都蘭地磁臺FHD-2B磁力儀觀測數(shù)據(jù)干擾分析

盧嘉沁，趙玉紅

(青海省地震局，青海 西寧 810001)

0 引 言

隨著地震科技水平的日益提高，地震觀測逐步走向數(shù)字化，高精度、大動(dòng)態(tài)的觀測數(shù)據(jù)在地震科研和預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著“九五”項(xiàng)目的實(shí)施，中國地震局開始了規(guī)范化的地磁觀測。“十五”項(xiàng)目期間江蘇省地震局研制出智能化分量質(zhì)子磁力儀，即FHD質(zhì)子磁力儀，具有數(shù)字化程度高和觀測精度高的特點(diǎn)。FHD經(jīng)過不斷地改進(jìn)，先進(jìn)的FHD-2B磁力儀已在全國近百個(gè)臺站投入觀測。FHD-2B質(zhì)子磁力儀實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化控制，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽儀器網(wǎng)頁、監(jiān)視儀器的運(yùn)行狀態(tài)、下載數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)儀器重啟等。

地磁信號具有頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大和容易遭受很強(qiáng)的其他因素產(chǎn)生的干擾等特點(diǎn)，這些是地磁觀測技術(shù)需要考慮或逐步解決的基本問題[2]。干擾使得觀測數(shù)據(jù)精度降低，對觀測資料造成很多大的影響，故在日常觀測中對各種干擾的識別尤為重要。本文選取2015年1月～2018年12月的觀測數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)觀測環(huán)境因素、觀測系統(tǒng)影響及人為干擾等各類干擾情況，分析各類干擾對地磁觀測數(shù)據(jù)的影響特征，總結(jié)得出都蘭地震臺地磁FHD觀測數(shù)據(jù)的干擾因素及干擾特征，并提出各類干擾的應(yīng)對措施，以提高數(shù)據(jù)的觀測質(zhì)量。

1 都蘭臺FHD-2B質(zhì)子磁力儀的概況

1.1 臺站觀測環(huán)境

都蘭地磁臺位于青海省海西蒙古族藏族自治州都蘭縣，屬國家Ⅱ類臺，海拔3 198米 m。臺站所在位置屬昆侖褶皺系所屬二級構(gòu)造單元—東昆侖褶皺帶之北緣，其北緣以深斷裂帶與祁連褶皺系相隔，而西接柴達(dá)木地塊，故地勢西高東低，山間常發(fā)育小型盆地。觀測環(huán)境周邊無鐵路、金屬管線等，無產(chǎn)生工業(yè)游散電流的干擾源。

1.2 地磁觀測概況

都蘭地磁臺觀測室于2007年建成，質(zhì)子磁力儀(FHD-2B)數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量良好。由于2013年起受高速公路影響，前兆觀測場地于2014年11月10日整體搬遷至東山根(都蘭縣上莊村二隊(duì))，搬遷后前兆觀測場地距離臺站4 km，質(zhì)子磁力儀與地電場儀也隨之搬遷。同時(shí)，在該觀測場地架設(shè)三套地磁秒數(shù)據(jù)儀器[GM4-xl(6)、GM4-xl(7)和overhauser]，地磁觀測場地200 m范圍內(nèi)磁場梯度小于1.0 nT/m，電磁環(huán)境干擾背景≤0.1 nT,靜態(tài)磁場干擾≤0.5 nT，符合地磁觀測要求。地磁觀測室均由石英砂建成，無磁性，從而減少了干擾。FHD-2B的探頭、線圈與數(shù)采安裝在不同的地磁觀測室，信號線通過地埋方式連接到數(shù)采，兩者相距85 m。FHD-2B測量范圍(20 000～70 000)nT，分辨率總長F為0.1 nT，分量H(或Z)為0.1 nT，磁偏角D為0.01′。2014年11月10日搬遷后，觀測曲線與湟源臺觀測曲線一致，本文選取了2016年1～12月同期觀測曲線(圖1)。

圖1 都蘭臺、湟源臺FHD-2B正常記錄曲線(2016-01-01～2016-12-31)

2 干擾的分析識別與解決辦法

2.1 工作參數(shù)偏離的影響

FHD-2B分量質(zhì)子磁力儀是利用質(zhì)子旋進(jìn)原理測量地磁場強(qiáng)度的。在該測量系統(tǒng)中，探頭是感性元件，經(jīng)磁化后將產(chǎn)生與質(zhì)子旋進(jìn)頻率相同的感應(yīng)電動(dòng)勢，測出該頻率信號后，經(jīng)過計(jì)算便可得到相應(yīng)的磁場強(qiáng)度。要測量出該頻率信號，就要對該頻率信號進(jìn)行選頻，F(xiàn)HD-2B分量質(zhì)子磁力儀是利用LC并聯(lián)諧振回路進(jìn)行選頻測量的，根據(jù)諧振公式：

(1)

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

FHD-2B的調(diào)諧參數(shù)在設(shè)定以后，儀器將根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行調(diào)諧測量，測量結(jié)果如果與設(shè)定值或上一次測量結(jié)果相差不超過±100 nT，將自動(dòng)跟蹤存入調(diào)諧值存儲單元，作為下一次測量選頻的參考值，反之則不作跟蹤，始終以存儲單元中存儲的調(diào)諧值進(jìn)行調(diào)諧測量。如果存儲單元中存儲的調(diào)諧參數(shù)與需要的調(diào)諧參數(shù)相差較多，調(diào)諧的共振頻率將較多地偏離實(shí)際需要的共振頻率，造成頻率特性降低從而產(chǎn)生較大的測量誤差，使數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)毛刺、突跳、線條變粗的現(xiàn)象[3]。并且分量質(zhì)子磁力儀是利用核子共振的方式進(jìn)行信號采集的，只要這些參數(shù)中有一個(gè)參數(shù)產(chǎn)生較嚴(yán)重的偏離，那么就使信號選頻電路采集到信號變?nèi)?，也?huì)使得觀測數(shù)據(jù)的曲線出現(xiàn)噪聲變大、線條變粗的情況發(fā)生。

圖2(a)為2015年8月29日都蘭地磁臺FHD-2B分鐘值曲線圖，全天數(shù)據(jù)無正常曲線形態(tài)，大幅突跳后各分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)恒值現(xiàn)象，通過網(wǎng)頁查看儀器參數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)總場調(diào)諧值原始參數(shù)值為53 817.7 nT，實(shí)時(shí)參數(shù)變?yōu)?5 297.9 nT，相差1 480.2 nT；水平磁場調(diào)諧值原始參數(shù)為30 247.0 nT實(shí)時(shí)參數(shù)為31 265.4 nT，相差1 018.4 nT，恢復(fù)缺省參數(shù)后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，如圖2(b)所示。故要保證儀器能夠正常的運(yùn)行，一定要保證儀器的的調(diào)諧值、補(bǔ)償電流值、探頭方向以及觀測方位角等各種參數(shù)的正確性。

圖2 都蘭臺FHD-2B受干擾前后分鐘值曲線

2.2 線路松動(dòng)

2017年5月8日三分量均出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，總場強(qiáng)度F則降為0 nT，如圖2(c)。及時(shí)巡視了觀測場地未發(fā)現(xiàn)場地環(huán)境及人為干擾，經(jīng)與多臺其他地磁儀器數(shù)據(jù)對比分析最終確定為數(shù)采自身觀測系統(tǒng)故障，分段排查后發(fā)現(xiàn)數(shù)采中一組數(shù)據(jù)線接觸不良。解決辦法為對數(shù)據(jù)線接頭做加固處理。

2.3 交流電磁的影響

交流電磁干擾的影響對FHD質(zhì)子磁力儀的干擾影響很大，這些影響會(huì)使觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)線條變粗，記錄數(shù)據(jù)突跳等現(xiàn)象[4]。目前大多數(shù)臺站的FHD磁力儀都會(huì)受到此類干擾的影響，嚴(yán)重的將影響工作參數(shù)丟失，造成數(shù)字化選頻與自動(dòng)跟蹤測量的失敗，使儀器不能產(chǎn)生有效的數(shù)據(jù)。交流電磁干擾主要來源于儀器與儀器之間，線路與線路之間，當(dāng)距離近時(shí)會(huì)相互引起電磁干擾，影響觀測數(shù)據(jù)的精度。未凈化的交流電中存在高頻率的電磁諧波，進(jìn)入儀器電源后疊加于觀測數(shù)據(jù)，使得儀器背景噪音增大。如圖3(a)所示是都蘭臺2015年8月22日FHD質(zhì)子磁力儀數(shù)據(jù)受交流電磁影響的曲線圖，三分量出現(xiàn)不同程度的突跳，致使數(shù)據(jù)曲線無正常形態(tài)。

為避開交流電磁干擾對FHD質(zhì)子磁力儀觀測的影響，根據(jù)不同干擾途徑，可采取如下措施加以解決。

(1)環(huán)境電磁干擾：嚴(yán)格按照地磁臺站建設(shè)規(guī)范進(jìn)行勘選、建設(shè)；

(2)地磁房中電磁干擾：避免形成環(huán)狀電路，在向磁房供電的地方安裝閘刀；

(3)信號線耦合的交流電磁干擾：信號線避開平行的交流電線，避開和其它線路同埋在一個(gè)地溝，信號線要與交流電線或其它線路從不同的方向進(jìn)入儀器室；

(4)儀器集成產(chǎn)生的電磁干擾：將供電線與信號線分開走線，儀器的接地一定要良好；

(5)電源耦合造成的電磁干擾：通過交流凈化電源或在線式UPS進(jìn)行凈化，接地要良好[5]。

都蘭臺工作人員在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常后即刻至觀測室巡檢，發(fā)現(xiàn)原本掛在墻上的數(shù)據(jù)線掉于地面并與放置在地面的信號線重合，立即將數(shù)據(jù)線與信號線分隔開，數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)正常，如圖3(b)所示。

圖3 都蘭臺FHD-2B交流電磁影響前后分鐘值曲線

2.4 信號線長度的影響

在FHD-2B觀測系統(tǒng)中，連接探頭和儀器間的信號線還存在一定分布電容和線阻，若信號線較短，可忽略線阻和分布電容對選頻的影響；若信號線較長，信號線中存在的分布電容和電阻就較大，會(huì)對FHD質(zhì)子磁力儀選頻特性產(chǎn)生一定的影響，造成選頻中心頻率偏移并降低信噪比；信號線較長、信號線電阻較大時(shí)，會(huì)衰減儀器的信號強(qiáng)度，造成測量數(shù)據(jù)噪聲增大。此外，信號線較長易受到交流電磁耦合干擾，造成數(shù)據(jù)噪聲增大。

為解決信號線長度造成的噪聲干擾，F(xiàn)HD-2B提供信號線分布電容修正功能，根據(jù)信號線長短不同，進(jìn)行分布電容修正，從而選頻更加精確；廠家發(fā)現(xiàn)信號線較長，也會(huì)適當(dāng)提高探頭的激化電壓，調(diào)整儀器信號放大倍數(shù)，從而提高信噪比。若改變信號線長度，信號放大倍數(shù)與分布電容修正值作相應(yīng)調(diào)整，否則選頻特性將發(fā)生改變，偏離較大時(shí)會(huì)使磁場測量精度降低。要保證測量精度，最好將信號線控制在50 m以內(nèi)[6]。

都蘭地磁臺FHD-2B質(zhì)子磁力儀觀測系統(tǒng)中，儀器探頭與儀器數(shù)采位于兩間觀測室內(nèi)，信號線通過地埋方式連接，長約85 m，信號線過長導(dǎo)致觀測曲線較粗，D分項(xiàng)尤為明顯，降低了儀器精度，如圖4。

圖4 都蘭臺FHD-2B受信號線長度影響分鐘值曲線

2.5 人為干擾

人為干擾是指人的活動(dòng)造成的記錄干擾(此處特指除高壓直流輸電、地電阻率觀測、車輛、基建工程、交直流切換、工廠運(yùn)行、地鐵輕軌影響外的人為干擾)，主要為操作不規(guī)范，人為攜帶小型具有鐵磁性物件靠近記錄探頭所造成的，表現(xiàn)為各分量出現(xiàn)短時(shí)間、高頻、大幅度的變化曲線。

都蘭臺FHD-2B人為干擾主要來自攜帶磁性物件進(jìn)入觀測室。如：①2016年10月3日由于工作人員在巡檢儀器時(shí)攜帶了鑰匙，H、D分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)尖峰，且持續(xù)時(shí)間較短，但對總場F分量影響不明顯，如圖5(a)所示，故預(yù)處理對H、D分量做剔除尖峰處理。②2017年02月27日由于檢查儀器時(shí)攜帶手機(jī)，導(dǎo)致三分向均出現(xiàn)向上的臺階，且變化幅度較大，如圖5(b)所示，預(yù)處理對三分量做了去臺階處理。③2018年01月14日由于巡檢儀器將手電筒帶入觀測室，導(dǎo)致三分量出現(xiàn)脈沖，如圖5(c)所示，預(yù)處理做剔除尖峰和去除臺階處理。具體干擾情況如表1所示。

表1 都蘭臺FHD-2B觀測數(shù)據(jù)受人為干擾情況

圖5 都蘭臺FHD-2B受人為干擾分鐘值曲線

3 結(jié) 論

通過對都蘭地震臺磁力儀近幾年的觀測資料干擾因素進(jìn)行分析，可得出如下認(rèn)識：

①都蘭臺FHD質(zhì)子磁力儀觀測過程中的干擾主要來自觀測系統(tǒng)自身的影響造成的干擾及人為干擾。

②都蘭臺FHD質(zhì)子磁力儀在觀測過程中多數(shù)干擾的表現(xiàn)形式均為數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳、臺階及觀測曲線線條變粗等。地磁觀測中的干擾識別分析和排查是一個(gè)不斷探索和積累經(jīng)驗(yàn)的過程，準(zhǔn)確識別并及時(shí)排除各類干擾對提取有用的地震前兆信息有很大的幫助。

③對于觀測系統(tǒng)引起的干擾，應(yīng)時(shí)刻注意儀器的運(yùn)行情況，隨時(shí)通過網(wǎng)頁查看儀器參數(shù)等，對于交流電磁引起的干擾可采取分隔數(shù)據(jù)線與信號線等方法解決；對于信號線過長引起的干擾可采取縮短信號線等措施；對于人為干擾，在平常巡檢儀器過程中盡可能不攜帶金屬物品等帶有磁性的物品到觀測室內(nèi),并且避免車輛等靠近觀測室。