仪器定向误差对地磁日变化记录准确度的影响研究

胡秀娟 李西京 王 静 李细顺 畅国平王秀敏 宋 昭 罗 娜 解 真

1) 中国河北邢台054000河北省地震局红山地磁台2) 中国陕西咸阳712000陕西省地震局乾陵地磁台



仪器定向误差对地磁日变化记录准确度的影响研究

1) 中国河北邢台054000河北省地震局红山地磁台2) 中国陕西咸阳712000陕西省地震局乾陵地磁台

基于红山地磁台磁通门磁力仪GM4-2记录的日变化数据， 提出了一种减小仪器定向误差的方法， 即D要素磁轴零场漂移S0校正法． 首先基于零场漂移S0测量原理， 试制测量工具无磁旋转平台， 并对磁力仪GM4-2零场漂移S0值进行测量， 得出该值约为1024.7 nT； 然后在重新定向时对该数值进行误差校正； 最后将较正后的零场漂移S0值应用到理论日变化数据和定向后的实际日变化数据中． 结果表明，D要素磁轴零场漂移S0是产生定向误差的主要因素， 经过零场漂移S0校正后的日变化数据与理论日变化数据一致， 消除了由定向误差所造成的日变化畸变， 从而能更真实地反映地磁场变化．

磁通门磁力仪GM4-2 定向 零场漂移S0无磁旋转平台

引言

地磁场日变化是指由相对记录仪器记录的以一个太阳日为周期、 依赖于地方太阳时的磁场变化． 该日变化由电离层中电流及其在地球内部的感应电流所产生， 是地球变化磁场的重要组成部分， 包含空间和地球内部各种电磁过程丰富的信息(陈化然等， 2009)．

目前， 数字地磁台站记录日变化主流仪器为GM4型磁通门磁力仪， 主要测量地磁场水平分量H、 垂直分量Z和磁偏角D的相对变化(王晓美等， 2008)． 受仪器线性度和磁轴定向准确度、 正交度等因素的影响， 仪器记录到的地磁场日变化与地磁场的真实变化存在一定误差， 并且每个台站和每套仪器的误差均不相同(张素琴， 杨冬梅， 2011)．

本文将以红山地磁台磁通门磁力仪GM4-2记录的D要素日变化出现畸变为例， 分析定向误差对日变化记录的影响． 在D要素磁轴零场漂移S0值未知的情况下， 根据零场漂移S0测量原理， 试制测量装置， 并在红山地磁台相对记录室进行多次零场漂移S0测量实验． 测出S0值后， 在重新定向时进行零场漂移S0校正， 以对比分析定向前、 后的D要素日变化观测数据．

1 台站及仪器概况

红山地磁台位于河北省隆尧县山口镇北部， 始建于1966年邢台MS6.8地震之后， 属于国家基准地磁台． 该台站远离城镇和村庄， 周围地势平坦， 无明显干扰源， 是绝佳的地磁观测场所． 地磁相对记录室于2006年建成并投入使用， 记录室为地下双层石拱顶石灰石磁房， 室内共4个仪器墩， 墩号自东向西依次排列， 室内磁场水平梯度ΔFh≤1.0 nT/m， 年温差≤8℃(胡秀娟等， 2014a)． 磁通门磁力仪GM4-1安装在2号墩， 于2006年9月开始观测； GM4-2安装在1号墩， 于2013年7月开始观测. 地磁绝对观测室于2000年建成并投入使用， 2009年5月安装了绝对观测仪器MINGEO-DIM磁通门经纬仪， 用于观测磁偏角D和磁倾角I的绝对值， 与GM4磁通门磁力仪组成一套完整的地磁场数字化观测系统．

2 资料分析

图1为2014年3—9月红山台磁力仪GM4-1和GM4-2记录的D要素基线值，包括实测值和采用值，绝对观测仪为同一台MINGEO-DIM磁通门经纬仪．基线值能够同时反映出相对记录仪器和绝对观测仪器的工作状态，相对记录仪器工作不正常及绝对观测误差等问题均可以表现在基线值上(程安龙， 1993)．由图1a可以看出， 磁力仪GM4-1基线值曲线平滑， 同日观测的两个基线值或相邻观测日DB之差均未出现超过0.10′的情况． 由图1b可以看出， 磁力仪GM4-2基线值曲线多次出现不明原因的跳动， 3月10—14日相邻观测日DB之差为0.30′， 之后还多次出现相邻观测日DB之差超过0.15′的情况， 核实相应日期的日变化记录数据时并未发现干扰， 由此判断可能是磁力仪GM4-2的记录出现错误．

图1 2014年3—9月红山台磁力仪GM4-1(a)和GM4-2(b)D要素基线值曲线

同台多仪器平行观测的优势之一是可以通过两套仪器数据一致性的对比发现观测中的问题． 由图1a可以看出， 磁力仪GM4-1基线值相对稳定， 可以将其观测数据作为标准来考察磁力仪GM4-2观测数据的质量． 选取磁静日(2014年9月10日)两套磁通门磁力仪记录的日变化数据， 分析D要素差值变化(图2a). 可以看出，D要素日变化差值曲线的变化幅度约为2.5 nT． 与当日磁力仪GM4-1的H分量日变化曲线(图2b)对比可以看出，D要素差值曲线的变化形态与H分量日变化形态一致， 只是幅度不同. 由此可知， 磁力仪GM4-2的D要素记录中实际上含有H分量．

前期在研究地磁场长期变化对探头定向产生的影响时观察到， 仪器在绝对测量状态下对D要素进行定向时，D要素的输出值为-50—50 nT， 其中包含D要素磁轴零场漂移S0的数值， 势必会造成定向误差， 影响定向准确度(胡秀娟等， 2014b)． 图1和图2所反映出的问题是否由定向误差所造成呢？ 针对该问题， 下面我们主要从定向准确度角度对日变化记录的影响进行分析.

图2 磁力仪GM4-1和GM4-2记录的2014年9月10日D要素日变化差值曲线(a)和磁力仪GM4-2记录的H分量日变化曲线(b)

Fig.2 The daily variation differential curves ofDelement recorded by two fluxgate magnetometers GM4-1 and GM4-2 (a) and the daily variation curve ofHcomponent recorded by GM4-2 (b) on September 10, 2014

3 仪器定向过程中存在的问题与分析

磁通门磁力仪GM4定向是指探头传感器方向与被测磁场方向一致(朱兆才， 2004)． 目前， 对磁通门磁力仪GM4定向的步骤为： ① 选择磁静日， 调平仪器底座， 确定垂直分量Z的定向； ② 将仪器状态由相对记录切换到绝对测量状态， 水平旋转仪器， 将磁偏角D的输出值控制在-50—50 nT范围内， 确定D要素的定向； ③ 水平分量H的定向由D要素确定．

由于仪器在绝对测量状态下对D要素进行定向时，D要素的输出值为-50—50 nT， 其中包含了D磁轴零场漂移S0的数值(胡秀娟等， 2014b)， 所以需测出S0值. 基于零场漂移S0测量原理， 本文试制了S0值测量工具.

3.1 零场漂移S0测量原理与测量工具

假设D磁轴零场漂移值为S0， 磁场H在D磁轴上的投影值为S， 如图3a所示. 图中，A为磁东方向，B为磁北方向，C为零场漂移S0存在时D要素输出值为零时磁轴的位置， 此时D要素的输出值为S0-S； 将D磁轴水平转动180°(图3b)， 此时D要素的输出值为S0+S. 通过计算可得出零场漂移S0值． 实际测量中， 应尽量选择磁场平静时段， 可保证D磁轴在转动180°时磁场H不变； 另外， 零场漂移S0受温度影响， 应尽量选择温度稳定的时段， 可保证零场漂移S0值不变．

由于磁通门磁力仪GM4探头本身没有刻度， 给实际测量带来困难． 最先使用的测量工具为纸质度盘， 但很难保证D磁轴准确转动180°， 测量误差较大． 而后制作了无磁旋转平台， 该平台主要由FHD仪器底盘和正方形不锈钢钢板两部分构成， 其中正方形不锈钢钢板固定在FHD仪器底座上． 测量时将探头放置在钢板上， 通过调整FHD仪器底盘内的刻度对D磁轴进行旋转， 从而提高测量精度．

图3D磁轴定向位置(a)及其旋转180°位置(b)处零场漂移S0计算示意图

Fig.3 The calculating schematic diagram of zero driftS0ofDmagnetic axis at the orientation position (a) and that after rotating 180° (b)

3.2 零场漂移S0测量结果

在红山台相对记录室对磁力仪GM4-2共进行3次零场漂移S0的测量实验， 时间分别为2014年9月11日、 9月25日和9月28日． 第一次实验使用无磁旋转平台， 测量数据为18组， 计算出零场漂移S0值为972.2 nT． 对于测量的较大数值， 应考虑是否由于平台操作方法不当等原因所致． 9月25日使用纸质度盘进行第二次实验， 测量数据为9组， 计算出零场漂移S0值为1009.9 nT．

对比两种测量工具测得的数据可以看出， 纸质度盘较无磁旋转度盘精度稍差， 但其均显示零场漂移S0数值较大， 为定向时最佳输出值的几十倍． 为此与仪器厂家进行沟通， 建议仪器在“相对状态”下， 且同时不给H分量和Z分量加补偿值时进行测量． 基于上述改变， 9月28日使用无磁旋转平台进行第三次零场漂移S0测量， 测量数据为7组， 测量结果如表1所示．

表1 2014年9月28日红山台磁力仪GM4-2零场漂移S0测量结果

注：D1和D2分别为图3a, b的D要素输出值.

3.3 定向误差对磁力仪GM4-2日变化记录的影响

由表1可计算出磁力仪GM4-2的零场漂移S0=1024.7 nT， 将其换算成角度， 即

(1)

式中，H取H分量年均值. 已知红山地磁台H值为2万9800 nT， 可计算出α值约为2°．

以定向误差角度为2°进行理论分析， 所得D要素日变化畸变如图4所示. 可以看出， 由于定向误差的存在，D要素日变化出现畸变， 其实测值并非真实值， 理论上D要素值应为H分量和D要素实测值在真实的D要素方向上投影之和， 即

图4 2°定向误差角度所造成的D要素日变化畸变示意图. H和D为理论日变化数据， H′和D′为实测日变化数据Fig.4 Schematic diagram of abnormal daily variation of D element caused by the orientation error angle 2°. H and D are the theoretical daily variation, H′ and D′ are the measured ones

(2)

根据式(2)计算得出2014年9月10日磁力仪GM4-2的D要素理论日变化数据， 同时选取2014年9月10日和10月6日磁力仪GM4-2的D要素实测日变化数据， 分别与磁力仪GM4-1的D要素相对应日期的日变化数据进行差值比较， 差值曲线如图5所示， 其中9月10日为未经过定向误差校正的数据， 10月6日为经过定向误差校正的数据． 可以看出， 9月10日实测日变化的差值(黑色曲线)变化幅度较大， 约为2.5 nT； 通过理论计算后， 日变化的差值(红色曲线)变化幅度较小， 约为1.0 nT; 10月6日实测日变化差值曲线(绿色曲线)与理论差值曲线变化趋势和变化幅度一致． 结果表明， 磁力仪GM4-2定向时经过零场漂移S0校正后的观测数据能够消除定向误差所造成的日变化畸变．

地磁日变化记录准确度标定是为了定量考察地磁仪器记录到的地磁日变化的准确程度．

图5 D要素实测(黑色和绿色)及理论日变化差值曲线(红色)

图6 磁力仪GM4-2定向前(a)、 后(b)日变化标定曲线Fig.6 The calibration curves of daily variation for fluxgate magnetometer GM4-2 before (a) and after orientation (b)

具体作法为： 在选定的一天地方时09：00—15：00， 每隔1小时进行一次绝对观测， 每次观测取得两组有效数据， 然后比较基线值的变化(张素琴， 杨冬梅， 2011)． 8月29日对磁力仪GM4-2进行了一次日变化标定， 通过实验确定定向误差后对该仪器进行重新定向； 9月29日对磁力仪GM4-2又进行了一次日变化标定， 并对比了两次的标定结果， 如图6所示．

衡量基线值的精度和稳定性， 主要通过计算基线值的标准偏差和变化幅度． 标准偏差既能反映观测误差的大小， 也能反映记录仪器工作状态的好坏(高玉芬等， 1991)． 从图6a可以看出， 定向前DB的标准偏差为0.06′， 在整个观测时段内DB变化幅度超过0.10′， 最大可达0.18′； 从图6b可以看出， 定向后DB的标准偏差为0.03′， 在整个观测时段内DB变化幅度不超过0.10′， 最大为0.08′． 这说明， 磁力仪GM4-2定向时经过零场漂移S0校正后的观测数据更能真实地反映地磁场的日变化．

4 讨论与结论

仪器正确定向是保证地磁场日变化记录准确的一个重要环节， 磁通门磁力仪在绝对状态下，D要素磁轴零场漂移S0是影响其定向精度的主要因素， 但是仪器参数尚未给出该数值． 本文结合零场漂移S0测量原理， 制作了无磁旋转平台， 对红山台磁力仪GM4-2进行了多次零场漂移S0值测量． 在测量过程中， 定向应在软件界面标识为“相对状态”， 并在将H分量和Z分量补偿值设置为0的状态下进行．

由红山台磁力仪GM4-2多次零场漂移S0值测量结果可知， 该S0值为1024.7 nT， 是定向输出值(-50—50 nT)的20倍， 所以需对零场漂移S0值进行校正， 使D要素的输出值为(1024.7±50) nT． 对比定向前后D要素观测数据可知， 经过零场漂移S0校正后的日变化数据与理论日变化数据一致， 能够消除由定向误差所造成的D要素日变化畸变. 在此基础上通过定向前后日变化标定结果对该结论给予了验证．

地磁台站的首要任务是取得连续、 完整、 可靠的观测数据， 本文研究为地磁台站磁通门磁力仪GM4的正确定向提供了参考依据． 地磁场日变化记录准确度除受定向误差影响外， 还受其它因素影响． 解决定向问题后， 后续将继续考察仪器正交度对日变化记录的影响及其校正方法．

杨冬梅研究员提出零场漂移S0测量原理及具体实验步骤， 乾陵台李西京高级工程师提供自制测量装置， 作者在此一并表示衷心感谢！

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Influences of instrument orientation error on the accuracy of daily variation of geomagnetic record

1)HongshanGeomagneticObservatory,EarthquakeAdministrationofHebeiProvince，HebeiXingtai054000，China2)QianlingGeomagneticObservatory，EarthquakeAdministrationofShaanxiProvince，ShaanxiXianyang712000，China

Based on the daily variation of geomagnetic data recorded by fluxgate magnetometer GM4-2 at Hongshan geomagnetic observatory, this paper proposes a method for eliminating instrument orientation error, namely the correction method for magnetic axis zero driftS0ofDelement. First, based on the mea-surement theory of magnetic axis zero driftS0, a rotation platform without magnetism has been trial-produced to measure theS0， which is about 1024.7 nT for the GM4-2. Then, we correct the error ofS0value in reorientation. Finally, theS0value is applied to both theoretical daily variation and daily variation recorded by the instrument after orientation. The results show that the magne-tic axis zero driftS0ofDelement is the main factor for the orientation error．The daily variation recorded by the instrument after orientation are consistent with the theoretical daily variation, thus eliminating the daily variation distortion caused by the orientation error, and reflecting the geomagnetic filed variation more realistically.

fluxgate magnetometer GM4-2; orientation; the magnetic axis zero driftS0; rotation platform without magnetism

河北省地震局三结合课题(DZ20150424093)和中国地震局行业标准(054219)共同资助.

2015-03-13收到初稿， 2015-05-17决定采用修改稿.

e-mail: 47982934@qq.com

10.11939/jass.2016.01.013

P318.6, TH762.3

A

胡秀娟, 李西京, 王静, 李细顺, 畅国平, 王秀敏, 宋昭, 罗娜, 解真. 2016. 仪器定向误差对地磁日变化记录准确度的影响研究. 地震学报, 38(1): 130--137. doi:10.11939/jass.2016.01.013.

Hu X J, Li X J, Wang J, Li X S, Chang G P, Wang X M, Song Z, Luo N, Xie Z. 2016. Influences of instrument orientation error on the accuracy of daily variation of geomagnetic record.ActaSeismologicaSinica, 38(1): 130--137. doi:10.11939/jass.2016.01.013.