磁通门磁力仪探头定向角度与准确度标定分析

张 敏杨福喜张文来许秋龙刘贤伦王喜珍

1）中国乌鲁木齐830011新疆维吾尔自治区地震局

2）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

3）中国北京100190中国科学院空间天气学国家重点实验室

磁通门磁力仪探头定向角度与准确度标定分析

张 敏1）杨福喜1）张文来1）许秋龙1）刘贤伦1）王喜珍2），3）

1）中国乌鲁木齐830011新疆维吾尔自治区地震局

2）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

3）中国北京100190中国科学院空间天气学国家重点实验室

乌鲁木齐地震台迁往呼图壁，采用传统方法对地磁仪进行安装调试，对探头不同定向角度下日变化进行准确度标定，每个角度观测一天，持续9小时。因对仪器系统零场漂移值估计不足，探头定向角度范围偏小，建议取值范围±500 nT（约±1°），受绝对观测精度及磁通门磁力仪影响因素的制约，取100 nT作为步长较好。实验认为，定向角度与日变化准确度标定精度无明显统计关系，认为影响磁通门磁力仪数据质量的主要因素是人为影响和仪器自身零场漂移过大。

反馈地震计；宽频带；数字反馈；长周期噪声

0 引言

地球磁场观测已经走过上百年历史，目前国际上普遍采用能连续提供数字化记录的三分向磁通门磁力仪，实现地球磁场记录和地磁资料处理的数字化，地磁台站大多采用磁通门磁力仪观测系统作为相对记录仪。地磁观测与研究不仅涉及地磁学科，同时涉及通信、空间物理、航天活动、地球构造研究和地震预报等领域。在众多地震监测预报方法中，地磁方法是可以探测到震源体深度变化的少数地震前兆方法之一。近年研究表明，震磁异常为几nT最多十几nT。监测地震需要高质量地磁观测资料，提高观测资料质量显得尤为重要（周锦屏等，1999）。

地磁场为在空间上有方向、有大小的矢量场，且在不断变化中。地磁场有F、H、Z、X、Y、D、I七要素。地磁场可以用磁倾角I、磁偏角D和总强度F表示，可以用北向分量X、东向分量Y和垂直分量Z表示，也可以用水平强度H、磁偏角D和垂直强度Z表示。目前能直接测量的地磁要素有I、D、H、Z、F（徐文耀，1993；徐文耀，1997；徐文耀，2003；张敏，2012；张敏等，2014）。要准确记录地磁要素变化，必须对仪器传感器进行准确定向（朱兆才，2000，2002）。中国部分地磁台产出的数字化地磁记录数据质量还不理想，有改变磁通门磁变仪探头支架前后观测数据与光记录磁变仪差值的平均符号相反的现象，与探头定向差有关（韩德胜等，2000；朱兆才，2001 ，2002；朱兆才，2004，2005）。磁通门磁变仪分辨率已达到0.1 nT甚至更高，但定向误差所代表的相关地磁分量干扰这另一类“噪声”影响也很重要。磁通门磁变仪要想获得高准确度的记录资料，必须严格定向。国外比较重视统计探头定向差角，并对磁通门磁变仪原始记录进行改正计算（以SMALL磁通门仪为代表），但研究表明，校正系数的求得有一定难度，且定向差角大时校正计算误差也大（朱兆才，1997，1998，2001，2003）。

乌鲁木齐地震台始建于1964年，地磁观测为中国“老八台”之一，乌鲁木齐地磁台拥有3套不同类型的磁通门磁力仪探头系统（FGE悬挂式、GM3固定支架式、FGE固定支架式），基本涵盖目前中国地磁台所使用磁通门磁力仪的探头类型。

由于经济发展及乌鲁木齐城市扩建，乌鲁木齐地磁台的观测工作受到诸多干扰，因此2012年于昌吉州呼图壁县另建新台。乌鲁木齐台原有3套仪器分别安装于2000年、2001年和2007年，运行时间较长，工作条件与安装时发生较大变化。为了更好地完成仪器搬迁与安装工作，借此机会，采用磁静日绝对观测方法，连续测定不同定向角度与水平角度下各磁力仪基线值变化曲线，确立测量准确度和观测精度、定向角度和水平角度之间的关系，从而找到乌鲁木齐地磁台各磁力仪最佳定向角度与水平角度。

1 日变化准确度标定

受探头轴向正交度、格值线性度、安装定向准确度和稳定性、温度稳定性和温度变化等因素影响，地磁相对记录仪记录的地磁日变化与真实日变化之间有一定误差，且每个台站、每套仪器的误差均不相同。因此，地磁台站需要定期进行地磁相对记录仪标定，定量考察地磁记录仪记录的地磁日变化准确程度，以利于确定台站绝对观测的合适时间段及数据的应用研究（丁鸿佳等，2004；胡星星等，2010；王晓美等，2011）。

2 观测数据质量与探头定向关系

由于探头在出厂前各分量磁通门探头垂直度调节在±5′以内，基本满足目前台站地磁观测要求，可以保证各分量间影响量在0.1 nT的水平上。而仪器安装时，由于安装时间、地磁场变化及仪器自身电子装置零场漂移的影响，带来的北向分量（水平强度H）与磁北方向偏离成分是影响观测数据质量的显著因素。

目前国际上基本采用磁力仪输出数据直接定向磁通门磁力仪探头的方法，即通过使磁通门磁力仪输出数据小于±50 nT从而使探头定向偏差小于±5′。由于仪器电子装置存在零场漂移，则可能使仪器观测数据存在一个常差，从而使定向结果出现偏差；同时，由于地磁场是时刻变化的，则可能因定向时地磁场变化较大而使定向结果出现偏差；再则，随时间变化，地磁场的长期变化也会使仪器输出超出定向要求。

乌鲁木齐台3套磁力仪各要素2010年9月7日日变化准确度标定基线值曲线（横坐标为一天内测量的9组基线值，每组基线值包含2个数值）。

从图1可知，各分量基线明显含有日变化成分，表明各测量分量受到其他分量影响，且影响各不相同；同时，3套仪器H分量日变化幅度均超过1 nT，虽然观测精度仍在观测规范要求范围内，但显然不能忽略。因此，必须对3套磁通门磁力仪均进行重新定向，以消除或减小仪器由于定向误差导致的各分量间相互干扰，从而改善观测资料质量。

图1 2010年9月7日日变化准确度标定基线值曲线Fig.1 The baseline calculated from calibration of daily variation accuracy on Sep.7，2010

3 探头定向试验

2012年12月16日和18日，分别将乌鲁木齐地磁台水磨沟旧台址的GM3磁通门磁力仪和FHDZ-M15搬迁至100km以外的昌吉回族自治州呼图壁县新台址，采用传统方法，对仪器安装调试，经过几天的稳定期，在磁静日对仪器进行不同定向角度下的准确度测试。

将磁通门磁力仪探头定位在-200 nT、-100 nT、0 nT、100 nT、200 nT附近，折合成呼图壁台当地角度分别约-30′、-15′、0′、15′、30′，按照地磁台站观测规范要求，用台站第一观测组合MINGEO DIM100磁通门经纬仪和Overhauser磁力仪进行日变化准确度标定，每个角度观测一天，持续9小时。表1给出M15和GM3仪在不同定向角度下标定精度与定向角度的关系。

表1 M15和GM3标定精度与定向角度关系Table 1 Statistical table of daily variation accuracy and orientation angle

考察不同定向角度各观测日M15仪器日变化准确度标定精度形态发现，当探头定向在200 nT即角度30′附近时，标定精度较好。因此，对于FHDZ-M15，200 nT或者30′是比较适合的定向角度。

考察GM3不同定向角度各观测日日变化准确度标定精度形态发现，当探头定向在-100 nT即角度-15′附近时，标定精度较好。因此，对于GM3，-100 nT或者-15′是比较适合的定向角度。

用试验得到的探头定向角度对探头进行定向，仪器运行稳定后，采用日变化准确标定方法进行验证。定向后2012年日变化准确度标定计算的D、H、Z基线见图2。

图2 M15、GM3仪标定D、H、Z基线（a）M15；（b）GM3Fig.2 The baseline of D、H、Z of M15 and GM3

由图2可见，与2010年未定向前的D、H、Z基线值相比，定向后各分量基线几乎不含日变化成分，表明各分量受其他分量影响较小。

4 地磁台网仪器定向及标定精度统计

统计地磁台网基准地磁台2011—2013年各相对记录仪器日变化准确度各分量标定精度及其定向角度，见表2（标定精度为9小时内每小时2组观测基线值均方差的平均值）。本文讨论定向角度与标定精度的关系，受篇幅限制，只给出定向角度超过5′的台站记录。由表2得出以下结论。

表2 地磁台网2011—2013年日变化标定精度及定向角度统计Table 2 Statistical table of daily variation accuracy and orientation angle in geomagnetism network from the year 2011 to 2013

（1）在标定时段，大部分台站磁通门磁力仪D、H、Z三分量基线值测量误差较小，满足《数字地磁台网观测资料质量评比办法》中δD ＜ 0.1′、δH ≤1.0 nT、δZ ≤ 1.0 nT的要求，说明台站工作人员的观测技术及磁通门磁力仪的工作状态比较稳定。

（2）由于仪器安装时间较长或安装定向出现偏差，部分仪器定向角度出现较大偏差。日变化准确度标定基本选在磁静日进行，如果本台相对仪器工作状态较稳定，且基线值在标定前后无较大跳动，而连续多年定向角度出现较大偏差，应由经验丰富的观测人员在磁静日合适时段重新进行标定，计算标定误差和定向角度，如偏差仍较大，则需尽快重新定向。出现定向角度偏差较大的台站需认真进行相关检查，如相对观测仪工作状态，考虑是否需要重新定向。参与统计的仪器中，定向角度小于5′的仅有32%，5′—15′的占51%，15′—30′的占11%，大于30′的占6%。

（3）定向角度与标定精度之间无明显统计关系，说明磁通门磁力仪数据质量主要受其他因素影响。可能因素主要有：①人为影响大，绝对观测质量影响日变化准确度标定精度；②磁通门磁力仪系统自身零场漂移过大，使得探头定向角度统计在很大程度上失去意义。

（4）由于其他因素的存在，如仪器零场漂移不同，不能采用统一方法解决地磁台网磁通门磁力仪探头定向问题，如针对每一台仪器，可以采用以上研究方法进行准确定向。

5 讨论

对于乌鲁木齐台FHDZ-M15仪，200 nT（30′）是比较适合的定向角度，可以推断，该仪器电子装置的零场漂移值约-200 nT。对于GM3仪，-100 nT或-15′是比较适合的定向角度，可以推定，该仪器电子装置的零场漂移值约100 nT。本文进行的实验，存在对仪器系统零场漂移估计不足的缺点，实验的角度范围可能偏小。在台站确定仪器定向角度时，建议实验取值范围为±500 nT（约±1°）。对于每一台仪器，可以采用论文提及的实验方法确定定向角度，受绝对观测精度及磁通门磁力仪影响因素的制约，考虑到工作量，选择以100 nT为步长进行实验较好。

定向角度与日变化准确度标定精度无明显统计关系，认为影响磁通门磁力仪数据质量的主要因素是人为影响和仪器自身零场漂移过大。

目前，国家地磁台网很多仪器探头的定向角度超出±50 nT（约±5′）的范围，且一部分仪器标定精度超出地磁台站观测规范要求，是否因定向不恰当导致，需要进行诸多排查，才能确定是否需要重新定向。本文使用的探头定向角度确定方法，可以作为解决探头定向误差导致定向角度偏差问题的一个手段进行尝试。

感谢新疆维吾尔自治区前兆台网中心同仁的帮助，感谢中国地震局地球物理研究所王喜珍副研究员提出宝贵意见，并感谢相关审稿专家。

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The preliminary analysis of directional angle and measurement accuracy on fluxgate magnetometer probe

Zhang Min1），Yang Fuxi1），Zhang Wenlai1），Xu Qiulong1），Liu Xianlun1）and Wang Xizhen2），3）
1） Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，China
2） Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China
3） State Key Laboratory of Space Weather，Chinese Academy of Sciences Beijing 100190，China

Using the opportunity of Urumqi geomagnetic instrument moved to Hutubi Seismic Station，all geomagnetic instruments are tested using the traditional method as installation.After the instruments are stable，daily variation accuracy is calibrated using different directional angle.The observation for each angle lasts about nine hours in one day.There is something weaknesses in the experiments，we do not consider the zero drift value too much，and the step value of our experiment may be small，so we suggest stations need to apply such experiments to get the orientation angle，the appropriate values range is ±500 nT （about ±1°）.Restricted by the absolute accuracy and other factors of magnetometer，using 50nT or much smaller step in directional experiment cannot improve the experimental results significantly.Taking 100 nT as step value for experiment is a better choice.There is no significant statistic relationship between the accuracy of Calibration precision experiment and directional angle.It is found that the main infuence factors of fux-gate magnetometer data quality are human disturbance and the too large zone drift of instrument.

calibration of daily variation accuracy，probe orientation，directional angle

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.017

张敏（1986—），女，湖北孝感人，2012年7月毕业于中国地震局地球物理研究所，硕士研究生，主要从事地磁数据处理工作。E-mail：woaini1024.ok@163.com

由新疆地震科学基金“地磁台站磁通门磁力仪探头定向角度与测量准确度关系的试验与研究”（201204）、国家重点实验室专项基金资助项目（Y32612A24S1）、新疆地磁场磁暴分布特征及日变化异常与地震的关系（201413）联合资助

本文收到日期：2015-01-20