GSM-19T质子磁力仪性能测试

谈 昕 张 毅 王 雷 徐如刚肖伟鹏 王韶稳 陶 酣 黎哲君

（中国合肥230031 安徽省地震局）

GSM-19T质子磁力仪性能测试

谈 昕 张 毅 王 雷 徐如刚肖伟鹏 王韶稳 陶 酣 黎哲君

（中国合肥230031 安徽省地震局）

以GSM-19T质子磁力仪为研究对象，依据不同性能指标，采用不同测试方式，对质子磁力仪特性进行系统测试。结果表明：该磁力仪操作简单、快捷，是具有数据采集数字化、精确测量自动化和高观测精度的便携式磁力仪，具有良好的稳定性和一致性，可以满足野外地震监测工作要求。

性能测试；观测误差；GSM-19T磁力仪

0 引言

观测仪器作为地磁研究的重要物性基础，在固定地震台测量及野外数据收集过程中，可以准确记录地磁场分布及时空变化，从而为地磁场研究及地震地磁研究提供丰富资料。20世纪80年代，美制G型质子旋进磁力仪用于中国地震局流动地震地磁监测工作，对其主要性能指标已开展较为深入的性能测试与研究工作（张银贵，1996；詹志佳等，2000；郭玉莲等，2001；杨婕等，2008；侯志成，2011）。近年，随着中国地震监测预报研究工作的深入开展、观测技术的不断发展，以及对地震地磁监测能力要求的不断提升，中国地震局引进GSM-19T质子旋进磁力仪，用于野外流动地磁测量工作。GSM-19T标准质子旋进磁力仪是加拿大GEM公司生产的全自动质子磁力仪，灵敏度达0.05 nT，分辨率达0.01 nT，绝对精度±0.2 nT，采样率3—3 600 s可调（加拿大GEM公司，2011）。目前，仪器的主要性能及技术指标等相关信息仅来源于仪器附带说明书，若将其用于流动地震地磁测量，为保障地磁测量数据的准确可靠，需要对其精度、稳定性等性能进行研究，掌握其实测性能（国家地震局，1986）。

2012年8月和11月，中国地震局地球物理研究所与安徽省地震局等单位，在十三陵地震台进行22台GSM-19T标准质子旋进磁力仪性能测试工作，主要依据为《中国地磁图地磁野外观测技术规范》（中国地震局地球物理研究所，2003）、《地震观测仪器进网技术要求——地磁观测仪第2部分：质子矢量磁力仪》（中国地震局，2008）以及仪器购置招标文件等。按照测试大纲与方案，对测试环境（包括软、硬件环境）和仪器功能（包括仪器配置、基本功能检查等）及分辨率、采样率、一致性、稳定性、温漂等主要参数进行测试。本文基于各项测试的观测数据，结合数据处理结果，对GSM-19T标准质子旋进磁力仪主要性能进行分析，以便对仪器性能进行整体把握，在地震监测预报中发挥作用。

1 GSM-19T磁力仪性能测试

1.1 测试方案

对22台GSM-19T标准质子旋进磁力仪在十三陵地震台进行性能测试，2012年8月完成对2.45 m原电缆线（短线）配置下的仪器性能测试工作，2012年11月完成附加25 m加长电缆线（长线）后的仪器性能测试工作。由于各探头外观相同，为防止探头混用影响测试结果，设置仪器序列号与探头编号同名，见表1。

表1 22台GSM-19T质子磁力仪序列号及探头编号Table 1 The serial number and the probe number of 22 GSM-19T proton magnetometers

根据不同检测目标，采用两种检测方式：①在基站模式下，仪器先后采用不同采样率同步连续观测至最长时段，以分析仪器分辨率、采样率、稳定性等指标，选取日温差较大时段，同步记录温度变化，分析仪器温漂指标；②依据《中国地磁图地磁野外观测技术规范》，建立两个固定测桩，对所有仪器进行比测，考察仪器一致性指标。

1.2 稳定性测试

仪器稳定性实验测试工作分两个时间阶段进行：8月1日至3日，针对探头及主机之间连接2.45 m连接线的稳定性进行试验；11月1日至3日，针对探头及主机之间附加25 m连接线的稳定性进行试验。试验过程中，选取距离干扰源较远的区域布设仪器，采样周期设3 s、5 s、10 s、60 s，在不同时间段，对测试仪器同步采样，同步采样时间达仪器最长时间。

稳定性测试过程采用不同采样频率多个时段同步采样，数据量丰富，限于篇幅，仅给出22台仪器2012年11月02日00∶00—03∶53采样率5 s的2 076个测试数据处理结果，见图1。由图1（a）可知，在相同观测时段，仪器测试观测值整体变化趋势相似，无显著差异。以22台测试仪器同步采样的地磁总强度观测值的平均值作为观测正常背景值参考基准，将测试仪器的观测值与对应的参考基准值进行差值，曲线变化稳定，无明显趋势性变化［图1（b）］。由图1（c）可知，仪器均方差较小，各台仪器均方差范围0.025—0.045 nT。

1.3 一致性测试

地磁仪器比测是保障地磁测量准确可靠的有效手段（顾左文等，2004）。在仪器一致性测试过程中，参照《中国地磁图地磁野外观测技术规范》，在台站内建立两固定测桩，对仪器进行比测，系统分析仪器一致性及仪器差指标。比测时，将两台仪器分别固定于两测桩同步记录10个读数，交换仪器再次同步记录10个读数，计算仪器差，每组结束，更换仪器，按照序列号101-102-103-… 096-101的顺序对仪器进行循环比测。表2给出测试的仪器差与点位差，可知二者变化稳定且较小，仪器差变化范围-0.21— +0.31 nT，点位差变化范围40.45—41.64 nT。

图1 22台GSM-19T测试结果（a）测试观测值空间变化图像；（b） 观测值与参考基准差值变化；（c）测量均方差Fig.1 The test result of 22 GSM-19T proton magnetometers

表2 GSM-19T质子旋进磁力仪一致性测试结果Table 2 The results of conformance test with 22 GSM-19T proton precession magnetometers

1.4 温漂性能测试

采用60 s采样率连续观测数据进行仪器温漂性能测试。测试仪器受实时温度影响，同步架设GM4磁通门磁力仪，进行实时温度记录。使用静海地磁台连续秒采样观测数据，对测试仪器60 s采样数据进行日变通化，与GM4磁通门磁力仪温度变化曲线进行对比，计算各台仪器的温漂性能。选择8月2日至3日两个温度差异较大的时段，高温时段选定北京时间15∶30—16∶30，低温时间段选定北京时间02∶00—03∶00，计算经日变通化后高、低温时段的地磁场观测均值，根据GM4磁通门磁力仪温度记录，统计温差，使用统计平均方法，计算各测试仪器温漂特性，见图2和表3。由表3可知，22台测试仪器的温度漂移率变化范围-0.0058 nT/℃ — -0.0623 nT/℃。

图2 GM4磁通门磁力仪温度变化曲线Fig.2 The temperature variation curve of GM4 flux-gate magnetometer

表3 GSM-19T质子旋进磁力仪温漂测试结果Table3 The results of temperature drift test of 22 GSM-19T proton precession magnetometers

2 统计分析

对GSM-197质子磁力仪的稳定性、一致性及漂移性进行测试，测试结果见图3—图5。图3为22台测试仪器在长短线、不同采样周期（3 s、5 s、10 s、60 s）条件下均方差分布结果，可以发现：测试GSM-19T标准质子旋进磁力仪，整体均方差较小且均匀，优于0.05 nT，表现出良好的稳定性。可见稳定性与连接线长短基本无关，且不随采样周期变化而变化。

图4为循环比测法给出的仪器一致性测试分布结果，包含仪器差及点位差统计结果。由图4可见，仪器差变化较小，幅度为±0.31 nT，均方差约±0.13 nT。点位差变化范围在40.45—41.64 nT，均方差为±0.30 nT，表现出良好的一致性。

图5为仪器温度漂移特性测试分布结果，可知：仪器温漂变化范围在-0.062 3 nT/℃—-0.005 8 nT/℃，总体变化较均匀，表现出较好的一致性。但测试所得温漂指数大于理论值0.002 5 nT/℃（环境温度为-40℃ — 0℃）、0.001 8 nT/℃（环境温度为0 — +55℃）（加拿大GEM公司，2011），可能是因为测试环境温度变化较小，仪器精度无法满足温漂测试环境，或测试过程引入一定误差等。

图3 不同采样率下GSM-19T仪器均方差分布（a） 3 s均方差；（b） 5 s 均方差；（c） 10 s均方差；（d）60 s 均方差Fig.3 The histogram of the mean square error with GSM-19T at the different sampling rate

图4 22台GSM-19T质子磁力仪仪器差、点位差Fig.4 The histogram of instrument difference and point position difference with 22 GSM-19T proton precession magnetometers

图5 22台GSM-19T温漂测试结果Fig.5 The histogram of the temperature drift test results of 22 GSM-19T proton magnetometers

3 结束语

通过对GSM-19T质子磁力仪性能进行测试，分析可知该类型仪器是一种操作简单、快捷、具有数据采集数字化、精确测量自动化和高观测精度的便携式磁力仪，具有良好的稳定性和一致性，可为野外观测数据质量和精度提供保障。

管志宁.地磁场与磁力勘探［M］.北京： 地质出版社，2005.

郭玉莲，唐延梅，佟瑞清.根据野外震磁测量实践简评G-856质子旋进磁力仪性能［J］.西北地震学报，2001，23（3）： 308-309.

国家地震局.地震地磁野外测量规范［S］.北京： 地震出版社，1986.

顾左文，周勋，高金田，周锦屏，等.用金零同步观测法进行DI磁力仪的比测［J］.地震地磁观测与研究，2004，25（5）：11-17.

侯志成.磁力仪发展及相关标准应用现状［J］.标准科学，2011，11： 52-55.

加拿大GEM公司.GSM-19T操作手册［S］.2011.

徐文耀.地磁学［M］.北京： 地震出版社，2003.

杨婕，许仪西.G856质子旋进磁力仪性能测试［J］.防灾科技学院学报，2008，10（1）： 42-60.

张银贵.在地震系统上G-856质子磁力仪的应用［J］.铀矿地质，1996，12（4）： 245-248.

詹志佳，高金田，赵从利，张洪利，沈文志.G-856质子旋进磁力仪及其在野外震磁测量中的应用［J］.西北地震学报，2000，22（1）： 74-78.

中国地震局地球物理研究所.中国地磁图地磁野外观测技术规范（修订版）［S］.2003.

中国地震局.地震观测仪器进网技术•要求地磁观测仪第2部分： 质子矢量磁力仪［S］.2008.

Main performance test and analysis of GSM-19T proton magnetometer

Tan Xin，Zhang Yi，Wang Lei，Xu Rugang，Xiao Weipeng，Wang Shaowen，TaoHan and Li Zhejun
（Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

GSM-19T proton precession magnetometer is widely used in seismic magnetic survey in recent years and becomes an important instrument in the area of earthquake monitoring.Taking GSM-19T proton magnetometers which are newly-purchased by China Earthquake Administration as the research objects，according to the different performance indexes，the study has conducted tests and systematical analyses for the main technical indicators of these proton magnetometers in different testing methods.The results showed that:GSM-19T proton precession magnetometer is a kind of easy-operating portable magnetometer applying skills such as the digital data acquisition，automatic measurement and higher observation precision.Besides，the good consistency stability of the instrument can also fully meet the requirements of seismic system.

performance test，observation error，GSM-19T proton precession magnetometer

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.008

谈昕（1987—），女，硕士，助理工程师现主要从事地磁监测及研究工作。E-mail：tanxin_only@163.com

安徽省地震局合同制课题项目资助（201426）

本文收到日期：2015-03-20