biāo)定螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)測(cè)量感應(yīng)式磁傳感器的輸出電壓。計(jì)算給定頻率fi時(shí)磁傳感器靈敏度Si，可表示為：

（5）

式中，Ui是測(cè)量的輸出電壓，Ii是輸出電流，K表示標(biāo)定螺線管的電流-磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

靈敏度測(cè)試在電磁屏蔽室中進(jìn)行，標(biāo)定螺線管放在電磁屏蔽室內(nèi)，將感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器放入標(biāo)定螺線管中心位置（圖4）。為了降低環(huán)境對(duì)磁場(chǎng)干擾的影響，包括抑制工頻干擾，電磁屏蔽室外殼接地。精密電流源選用吉時(shí)利Keithley 6221，標(biāo)定螺線管的轉(zhuǎn)換系數(shù)為350 nT/mA，分別對(duì)無前置信號(hào)處理單元（測(cè)試頻率范圍0.01～1000 Hz）和有前置信號(hào)處理單元（測(cè)試頻率范圍0.001～30 Hz）時(shí)測(cè)量對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的輸出電壓。在測(cè)試過程中，精密電流源輸出電流大小根據(jù)被測(cè)磁傳感器的輸出電壓情況，選取適當(dāng)數(shù)量的頻率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，電流幅度峰峰值設(shè)置可選擇10、1 、0.5 mA等，使磁傳感器輸出電壓在量程范圍內(nèi)（圖5）。在不接前置放大器時(shí)，磁傳感器諧振頻率在135 Hz左右。接前置信號(hào)處理單元時(shí)，通過換算計(jì)算對(duì)應(yīng)的靈敏度，頻率在0.01～10 Hz 范圍內(nèi)，靈敏度為54 mV/nT。

2.3 一致性測(cè)試

為了研究磁傳感器的一致性，將3根感應(yīng)式磁傳感器平行布設(shè)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，接入數(shù)據(jù)采集器，分別記為ch1、ch2和ch3通道，磁傳感器間隔為2 m，連續(xù)觀測(cè)24 h。計(jì)算各個(gè)通道之間（ch1和ch2、ch1和ch3、ch2和ch3）每小時(shí)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)室位于南京軌道交通2號(hào)線沿線附近，周圍電磁場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，外部的磁場(chǎng)信號(hào)相當(dāng)于激勵(lì)信號(hào)，如圖6所示，相關(guān)系數(shù)均高于0.98，其中白天時(shí)段相關(guān)系數(shù)稍高于晚上。由此表明，觀測(cè)系統(tǒng)3根磁傳感器具有較好的一致性。其中，磁傳感器兩兩之間也存在較小差異，造成的因素可能包括磁傳感器加工制造誤差（骨架的尺寸誤差、線圈繞制方式等）、前置信號(hào)處理單元的放大倍數(shù)差異、測(cè)試布設(shè)的位置不同等。

2.4 噪聲水平測(cè)試

噪聲水平測(cè)試應(yīng)在零磁空間測(cè)試或是在性能優(yōu)良的磁屏蔽室，將感應(yīng)式磁傳感器的標(biāo)定線圈輸入端短路，采集傳感器輸出信號(hào)，取數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸出后的數(shù)據(jù)，計(jì)算其功率譜密度，再除以對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)的靈敏度，得到磁傳感器的自噪聲。由于噪聲測(cè)試對(duì)環(huán)境條件要求較為苛刻，為了研究如何將外界環(huán)境噪聲和傳感器本底噪聲有效分離，相關(guān)學(xué)者提出平行噪聲測(cè)試方法以及信號(hào)差分處理技術(shù)[13-14]。Sleeman等提出3臺(tái)地震計(jì)同址比測(cè)完成地震計(jì)自噪聲測(cè)試[15]，該方法在地震計(jì)自噪聲水平分析中得到了較好的應(yīng)用[16]。結(jié)合上述方法，在合適的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)試，取3個(gè)磁傳感器同一方向平行放置，假定觀測(cè)的背景電磁信號(hào)為同一信號(hào)源，傳感器自噪聲是隨機(jī)白噪聲，背景電磁信號(hào)和傳感器自噪聲互不相關(guān)。在時(shí)域上，傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)可表示為：

（6）

式中，i = 1，2，3，yi（t）和ni分別是第i個(gè)磁傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)和自噪聲；S（t）是背景電磁信號(hào)源。

根據(jù)上述公式，同時(shí)假設(shè)3個(gè)磁傳感器具有相同的頻響特性，且觀測(cè)環(huán)境在傳感器頻帶內(nèi)具有較高的信噪比，因此磁傳感器的自噪聲計(jì)算可表示為：

（7）

式中，i ≠ j ≠ k ，i，j，k = 1，2，3；Nii是第i個(gè)磁傳感器自噪聲功率譜密度；Pii是第i個(gè)磁傳感器記錄的背景電磁信號(hào)的自功率譜密度；Pji、Pik、 Pjk分別為不同磁傳感器兩兩之間記錄的背景電磁信號(hào)互功率譜密度。

選取平行觀測(cè)的數(shù)據(jù)樣本并對(duì)其進(jìn)行分段，每段樣本長(zhǎng)度262144個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（7）計(jì)算樣本的自功率譜密度和互功率譜密度。經(jīng)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果受測(cè)試場(chǎng)地環(huán)境、磁傳感器平行放置間距等因素影響，需要和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)照分析。當(dāng)平行放置間距為1.5 m時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖可知，噪聲水平為0.15 pT/√Hz@1 Hz，符合電磁擾動(dòng)觀測(cè)的技術(shù)要求。

3 設(shè)備安裝調(diào)試

電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集器安裝在臺(tái)站的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，感應(yīng)式磁傳感器安裝在觀測(cè)室外的磁坑內(nèi)，其中磁坑距離觀測(cè)室5 m以上。為了便于磁傳感器的安裝和日常運(yùn)維，在臺(tái)站觀測(cè)區(qū)域內(nèi)選擇合適的場(chǎng)地，如圖8所示，建2個(gè)正交的水平向磁坑和1個(gè)垂直向磁坑，磁坑之間間隔2 m以上。此外，需建檢查井用于安裝前置信號(hào)處理單元和集線盒。傳感器的信號(hào)線通過各磁坑預(yù)埋PVC管連接到檢查井，最終引入觀測(cè)室內(nèi)。同時(shí)，每個(gè)磁坑和檢查井的上部均需配備相應(yīng)尺寸的大理石蓋板進(jìn)行防護(hù)。

水平向磁坑內(nèi)側(cè)尺寸≥1500 mm×400 mm×500 mm（長(zhǎng)×寬×深）。水平向設(shè)有兩個(gè)亞克力支撐底座，底座上配有水平氣泡和黃銅材質(zhì)的地腳調(diào)節(jié)螺釘，用于調(diào)整磁傳感器的水平，通過激光筆調(diào)整兩個(gè)底座使之同一高度。安裝時(shí)，先通過羅盤確定正南北、正東西的方向，將磁傳感器放置到支撐底座上，確保定向誤差小于1°。定義磁傳感器上遠(yuǎn)離信號(hào)線端為正方向，水平向磁傳感器安裝的正方向分別為地理北和地理東。

垂直向磁坑采用直徑不小于150 mm，長(zhǎng)度不小于1500 mm的PVC管垂直地面埋設(shè)，其中PVC管封底，上部開口。通過水泥澆筑使得PVC管和周圍地面耦合。安裝時(shí)，垂直向磁傳感器通過尼龍材料的抱箍和拉線懸掛到銅棒，其中銅棒水平安裝在PVC管口處。垂直向磁傳感器的正方向垂直向下。

4 臺(tái)站觀測(cè)試驗(yàn)

4.1 臺(tái)站觀測(cè)日常數(shù)據(jù)

JSDC-1型電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀已在江蘇鹽城、蘇州、連云港等地震臺(tái)站安裝布設(shè)，開展試驗(yàn)研究，實(shí)時(shí)采集觀測(cè)數(shù)據(jù)。以連云港東海黑龍?zhí)兜卣鹋_(tái)為例，分析儀器采集的數(shù)據(jù)。取2024年6月13日白天（12：00—15：00）、夜晚（00：00—3：00）以及擾動(dòng)事件的事件段（21：00—次日00：00），每個(gè)時(shí)間段取連續(xù)3個(gè)小時(shí)，繪制原始時(shí)序波形，并計(jì)算功率譜密度（PSD），如圖9所示。時(shí)域上，觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄的地磁脈動(dòng)幅度為±0.25 nT。頻域上，信號(hào)分布在0.001～0.1 Hz幅值較大。白天高頻信號(hào)稍多于晚上時(shí)間段，幅值增大。對(duì)于產(chǎn)生干擾事件時(shí)，三分向通道受擾動(dòng)幅值不相同，時(shí)域和頻域上均有顯著的表現(xiàn)。

4.2 磁暴電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)

磁暴是由于太陽能量經(jīng)過行星際空間后，通過太陽風(fēng)和地球磁層相互作用所引起的短暫而強(qiáng)烈的擾動(dòng)。這些擾動(dòng)導(dǎo)致了地球磁層和電離層中電流系統(tǒng)的形成，進(jìn)而引起地面磁場(chǎng)的劇烈變化，具有全球性和同時(shí)性的特征。以2024年5月10—13日發(fā)生的超大地磁暴事件為例，峰值Dst= ?412 nT，Kp=9，Ap=271。取鹽城東臺(tái)弶港臺(tái)和大豐臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并和附近地磁臺(tái)站FHD質(zhì)子磁力儀進(jìn)行對(duì)比（圖10）。結(jié)果表明，電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀水平分向Bx和By受干擾明顯，擾動(dòng)幅度有±20 nT，垂直向Bz影響較小，影響的時(shí)間段和其他地磁儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)一致。分別取東臺(tái)弶港臺(tái)無磁暴影響和有磁暴影響的時(shí)間段觀測(cè)數(shù)據(jù)（圖11），并計(jì)算其功率譜密度，結(jié)果可知，在0.001～0.01 Hz頻段磁暴影響對(duì)水平向觀測(cè)影響顯著，水平分向By在0.004 Hz左右時(shí)能量最大，水平分向Bx在0.002 Hz附近能量最大。

4.3 城市軌道交通電磁干擾

吳江地震臺(tái)位于蘇州市吳江區(qū)同里鎮(zhèn)肖甸湖森林公園內(nèi)，距離蘇州軌道交通4號(hào)線15 km左右，地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間段為5：40—23：30。臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)從每日4：30至次日00：00，地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁信號(hào)對(duì)吳江地震臺(tái)電磁擾動(dòng)觀測(cè)影響顯著，擾動(dòng)幅度約為±10 nT（圖12）。分別取吳江地震臺(tái)地鐵非運(yùn)營(yíng)時(shí)間段和地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間段的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并計(jì)算其功率譜密度（圖13），結(jié)果顯示地鐵運(yùn)行對(duì)3個(gè)方向電磁擾動(dòng)觀測(cè)均有影響，水平方向上頻段在0.006～0.08 Hz左右干擾信號(hào)的能量較大。由此表明，一方面通過電磁擾動(dòng)觀測(cè)方法對(duì)電磁臺(tái)站勘選和建設(shè)提供依據(jù)；另一方面，加強(qiáng)電磁擾動(dòng)臺(tái)站抗干擾措施的研究，研制新技術(shù)新方法消除城市軌道交通對(duì)電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，提取出地震電磁擾動(dòng)的有效信號(hào)。

5 結(jié)論

借鑒大地電磁測(cè)深法的感應(yīng)式磁傳感器相關(guān)技術(shù)，結(jié)合磁通負(fù)反饋原理和斬波放大方法，在理論計(jì)算和仿真分析的基礎(chǔ)上，研制出以高磁導(dǎo)率坡莫合金為磁芯材料的感應(yīng)式磁傳感器，觀測(cè)頻帶向低頻段擴(kuò)展，提高傳感器的靈敏度，降低噪聲水平。采用成熟的數(shù)據(jù)采集器，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。為了便于臺(tái)站日常運(yùn)行維護(hù)，設(shè)計(jì)磁傳感器安裝固定方法，形成完整的地震低頻電磁擾動(dòng)觀測(cè)裝置系統(tǒng)。

對(duì)照地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)技術(shù)要求，測(cè)量?jī)x器的頻率范圍應(yīng)包含0.1～10 Hz，靈敏度不小于1 mV/nT（0.1～10 Hz），噪聲不大于0.003 nT/√Hz（0.1～10 Hz），采樣率不小于50次每秒。通過對(duì)自研的JSDC-1型電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀開展性能測(cè)試，磁傳感器在0.01～10 Hz頻率范圍內(nèi)的靈敏度優(yōu)于50 mV/nT，噪聲水平測(cè)試可達(dá)0.15 pT/√Hz@1 Hz，儀器采樣率100 Hz，可實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)，滿足地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)的需要。通過在臺(tái)站觀測(cè)試驗(yàn)，日常觀測(cè)可以清晰記錄到各種電磁擾動(dòng)事件，包括磁暴、城市軌道交通等對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的影響，驗(yàn)證了研制的地震低頻電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀用于臺(tái)站觀測(cè)的可行性。

下一步研究工作應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化裝置系統(tǒng)的性能指標(biāo)，包括拓展頻帶范圍、提高靈敏度和降低噪聲水平，深入開展儀器的室內(nèi)測(cè)試、野外對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。此外，對(duì)地震低頻電磁監(jiān)測(cè)儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，探索電磁擾動(dòng)信號(hào)與地震活動(dòng)的相關(guān)性。

參考文獻(xiàn)

[1]中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司. 地震電磁學(xué)理論基礎(chǔ)與觀測(cè)技術(shù)[M]. 北京：地震出版社，2010"Department of Earthquake Monitoring and Prediction，China Earthquake Administration. Earthquake electromagnetics theory basis and observation technology[M]. Beijing：Seismological Press，2010

[2]錢書清. 地震電磁輻射與地震預(yù)報(bào)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 國際地震動(dòng)態(tài)，2009（7）：57-62"Qian S Q. Observation and experiment research on seismological electromagnetic radiation and earthquake prediction[J]. Recent Developments in World Seismology，2009（7）：57-62

[3]趙國澤，陸建勛. 利用人工源超低頻電磁波監(jiān)測(cè)地震的試驗(yàn)與分析[J]. 中國工程科學(xué)，2003，5（10）：27-33"Zhao G Z，Lu J X. Monitoring amp; analysis of earthquake phenomena by artificial SLF waves[J]. Engineering Science，2003，5（10）：27-33

[4]雍珊珊，王新安，郭琴夢(mèng)，等. 基于AETA的電磁擾動(dòng)與地震的相關(guān)性分析[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，57（5）：841-851"Yong S S，Wang X A，Guo Q M，et al. Correlation analysis of electromagnetic disturbance and earthquakes based on AETA[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2021，57（5）：841-851

[5]邵英秋，王言章，程德福，等. 基于磁反饋的寬頻帶磁傳感器的研制[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（11）：2461-2466"Shao Y Q，Wang Y Z，Cheng D F，et al. Development of broad frequency band magnetic field sensor based on flux feedback[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2010，31（11）：2461-2466

[6]陳興朋，宋剛，周勝，等. 音頻大地電磁磁場(chǎng)傳感器的研制[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào)，2012，22（3）：922-927"Chen X P，Song G，Zhou S，et al. Development of magnetic sensor in audio-frequency magnetotelluric sounding[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2012，22（3）：922-927

[7]朱萬華，底青云，劉雷松，等. 基于磁通負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的高靈敏度感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器研制[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，2013，56（11）：3683-3689"Zhu W H，Di Q Y，Liu L S，et al. Development of search coil magnetometer based on magnetic flux negative feedback structure[J]. Chinese Journal of Geophysics，2013，56（11）：3683-3689

[8]何春舅，雍珊珊，王新安. AETA電磁擾動(dòng)傳感探頭系統(tǒng)集成與測(cè)試[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2020，34（4）：90-95"He C J，Yong S S，Wang X A. System integration and test of AETA electromagnetic disturbance sensing probe[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation，2020，34（4）：90-95

[9]王喜珍，馮志生，居海華，等. 子午工程二期感應(yīng)式磁力儀[J]. 地球與行星物理論評(píng)（中英文），2024，55（1）：31-36"Wang X Z，F(xiàn)eng Z S，Ju H H，et al. The induction magnetometer in the Phase II of Chinese Meridian Project[J]. Reviews of Geophysics and Planetary Physics，2024，55（1）：31-36

[10]于向前，和冬華，肖池階，等. 子午工程二期寬頻地磁波監(jiān)測(cè)儀研制[J]. 地球與行星物理論評(píng)（中英文），2024，55（1）：6-14"Yu X Q，He D H，Xiao C J，et al. Development of the wideband magnetic field wave monitor for the Phase II of Chinese Meridian Project[J]. Reviews of Geophysics and Planetary Physics，2024，55（1）：6-14

[11]盧永，張敏，王佳，等. 地震電磁擾動(dòng)感應(yīng)式磁傳感器研制[J]. 中國地震，2018，34（1）：150-156"Lu Y，Zhang M，Wang J，et al. Development of inductive magnetic sensor for earthquake electromagnetic disturbance[J]. Earthquake Research in China，2018，34（1）：150-156

[12]劉燕，盧永，劉靜，等. 基于磁負(fù)反饋及斬波放大的地震電磁擾動(dòng)感應(yīng)式磁傳感器的研制[J]. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，22（3）：14-18"Liu Y，Lu Y，Liu J，et al. Development of inductive magnetic sensor for earthquake electro-magnetic disturbance based on magnetic flux feedback and chopper amplifier[J]. Journal of Yangzhou University （Natural Science Edition），2019，22（3）：14-18

[13]Nichols E A，Morrison H F，Clarke J. Signals and noise in measurements of low-frequency geomagnetic fields[J]. Journal of Geophysical Research：Solid Earth，1988，93（B11）：13743-13754

[14]王勇，佴磊，牛建軍，等. 高靈敏度感應(yīng)式磁傳感器測(cè)試研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，2019，62（10）：3760-3771"Wang Y，Nai L，Niu J J，et al. Experimental study on high-sensitivity induction magnetometer[J]. Chinese Journal of Geophysics，2019，62（10）：3760-3771

[15]Sleeman R，Van Wettum A，Trampert J. Three-channel correlation analysis：A new technique to measure instrumental noise of digitizers and seismic sensors[J]. Bulletin of the Seismological Society of America，2006，96（1）：258-271

[16]李小軍，謝劍波，楊大克，等. 基于概率統(tǒng)計(jì)的甚寬頻帶地震計(jì)自噪聲水平分析[J]. 中國地震，2019，35（1）：38-52"Li X J，Xie J B，Yang D K，et al. Analysis for self-noise level of the very broadband seismometer using probability statistic[J]. Earthquake Research in China，2019，35（1）：38-52