動態車輛對地磁場干擾特征的定量研究

[摘要] 近年來地磁觀測臺站受高壓直流輸電、地鐵、車輛等干擾的情況越發嚴重，全國地磁秒采樣臺站中約有35個臺站遭受到車輛干擾，影響了地磁觀測數據的完整率和有效率。本文利用3臺GM4磁通門磁力儀在紅山地磁臺對不同類型車輛在不同方向、不同距離、不同速度下開展野外干擾試驗，分析地磁場水平分量H、垂直分量Z和磁偏角D的定量變化。結果表明，動態車輛行駛方位可由地磁偏角D分量變化形態判斷，在空間上動態車輛不同速度對地磁場的影響差異較小。初步建立了地磁場中車輛位置變化的數學模型，使用3臺磁通門磁力儀可反演地磁臺站產生干擾車輛行駛方向、行駛速度和相對觀測儀器位置變化。為地磁臺站識別車輛干擾影響提供參考依據。

[關鍵詞] 地磁場; 動態車輛; 干擾特征; 方位

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-075

基金項目： 中國地震局地震科技星火計劃項目（XH23006A）和河北省地震科技星火計劃項目（DZ2024112200012）聯合資助。

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，地磁觀測受到車輛、輕軌等的干擾越發嚴重，受到影響的地磁臺站數量也呈快速增加的態勢。據統計，全國地磁秒采樣臺站中約有35個臺站遭受到車輛干擾影響，占總數的65%[1]。車輛干擾對地磁各分量的影響程度不一，干擾形態各異，而且變化幅度較小，識別和處理難度較高。前人對車輛干擾的研究表明，車輛干擾在地磁觀測曲線上以尖峰形態或臺階形態出現，在GM4磁通門磁力儀三分量記錄曲線上不同分量的干擾形態也不一樣，有些干擾在三分量記錄曲線上同時出現臺階形態，有些只在垂直分量和水平分量記錄曲線上以臺階形態出現，在偏角記錄曲線上則以尖峰形態出現，也有的干擾在某一分量有明顯臺階突跳形態，而其他分量并無明顯反映，干擾形態和幅度的不同與車輛相對觀測儀器的位置有關。前人對車輛干擾的研究大多體現在觀測數據的變化形態上，以定性研究為主。也有一些學者給出了車輛行駛方向和地磁觀測數據之間的關系，但對于地磁臺站周邊行駛中車輛的位置與觀測數據變化之間的定量關系研究還比較少[2-6]。

有效的車輛干擾識別和處理方法可以提高地磁觀測數據的有效利用率，加強數據質量監控，為地磁臺站的選址提供依據[7]。本文旨在探索動態車輛對地磁場干擾的特征研究，給出動態車輛和觀測數據變化之間的定量關系，方便地磁觀測人員識別處理車輛干擾和開展科學研究。

1 地磁場中動態車輛檢測原理

地球本身是一個弱磁體，其磁場強度大小在一定范圍內可以認為是均勻分布的。當任何具有導磁能力的鐵磁性物質擾動時，該區域的磁場強度將會發生變化[8]。

車輛的各部件主要由鐵磁性物質構成，當車輛從地磁臺站周圍經過時，車輛的鐵磁性物體會使地磁場產生扭曲和畸變，這種變化的大小和方向可以被磁通門磁力儀記錄到。

根據《地磁測量與地磁臺站工作指南》中給出的理論公式：

（1）

式中，ΔB為鐵磁性物體產生的干擾磁場強度；M為鐵磁性物體的質量；k為鐵磁性物體的磁化率；B0為外磁場強度，即當地地磁場總強度F；d為鐵磁性物體的密度；s為鐵磁性物體幾何中心與地磁觀測點間的距離；N為鐵磁性物體的退磁因子[9]。

公式（1）是建立在以下3個假設基礎上的：一是當觀測儀器與車輛之間的距離遠大于車輛本身的尺寸時，我們假設車輛產生的磁場是一偶極子場；二是假設天然磁場、車輛的感應磁場和剩余磁場全部在同一個方向上；三是假設車輛的總磁化強度是感應磁化強度的2倍。

2 動態車輛對地磁場干擾的野外試驗方案

本次試驗地點選在紅山基準臺南部的東西向道路上，如圖1所示。試驗道路長325 m，試驗時間選在車輛稀少的晚上，測試道路上只有測試車輛在行駛，排除其他因素干擾。將兩臺測試儀器傳感器放置在測試道路邊的農田中，傳感器間的距離為5 m，自西向東分別標記為測試儀器1和測試儀器2。試驗車輛選擇小型車（速騰）和大型車（全順），詳細參數見表1，其中平均磁化率數據為使用磁化率儀測量車輛鐵磁性物質得出。將紅山臺內正式觀測的磁通門磁力儀作為參考儀器，參考儀器距測試道路120 m以上，試驗的兩種車輛在之前的實驗測試中不會對參考儀器的觀測數據產生干擾。

首先駕駛試驗車輛勻速自西向東行駛（圖1中A點至B點），到達B點后，再勻速自東向西行駛至A點。A點和B點處分別有工作人員記錄車輛出發和到達的時間，將試驗車輛的行駛時間與參考儀器、測試儀器的觀測數據的記錄時間對應起來，也可以根據路程和行駛時間計算出車輛行駛的實際速度。

通過試驗，得到兩種車輛自西向東行駛一組數據和自東向西行駛一組數據，共計有4組數據。

3 數據處理與結果分析

將參考儀器、測試儀器1和測試儀器2記錄到的數據分別設為c、d和e，對4組試驗數據進行以下處理：

（1）將測試儀器1和測試儀器2的觀測數據分別減去參考儀器同一時刻的數據，得到兩臺測試儀器受車輛干擾的數據，即Δd=d?c，Δe=e?c。

（2）將第一步得到的數據進行歸零處理，理論上車輛在起點和終點處對測試儀器的影響為零，以測試儀器1的數據處理為例，即

（2）

數據通過以上兩步處理后，就可以直觀的看出試驗車輛對測試儀器產生的干擾。圖2a和圖3a為兩種車輛經過測試儀器1處理后的數據，圖2b和圖3b為兩種車輛經過測試儀器2處理后的數據。其中，小型車西向和東向的行駛速度分別為5.0 m/s和7.3 m/s，大型車西向和東向的行駛速度分別為7.7 m/s和4.7 m/s。由圖2和圖3可見，能明顯反應車輛行駛方向的是D分量， H分量和Z分量對車輛行駛方向不敏感。在空間域上，不同的行駛速度對觀測數據的影響基本沒有差異。

由于試驗車輛在測試儀器較近時產生的干擾可達上千納特，將會嚴重壓制地磁場曲線的變化形態，圖2和圖3中車輛對地磁場的干擾在30～100 m階段被壓制為一條近乎為零的直線。為了能更明顯看出動態車輛對地磁場干擾初始階段的變化，圖4和圖5將展示觀測數據在±1之間的變化形態。

圖4a和圖5a為兩種車輛經過測試儀器1處理后的數據，圖4b和圖5b為兩種車輛經過測試儀器2處理后的數據。由圖4和圖5可以看出，小型車在距離測試儀器約50 m以內產生的地磁場干擾開始被記錄到，大型車在距離測試儀器約70 m以內產生的地磁場干擾開始被記錄到，且相同距離大型車比小型車產生的干擾幅度更大。由表1可知，小型車和大型車的平均磁化率一樣，大型車的質量要比小型車大，是造成上述現象的原因所在。在干擾的初始階段，D分量反應出車輛行駛方向的特征為：向西行駛曲線呈“凹”形，即觀測數據開始為下降變化，最后為上升變化；向東行駛曲線呈“凸”形，即觀測數據開始為上升變化，最后為下降變化。

在以上基礎上，本文進一步對數據進行處理。

（3）根據公式（1），將車輛幾何中心與測試儀器1和測試儀器2間的距離分別記作sd和se。我們將sd和se相比，即可推導出如下公式：

（3）

因為兩臺測試儀器間的距離為5 m，故而se=（sd+5），帶入式（3）中，得到：

（4）

根據公式（4），即可通過兩臺測試儀器記錄到的數據反演出測試車輛距離測試儀器1的理論距離。

數據經過上述處理后，可通過地磁D、H和Z分量分別反演出車輛理論位置和車輛實際位置，并進行繪圖（圖6和圖7）。本文試驗中測試車輛為勻速行駛，車輛的實際位置在圖中反映為一條直線。

由圖6和圖7可見，通過地磁D、H、Z分量分別反演出的理論車輛位置和實際車輛位置大體上是相符的。如果將反演出的車輛位置進行一階擬合，擬合出直線的斜率即為車輛的行駛速度，速度為正代表行駛方向向東，速度為負代表行駛方向向西。從數據的可靠性來看，小型車在距離觀測儀器大約30 m以內的數據才較為準確，大型車在距離觀測儀器大約50 m以內的數據才較為準確，車輛行駛速度越快可以進行反演的可靠數據就越少。從反演的準確性來看，通過地磁D分量和Z分量反演出的理論車輛位置和實際車輛位置最為接近。

4 討論

針對地磁觀測數據受車輛干擾的現象，本文通過理論公式推導和野外實驗，在紅山臺使用3臺GM4磁通門磁力儀對兩種車輛進行了試驗，從試驗數據的分析結果得出以下結論：

（1）兩種類型車輛在平均磁化率基本相當的情況下，車輛的質量越大，對地磁場產生的干擾越大，觀測數據受影響的幅度越大。本文試驗中，小型車在距離測試儀器約50 m開始產生影響，大型車在距離測試儀器約70 m開始產生影響。

（2）動態車輛的行駛方位可由地磁觀測數據D分量的變化形態來判斷。車輛由觀測儀器以東行駛至觀測儀器以西，數據曲線呈“凹”形；車輛由觀測儀器以西行駛至觀測儀器以東，數據曲線呈“凸”形。在空間域上，動態車輛的不同行駛速度對地磁場的影響基本沒有差異。

（3）使用3臺GM4磁通門磁力儀即可反演出對地磁臺站產生干擾車輛的行駛方向、行駛速度和相對觀測儀器的位置變化，反演出的車輛行駛速度為正則代表行駛方向向東、速度為負代表行駛方向向西，在距離觀測儀器一定距離以內反演出的車輛位置才較為準確，車輛的磁化率和質量越大反演距離也就越遠。相對而言，通過地磁D分量和Z分量反演出的車輛位置更為接近車輛的實際位置。

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