彭澎　孫煜杰　張榮杉　張朋　夏忠

摘要針對宿遷臺 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測數(shù)據(jù)從2020年4月28日出現(xiàn)噪聲增大問題，我們通過對儀器參數(shù)設(shè)置、觀測環(huán)境、觀測儀器、運行狀況分類逐一進行檢查、排查與分析，確認(rèn) FHD 儀器主機發(fā)生故障。故障原因為儀器補償電流電路中的電容器件老化被擊穿，檢修更換器件得以解決。經(jīng)檢修后，該儀器觀測數(shù)據(jù)磁偏角 D 、水平分量 H 和垂直分量 Z 的計算平均噪聲由故障時的1.19′、1.45 nT、1.58 nT降低為0.82′、0.32 nT、0.50 nT，各分量噪聲水平獲得了明顯的改善。通過對地磁儀器和外部觀測環(huán)境問題的分類檢查、檢測與判斷，并對查明引起數(shù)據(jù)噪聲增大原因歸類總結(jié)，為地磁臺站查找分析數(shù)據(jù)噪聲變大主要原因提供一種科學(xué)有效的檢測方法。

關(guān)鍵詞地磁觀測；FHD 儀器；數(shù)據(jù)噪聲；故障分析

中圖分類號： P315.62文獻標(biāo)識碼： A文章編號：2096-7780（2023）04-0153-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-059

Noise fault analysis ofFHD proton vector magnetometer： Taking Suqian geomagnetic station as an example

Peng Peng，Sun Yujie，Zhang Rongshan，Zhang Peng，Xia Zhong

（Suqian Seismic Monitoring Center Station， Jiangsu Suqian 223800， China）

AbstractIn this paper we analyzed the increased noise in the observation data ofFHD proton vector magnetometer at Suqian station from April 28，2020. After we checked and analyzed the instrument parameter settings，observation environment，instrument and operation conditions，the failure of FHD instrument is confirmed. The capacitor in the instrument compensation current circuit was broken down due to aging，and we solved the problem by replacing the faulty capacitor. After the repairmen，the calculated background noise of magnetic declination D，horizontal component Hand vertical component Z decreased from 1.19′，1.45 nT，1.58 nT to 0.82′，0.32 nT，0.50 nT，and the noise quality of each component had been significantly improved. Through the inspection，detection and judgment of geomagnetic instruments and external observation environmental problems，we summarize the reasons for the noise fault. This paper provides a scientific and effective detection method for geomagnetic stations to find and analyze the main reason for thedata noise problems.

Keywordsgeomagnetic observation; FHD instrument; data noise; failure analysis

引言

宿遷地震臺地磁數(shù)據(jù)從2020年4月28日下午開始，出現(xiàn)磁偏角 D 數(shù)據(jù)噪聲明顯變大現(xiàn)象，4月 30日水平分量 H 與垂直分量 Z 數(shù)據(jù)噪聲也開始變大，嚴(yán)重影響到了宿遷臺地磁觀測資料質(zhì)量和在震情會商中的數(shù)據(jù)應(yīng)用。為快速查明原因、排除故障、降低數(shù)據(jù)噪聲，臺站采取查看儀器設(shè)置參數(shù)、檢測儀器狀況、觀察磁房周邊觀測環(huán)境、測量交直流供電及信號線路、檢查傳感器線圈及探頭安裝方位角和測試接地電阻等環(huán)節(jié)，逐一進行分析、判斷，最后確認(rèn)是 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀補償電流電路中的電容器件老化漏電所致，經(jīng)更換電容器件，臺站 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測數(shù)據(jù)噪聲恢復(fù)正常。

1 宿遷臺地磁環(huán)境和儀器簡介

宿遷地震臺位于宿遷市嶂山森林公園內(nèi)（圖1），地處馬陵山郯廬大斷裂帶 F1和 F2斷層之間，海拔高度66.9 m，臺基為上白堊統(tǒng)王氏組紫紅色礫巖，土層覆蓋較淺。臺站對監(jiān)測郯廬斷裂帶中南端及我省蘇中、蘇北地區(qū)的中、小地震活動具有重要意義。

宿遷地震臺地磁觀測系統(tǒng)于2012年12月入網(wǎng)投入觀測，配置 FHD-2B 型質(zhì)子矢量磁力儀及傳感器線圈、探頭。原始數(shù)據(jù)主要有地磁準(zhǔn)絕對觀測總場強度 F、水平分量 H 和相對觀測磁偏角 D 的變化量，然后計算出地磁垂直分量 Z 分鐘數(shù)據(jù)值。采樣率為分鐘值，分辨率＜0.1 nT，測量范圍20000—70000 nT。主機、探頭和線圈均安裝在地磁觀測室內(nèi)，相距 20 m，供電線路和信號線路采用平行方式連接。地磁儀器墩坐落在王氏組底部的紫紅色礫巖上，臺基較穩(wěn)定。臺站西北約400 m 處有曉店110 kV 變電所，東側(cè)300 m處是30 kV 高壓線，但這些對觀測數(shù)據(jù)影響都較小，正常條件下，觀測場測量地磁平均梯度＜2 nT/m。自地磁觀測系統(tǒng)投入觀測運行以來，為臺站地磁觀測和數(shù)據(jù)分析研究提供了準(zhǔn)確、可靠、連續(xù)、可信、完整的地磁資料。觀測儀器設(shè)備基本信息

2 宿遷臺地磁背景噪聲

自2012年12月 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀投入運行以來，宿遷臺地磁觀測環(huán)境保護工作做得較好，儀器運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，在全國與江蘇省地磁監(jiān)測資料評比中多次獲得前三名的好成績，在省、市局震情會商資料應(yīng)用中也發(fā)揮了較好的作用。

地磁數(shù)據(jù)背景噪聲是判斷觀測資料質(zhì)量的一個重要依據(jù)。因此，定期地選擇特定時段，計算臺站地磁觀測4分量在相應(yīng)時段的數(shù)據(jù)噪聲來評價數(shù)據(jù)質(zhì)量是臺站一項重要的基礎(chǔ)性工作（表2）。宿遷臺 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀在2020年1—4月期間突然出現(xiàn)數(shù)據(jù)噪聲相對臺網(wǎng)背景噪聲略有增大現(xiàn)象，經(jīng)初步計算分析可能是儀器主機開始老化原因，但地磁背景觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量是合格的，計算參數(shù)值也符合要求。

但從2020年5月開始，宿遷臺地磁儀器數(shù)據(jù)噪聲除了總場 F 正常外，其他數(shù)據(jù)噪聲出現(xiàn)明顯變大情況，其中水平分量 H 數(shù)據(jù)噪聲和垂直分量 Z 數(shù)據(jù)噪聲較歷史數(shù)據(jù)噪聲增大3倍以上，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯下降。

3 宿遷臺地磁噪聲問題的解決過程

從2020年4月28日開始，宿遷臺地磁儀器磁偏角 D 記錄數(shù)據(jù)就出現(xiàn)毛刺增大情況，計算一階差分值明顯變大；到4月30日，除總場 F 數(shù)據(jù)正常，其他各分量噪聲變大，造成水平分量 H、垂直分量 Z 數(shù)據(jù)不可用；各測項由于干擾造成計算平均噪聲值（表2）出現(xiàn) D、H、Z 三分量數(shù)據(jù)噪聲都明顯變大情況：由故障前的0.71′、0.42 nT、0.4 nT變大為故障時的1.19′、1.45 nT、1.58 nT。

地磁場活動在特選時段的變化相對緩慢，觀測數(shù)據(jù)的一階差分相當(dāng)于噪聲數(shù)據(jù)的峰值，因此，可用數(shù)據(jù)的一階差分來表征噪聲水平[1]。圖2為宿遷臺噪聲故障出現(xiàn)前后 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測各分量一階差分曲線，可以看出，出現(xiàn)故障后地磁數(shù)據(jù)噪聲明顯變大。

為了準(zhǔn)確分析判斷宿遷臺地磁觀測背景噪聲變大、曲線變粗的原因，臺站開始逐一檢查儀器參數(shù)設(shè)置、儀器運行狀態(tài)、地磁房室內(nèi)及周邊觀測環(huán)境、測試儀器交直流供電及信號線路、傳感器線圈及探頭安裝方位角、檢測接地電阻值等。

3.1 具體檢查步驟

3.1.1 儀器參數(shù)檢查

通過網(wǎng)頁登錄調(diào)取 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀設(shè)置參數(shù)，確認(rèn)儀器調(diào)諧值是否正常。

參考背景噪聲存在季節(jié)變化特征，夏季高而冬季低[2]。因時間正處春末夏初，為排除溫度變化原因造成噪聲變大，多次調(diào)整儀器探頭電感量，數(shù)據(jù)質(zhì)量無改善，排除儀器設(shè)置參數(shù)和環(huán)境溫度變化影響。

3.1.2 觀測環(huán)境檢查

通過調(diào)取臺站監(jiān)控錄像，反復(fù)察看儀器噪聲變化時段觀測環(huán)境狀態(tài)。分析數(shù)據(jù)噪聲變大原因時，對臺站周邊鐵磁性物質(zhì)、線路接觸不良進行調(diào)試檢查，排除觀測場地環(huán)境變化引起儀器噪聲變大因素。

江蘇境內(nèi)共有12個地磁臺：南京、高淳、無錫、溧陽、海安、高郵、淮安、連云港、新沂、宿遷、鹽城和大豐，圖1是江蘇地磁臺站分布情況。臺站地磁觀測儀器均為質(zhì)子旋進磁力儀（ FHD-2B），數(shù)據(jù)采樣率為分鐘值。從2003年起，江蘇省地磁觀測就受到了高壓直流輸電的影響[3]。2020年4月28日噪聲增大現(xiàn)象出現(xiàn)前的5日內(nèi)，都未受到外界高壓直流輸電干擾，因此，初步判定宿遷臺地磁數(shù)據(jù)噪聲變化與外界高壓直流輸電干擾無關(guān)。

3.1.3 探頭觀測方位角檢查

接入外接電池盒，觀察儀器傳感器線圈與探頭觀測方位角改變是否影響數(shù)據(jù)噪聲，確認(rèn)儀器觀測方位角變化對數(shù)據(jù)噪聲增大無影響。

3.1.4 線路整理及接地電阻檢查

進行儀器觀測室內(nèi)部線路整理。將儀器主機到探頭的信號線與電源線盡量分開。并仔細(xì)檢查和梳理儀器主機后面板連接信號線、補償電流輸出線、偏置電流輸出線、電源線、信號線、接地線，確認(rèn)相互不交叉。各類線頭接入儀器部分重接擰緊，排除接觸不良造成噪聲變大情況。

采用 ZC29B-2型接地電阻儀對儀器接地情況進行檢測，檢測結(jié)果接地電阻2.2Ω ， 符合規(guī)范要求。

各類線路經(jīng)整理后，磁偏角 D 數(shù)據(jù)噪聲有明顯改善，證明線路中存在有工頻信號干擾，但水平分量 H、垂直分量 Z 數(shù)據(jù)噪聲沒有改善（圖3）。

3.1.5 遠(yuǎn)程指導(dǎo)下更換電容元件

在排除儀器設(shè)置參數(shù)、觀測環(huán)境、交直流供電及信號線路、傳感器方位角、接地電阻等故障原因無果的情況下，臺站遠(yuǎn)程求助了省局 FHD 儀器專家。根據(jù)宿遷臺前面逐一排障過程分析，結(jié)合宿遷臺數(shù)據(jù)噪聲問題是總場正常而水平分量和磁偏角數(shù)據(jù)不正常的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，初步判斷 FHD 儀器主機存在故障。

通過遠(yuǎn)程視頻的方式獲悉儀器運行狀態(tài)前面板的指示燈狀態(tài)和信號處理單元電路板的狀態(tài)，最終確認(rèn)儀器補償電流電路中一個電解電容器件被擊穿從而出現(xiàn)漏電故障。通過更換相應(yīng)的電容器件，并確認(rèn)電容正負(fù)極無誤，重新安裝儀器上位機并恢復(fù)供電。

FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀采用數(shù)字化選頻與自動跟蹤技術(shù)，在進行水平分量 H 的測量和計算磁偏角 D 時，需要主機提供補償電流為赫姆霍茨線圈產(chǎn)生補償磁場。儀器補償電流電路電容器件故障會導(dǎo)致自動選頻的調(diào)諧值參數(shù)和實際測量的磁場相差較大，進而導(dǎo)致測量精度下降。在更換故障電容后，再次檢查儀器面板補償電流輸出情況，確認(rèn)儀器輸出補償電流與參數(shù)設(shè)置的電流值一致，故障得到排除。

3.2 維修結(jié)果驗證

儀器檢修完畢開機進行數(shù)據(jù)觀測，需要驗證維修結(jié)果的正確性。根據(jù)地磁學(xué)科記錄數(shù)據(jù)噪聲計算公式如下：

式中，S 表示某分量記錄數(shù)據(jù)的一階差分的絕對值； C 表示相應(yīng)一階差分絕對值出現(xiàn)的頻度（即各個一階差分值出現(xiàn)次數(shù)/總數(shù)）；n 為滿足某個絕對值頻度大于80%所對應(yīng)的數(shù)值。

出現(xiàn)故障時，計算各測項干擾平均噪聲值為： D（故障時）1.19′，H（故障時）1.45 nT，Z（故障時）1.58 nT。

經(jīng)檢修后，計算各測項的平均噪聲值為：D（維修后）0.82′，H（維修后）0.32 nT，Z（維修后）0.50 nT，各分量噪聲水平得到明顯改善。雖然，平均噪聲值仍高于故障前平均噪聲水平，但儀器穩(wěn)定運行一段時間（一星期）后，再觀察記錄數(shù)據(jù)和噪聲計算分析，數(shù)據(jù)正常，確認(rèn)儀器運行恢復(fù)正常。

4 思考與結(jié)論

宿遷臺 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測數(shù)據(jù)噪聲變大因儀器故障導(dǎo)致，最后在省局儀器專家的遠(yuǎn)程指導(dǎo)下解決，前期檢查花費時間較多，以致造成地磁數(shù)據(jù)較長一段時間不可用，使臺站地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量和分析預(yù)報研究工作受到較大影響。顯然，盡快提高臺站儀器運維水平十分必要，因此，很有必要對這次儀器維修進行認(rèn)真總結(jié)和提高認(rèn)知。

為此，我們歸類總結(jié)了 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測數(shù)據(jù)噪聲問題及一般排查解決方法，并列表如下（表3）。

宿遷臺地磁數(shù)據(jù)噪聲前期問題主要是總場正常，而其他測項不正常；如能通過計算數(shù)據(jù)變化迅速判斷數(shù)據(jù)異常表現(xiàn)，分析原因，尋求解決辦法，這樣可以大幅縮短排查故障時間，提高臺站觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率。

目前，全國地球物理監(jiān)測臺網(wǎng)運行 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀有近百套，大部分運行時間已有10年左右，積累了大量的觀測數(shù)據(jù)[4]，為我國的地震分析預(yù)報研究和地球磁場科學(xué)研究發(fā)揮了積極作用，但數(shù)據(jù)噪聲問題也在逐年增多。造成噪聲變大的原因有觀測系統(tǒng)問題也有外部觀測環(huán)境變化問題。地磁臺站業(yè)務(wù)人員亟待了解不同干擾類型在實際觀測數(shù)據(jù)中的具體表現(xiàn)，以提高儀器與數(shù)據(jù)故障排查效率。

通過對江蘇地區(qū)12個地磁臺站2014年12月— 2022年4月儀器故障歸類總結(jié)，經(jīng)統(tǒng)計，維修儀器共計61次，其中采用重啟儀器和調(diào)整儀器參數(shù)排除故障24次，更換電路老化器件解決故障28次，更換儀器主機8次。在維修更換電路老化器件中，有存儲卡出現(xiàn)故障13次，主機內(nèi)部電源故障4次，探頭及線圈故障3次，通信單元故障3次，補償電路故障3次。初步估計，平均每個臺站每兩年可能遇到儀器故障1次，但有80%的故障可以通過重啟、調(diào)整儀器參數(shù)和更換部分元器件解決。地磁臺可以根據(jù)常見故障分類，備份如存儲卡、主機內(nèi)部電源等出現(xiàn)故障頻率較高的元器件。只要能夠準(zhǔn)確判斷故障點，大部分故障可以在廠家或?qū)＜壹夹g(shù)指導(dǎo)下解決，有效縮短維修時間，從而提高臺站觀測資料的連續(xù)率[5-6]。

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