永安地磁台FHD-2B质子磁力仪观测数据干扰分析

全建军 夏 忠 张 凯 刘水莲陈珊桦 刘礼诚 陈美梅

1）中国福建366000永安地震台

2）中国江苏221400新沂地震台

3）中国福建363000漳州地震台

4）中国福建362000泉州基准地震台

0 引言

随着地震科技水平的逐步提高，我国地震观测开始走向数字化，其高精度、大动态观测数据在地震科研和预报中得到了广泛应用（邢西淳等，2008）。“九五”期间江苏省地震局研制出智能化分量质子磁力仪，即FHD质子磁力仪，具有数字化程度高和观测精度高的特点，目前已在全国数十个台站投入使用（夏忠，2002）。FHD质子磁力仪经过不断改进与完善，目前较先进的FHD-2B型质子磁力仪已开始运行。FHD-2B质子磁力仪实现数字化与网络化控制，用户可通过网络浏览仪器网页、监视仪器的运行状态、下载观测数据、控制仪器参数、远程实现仪器重启等。

在地震研究观测中，观测环境保护很重要。因为采集地震信息是一个漫长、连续的过程，要保证地震观测环境不被破坏很困难，天气变化和人为因素等干扰对地磁观测资料造成很大影响，对各种类型干扰因素如何正确识别，会影响到观测资料正确预处理。本文分析各种干扰因素对永安地磁台地磁资料的影响，总结各种干扰对观测数据变化幅度与曲线形态的影响大小，在此基础上，对数据预处理方式进行合理选择，提高地磁观测资料质量。

1 台站参数

永安地磁台建于福建省永安市洪田镇黄龙村李厝甲，占地面积约9.2亩，距离村民土木房约100 m，东面为民居和农田，南面为山坡，西面为高山，北面为民居和农田。区域构造简单，表面为黄土、碎石覆盖，基岩岩性为沉积石灰岩，未发现磁体岩体，200 m范围内磁场梯度小于1.0 nT/m，符合地磁台选址规范的要求（全建军等，2013）。

永安地磁台FHD-2B 数字化地磁观测系统（图1）于2009年10月架设完毕，探头和线圈安装在地磁观测室，主机安装在台站办公楼，地磁观测室与台站办公楼的距离约39 m，采用平行信号线连接。FHD-2B质子磁力仪分辨率<0.1 nT；总场F精度< 0.3 nT；水平分量H（或垂直分量Z）精度<0.6 nT；磁偏角D精度<0.1′，测量范围：20 000 nT—70 000 nT。

图1 FHD-2B 数字化地磁观测系统Fig.1 FHD-2B digital geomagnetic observation system

2 观测资料相关干扰分析

地磁场是地球物理场的一种，可以反映地下基本场以及外空场变化。因此，研究地磁场变化成为地震预测预报的一种重要手段。通常地磁场是连续、稳定的，但平时观测过程易受到各种因素干扰，突出的有观测环境干扰以及仪器系统稳定性、精度等影响。通过对近几年永安地磁台地磁观测数据分析，发现影响观测资料质量的因素主要有自然因素、仪器自身因素、人为干扰因素、外界环境因素等。通过对这些干扰因素分析，对台站观测环境保护，对提高地磁观测资料质量有积极意义。

2.1 空间电磁影响

当太阳表面活动旺盛，特别是在太阳黑子极大期时，太阳表面耀斑爆发次数增加，耀斑爆发时会辐射出x射线、紫外线、可见光及高能量的质子和电子束。其中带电粒子（质子、电子）形成的电流冲击地球磁场，引起电离层变化，同时引起地球磁场强度和方向发生急剧不规则变化，称为磁暴。按影响强度，磁暴可划分为小磁暴、中级磁暴和大磁暴。按照形态变化，磁暴可以分为缓始磁暴与急始磁暴。

在2012年5月11日至13日期间，永安地磁台地磁观测曲线出现全天连续的毛刺突跳现象，与平时相比极不光滑（图2）。登录福建省地震局前兆数据库服务器，查看相邻台站数据，发现观测曲线同样出现全天连续的毛刺突跳现象，因此排除仪器自身因素引起的干扰，认定为小磁暴干扰。由图2可见，在磁暴影响期间，地磁场垂直分量和磁偏角有较明显的波动。磁暴发生时，垂直分量和磁偏角出现明显突跳，其特征是初动波动范围大且突跳尖锐。因为FHD-2B是分钟值采样，且通过2组数据平均值生成H值和F值，D值是仪器40 s测量结束后由补偿电流、H值等计算得出；几个分量采集时间不同步，且存在一些差别；而磁暴变化是连续的，特别是大磁暴和急始磁暴，虽然时间相差数秒，但磁暴变化量明显，从而导致FHD-2B变化与其产出数据并不完全一致，其中不正确变化需要人工消除。

日全食是月亮把太阳完全遮住的天文现象。2011年7月22日有日全食发生，永安地磁台地磁数据曲线起伏较明显，地磁场垂直分量与磁偏角都呈现出较明显改变，变化时间上水平分量比磁偏角有所提前，突跳现象也不是很明显，地磁观测曲线受日全食影响呈现出一个缓慢下降再上升的变化过程，曲线形态恢复较快，一般持续若干小时即可逐渐恢复正常（图3），对观测精度产生的影响与磁暴类似。

图2 2012年5月11日受磁暴干扰曲线Fig.2 Magnetic interference on May 11，2012

图3 2011年7月22日受日全食干扰曲线Fig. 3 Total solar eclipse interference on July 22，2011

2.2 工作参数偏离影响

FHD-2B质子磁力仪与其他质子磁力仪相同，地磁场测量采用LC谐振原理， 根据谐振公式

③阴极保护系统失效。由于人为因素、意外或施工等原因会造成阴极保护系统的物理性破坏，使得阴极保护系统失散，常见的情况有：新建立的牺牲阳极系统、阴极系统，其中有一个系统未设置，使阴极保护不能运行；阴极保护系统设置不正确，未能提供足够的保护电流；阴极保护系统部件遭到破坏，一个或多个部件失效；阴极保护系统部件失效，有20%以上的时间未运行；施工单位未按设计要求施工或擅自修改设计施工。

式中：f是LC谐振回路的中心频率；L是探头的电感量；C是仪器中的配谐电容值。

根据这个原理及地球磁场缓慢变化特点，FHD-2B质子磁力仪采用自动跟踪与数字化选频技术。FHD在设定调谐参数后，仪器调谐测量将根据设定值进行。如果测量结果与上一次测量结果或设定值相比≤±100 nT，测量结果将会自动跟踪并存入调谐值存储单元，为下一次测量选频提供参考值，否则不作跟踪时，始终利用存储单元中的调谐值进行调谐测量，如果所需调谐参数同存储单元中调谐参数相距较大，调谐选频频率将偏离实际质子旋进频率较多，使信号测量不能产生有效的选频共振，易导致仪器选频特性下降、测量误差增大，造成观测曲线出现突跳、毛刺、线条变粗等现象（纪加迎等，2011）。

此外，质子磁力仪探头轴向应指向东西方向，因为探头轴向与地磁场方向成90°夹角时，探头感应到的质子旋进信号电压最强，如果探头轴向偏离东西方向较多，感应到的质子旋进信号电压将会明显减弱，有可能造成观测数据噪声增大，甚至无法正常观测。水平补偿电流如果较大变化或没有输出，将会引起补偿磁场较大改变，造成测量参数严重偏离，引起磁偏角测量和水平分量偏离实际值较多，并造成噪声增大，甚至无法正常观测。分量线圈方位角如果偏离较多，导致跟踪参数偏离较多，也会使磁偏角数据噪声增大。

因此，要保证仪器能够正常运行，一定要保证仪器补偿电流值、调谐值、观测方位角、探头方向等参数的正确性。台站地磁观测人员要熟悉本台站FHD仪器工作参数，并经常对仪器工作参数进行检查，特别是在数据曲线出现较多突跳或变粗时，首先应检查仪器工作参数，确认其正确后再检查其他原因。检查仪器工作参数有两种方式：①通过仪器网页进行检查；②按照说明书利用仪器面板进行检查。通过网页检查参数时，要以超级用户登录仪器网页，打开仪器参数页面，对比实时工作参数与原始工作参数，如果二者相差较大，或虽然相差不大，但实时参数无法更新，也就是调谐参数无法进行跟踪时，可以打开仪器参数表下面的“恢复缺省工作参数”，来恢复仪器测量参数。如果测量参数恢复后还不能正常工作，就要到现场检查仪器，如果仍找不出原因，就要寻找其他原因。

2.3 交流电磁影响

交流电磁干扰对FHD质子磁力仪观测影响大，一般有两种方式，即：环境电磁干扰与观测系统电磁干扰。台站附近如果有无线电发射塔发射的无线电波、高压交流输电线路，都会对观测环境产生电磁干扰，使观测数据噪声增大，影响仪器正常观测。对比类电磁干扰，国家制定了相应的行业技术规范，台站建台时需避开，无法避开要与相关部门交涉。

电磁干扰是FHD观测数据最大、最主要因素。使数据曲线毛刺增多，出现线条变粗、突跳现象，严重的还会影响仪器自动跟踪的工作参数，造成自动跟踪测量与数字化选频失败，使仪器不能产出有效观测数据，可以通过多种途径干扰仪器正常观测：①与信号线距离较近，特别是与信号线平行的交流供电线路，通过信号线的电磁耦合，将电磁干扰耦合到仪器中，使观测数据噪声增大；②地磁记录室交流供电线路，特别是环状线路与仪器探头上方的交流线路，可以产生交变干扰磁场，通过探头感应，使测量数据噪声增大；③FHD质子磁力仪与其他仪器集成在仪器柜中，仪器与仪器之间、线路与线路之间距离近，造成相互的电磁干扰，从而影响仪器观测精度；④给仪器供电的交流电，包含大量高频电磁谐波，如果未经过净化，会通过电源耦合到仪器中，造成仪器观测数据噪声增大。图4是永安地磁台2009年10月30日FHD-2B质子磁力仪受交流干扰的数据观测曲线。

避开交流电磁干扰对FHD质子磁力仪观测的影响，根据不同干扰途径，可以采取以下措施。

图4 受交流干扰的数据曲线Fig.4 The data curve interferenced the AC

（1）对于环境电磁干扰，在地磁台建设时，应当严格按照地磁台站建设规范进行勘选和建设，避免交流电磁干扰影响电磁环境，从而影响地磁观测。

（2） 对于地磁记录室中电磁干扰，在布设交流电路时要避免形成环状电路，注意探头上方不要安装电灯之类的电器设备，避免交流电磁干扰通过探头影响地磁观测。

（3）对于通过信号线耦合的交流电磁干扰，在布设信号线时要注意远离交流电线，特别是与其平行的交流电线要相距两米以上，与其他仪器的各种线路也要保持一段距离，避免共同埋设在同一沟槽内，在进入仪器室时，交流电线要与信号线从不同的方向进入仪器观测室内，与其他仪器的信号线也不要用同一管道进入仪器观测室。

（4）对于仪器集成产生的电磁干扰，最好不要将FHD-2B质子磁力仪同其他仪器集成在一起，如果确实需要集成，布设时要将信号线与供电线分开走线，切不可将信号线与交流电线放在一起，并且仪器接地要良好，这样才能有效地将机箱表面感应的电磁干扰接入大地。

（5）对于通过电源耦合到仪器的电磁干扰，可以在仪器供电前端将交流电通过线式UPS或在交流净化电源进行净化，避免高频电磁谐波通过交流电源干扰地磁观测。

2.4 信号线长度的影响

FHD-2B分量质子磁力仪观测系统中，从探头到仪器主机之间的信号线存在一定线阻和分布电容，如果信号线较短，可以忽略线阻和分布电容对选频的影响；如果信号线较长，信号线中线阻和分布电容就较大，将对FHD分量核旋仪选频特性产生一定影响，造成选频的中心频率偏离，并降低信噪比；信号线较长、线阻较大时，会降低探头的极化电流和质子旋进信号强度，从而进一步降低测量信号信噪比，造成测量数据噪声增大；此外，信号较长时，容易遭受交流电磁耦合干扰影响，造成数据噪声增大。

为了解决信号线长度对数据噪声的影响，FHD-2B提供信号线分布电容修正功能，根据信号线长短不同，进行分布电容修正，从而使选频更加精确；厂家发现信号线较长，也会适当提高探头的激化电压，调整仪器信号放大倍数，从而达到提高信噪比的目的。如果台站改变信号线长度，信号放大倍数与分布电容修正值应作相应调整，否则选频特性将发生改变，偏离较大会造成磁场测量精度降低。要提高仪器观测精度，最佳办法是，在FHD-2B质子磁力仪观测系统设计时，尽可能缩短信号线长度，将其控制在50 m以内。

永安地磁台原先的FHD-2B分量质子磁力仪观测系统中，仪器主机安装在台站综合办公楼，距离探头安放的FHD观察室90多米，受线阻和交流电磁耦合干扰影响，测量数据噪声较大[图 5 （a）]。2013年6月，永安地磁台重新将仪器主机安装到FHD观察室，仪器主机与探头相距10 m，厂家重新对信号放大倍数与分布电容修正值进行调整，缩短信号线长度后，数据噪声有了很大改善[图5（b）]，仪器观测精度得到显著提高。

图5 信号线长度改变前后数据曲线

2.5 人为干扰影响

人为干扰是指人类活动造成的记录干扰。目前，永安地磁台的地磁观测人为干扰主要来自附件村民烤烟房施工影响。烤烟房距离FHD观测室50 m，安装了大量铁质和混凝土的烤烟设备，导致地磁观测环境发生改变，造成数据曲线在短时间出现明显畸变。构筑物与建筑物属于永久性的，在建设过程中及建成后产生的影响属于静磁干扰（冯武等，2008）。烤烟房建成以后，观测环境基本保持一种稳定状态，消除了对地磁观测资料影响，但因存在较大随机性，有时数据曲线会出现一些小突跳，此类干扰较易识别和处理。

根据以往观测经验，FHD观测室与车辆相距60 m以上，一般不会对数据曲线形成干扰。而2011年1月11日距离观测室约50 m的烤烟房施工，对记录造成一定程度干扰，由于施工车辆非固定不动，干扰有时较明显，有时则不明显（图6）。

图6 烤烟房施工对地磁的干扰突跳曲线Fig. 6 Geomagnetic disturbances because of construction

3 结论

通过对永安地磁台数字化磁力仪近几年的观测资料干扰因素分析研究，得出以下结论。

（1）在日常观测中，有些干扰无法避免，如磁暴、日全食等自然现象，对观测资料影响主要表现为数据突跳（特别是磁暴开始时），究其原因是，FHD-2B观测与磁暴变化不同步，此类变化较易识别与剔除。

（2）有效降低观测数据噪声的办法是保证接地良好。在日常观测中FHD-2B质子磁力仪主要使用交流供电，交流电中含有高频谐波分量，由于仪器信号线和机箱的屏蔽层是金属制的，虽然有一定屏蔽作用，但表面也会感应耦合到电磁干扰，如果仪器接地装置不良好，交流电中高频谐波分量会遭受电磁干扰，影响仪器正常观测，造成数据噪声增大，严重的可能导致无法正常工作。因此，利用在线式UPS或交流净化电源对供电电源进行净化，同时确保仪器良好接地，以便将电磁干扰有效引入地下，从而消除交流电产生的电磁干扰。

（3）基建工程影响主要来自施工过程中铁磁性物质形成的干扰，构筑物和建筑物属于永久性的，因此建设过程中和建成后产生的影响属于静磁干扰，通常施工结束后影响会达到平稳或消失，具有一定时效性是基建工程影响的特点。在某些特殊情况下，台站工作人员可阻止有干扰的基建工程实施；车辆影响主要是过于靠近观测室，可通过人为干预的办法消除。

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