提高地电阻率观测精度研究

陈 嵩，李旭东，陈志刚，王宝锁，李颖楠，程立康，胡 嵩

（天津市地震局，天津 300201）

提高地电阻率观测精度研究

陈 嵩，李旭东，陈志刚，王宝锁，李颖楠，程立康，胡 嵩

（天津市地震局，天津 300201）

随着国民经济的快速发展，地电阻率的观测环境受到各种干扰，其中采用直流牵引技术的城市轨道交通干扰尤为严重，致使一些地电阻率观测台站的观测数据无法满足规范要求，部分台站因此被迫搬迁。进一步改善观测系统测量模式，提高其观测精度势在必行。通过多种方法实验，提出了一些抗干扰措施，达到了提高观测精度的目的，为进一步提升地电阻率观测质量做了技术铺垫。

地电观测；地铁干扰；噪声水平；观测精度；高阶差分

0 引言

在大地视电阻率观测中，因测量线路长、测区占地大，外界的电磁干扰、工业离散电流、地电场的自然变化，以及观测系统本身的问题，比如测量电极极化不稳定、线路漏电等，使得被测信号中夹杂着的大量的干扰［1－3］。多年来，从事地电观测与研究的人员针对观测中的干扰以及提高观测精度做了大量的工作，如赵家骝等提出的正反向供电技术［4］、张世中等提出的采用变周期供电测量方法［5］等，对于地电测量中的一些稳定干扰，如高频干扰、交流工频的共模和串模干扰等有了特殊的抑制能力，但对于干扰中变化较慢且无规律的部分抑制效果尚欠佳。笔者通过大量实验研究，提出了一些抗干扰措施，对于提高地电阻率测量观测精度有一定的作用。

1 现状

天津市地震局共有地电阻率观测台站4个，由于城市建设的不断发展，台站周边的观测场地遭受到了不同程度的破坏，尽管采取了一定的遏制措施，但不能杜绝建设行为的影响，尤其是地铁、轻轨等直流牵引技术的轨道交通建设，尽管距离台站较远，但其干扰严重影响地电阻率观测，致使其观测精度不断下降［6］。

目前天津市正式运营的有轻轨线路1条，地铁线路4条，仍有地铁在建线路进行施工，天津市轨道交通建设及开始运营时间如下：

①轻轨，2003年12月1日至12月10日试通车，2004年3月28日正式运营。

②地铁九号线，2003年9月30日建成通车，2004年3月28日开始试运营。

③地铁一号线，2005年12月28日建成通车，2006年6月12日开始试运营。

④地铁二号线，2012年7月1日东西分段试运营（西段为曹庄－东南角区间，东段为天津站－空港经济区区间），于2013年8月28日开通全线试运营。

⑤地铁三号线，2012年10月1日，小淀－高新区区间开通试运营，2013年12月28日，高新区－南站区间开通试运营。

表1为天津局4个地电阻率台站与市内地铁的相对位置与距离。

如图1所示：轻轨、地铁运行后，地电阻率台站的观测均方差开始变大，塘沽、青光台地电观测受影响最大，观测精度严重下降，宝坻、徐庄子台因距离较远，干扰较小，但从日均方差看仍有干扰存在。

表1 台站与地铁相对位置Tab.1 The relative position of seismic station and the subway line

2 干扰测试

2014年5月选择了宝坻地震台和青光地震台2个受地铁干扰最为严重的台站进行了干扰测试，测试时间约为24h。通过对测试结果的分析，总结了平静期（地铁停运期间）和干扰期（地铁运行期间）台站场地干扰信号幅度、人工供电电位差和信噪比的情况。

2.1 宝坻台干扰测试

宝坻台背景噪声，平静期（0～5时）NS测向噪声幅度为 0.52mV，EW 测向噪声幅度为0.43mV；干扰期（6～23时）NS测向噪声幅度为3.23mV，EW测向噪声幅度为1.9mV。

人工供电电位差南北和东西方向均为41mV，平静期内的信噪比NS向为38dB左右，EW向为 40dB，干扰期内的信噪比 NS向为22dB，EW向为27dB，平静期观测比干扰期观测NS向和EW向的信噪比分别降低了16 dB和13dB左右。

图3～4为宝坻台平静期和干扰期频域分析结果。可以看出在平静期低频段没有明显干扰，干扰期有明显干扰，主要干扰信号周期在130～180s之间。

2.2 青光台干扰测试

青光台背景噪声，平静期（0～5时）NS测向噪声幅度为 0.49mV，EW 测向噪声幅度为1.28mV；干扰期（6～23时）NS测向噪声幅度为21.87mV，EW测向噪声幅度为13.27mV。

其人工供电电位差NS和EW方向大约为

9mV左右，平静期内的信噪比NS为25dB左右，EW方向为17dB，干扰期内的信噪比NS方向为－8dB，EW方向为－3dB，平静期观测比干扰期观测分别降低了33dB和20dB左右。

表2 宝坻地震台场地噪声幅度Tab.2 Site noise amplitude of Baodi Seismic Station

表3 青光地震台场地噪声幅度Tab.3 The site noise amplitude of Qingguang Seismic Station

图6～7为青光台平静期和干扰期频域分析结果。可以看出在平静期低频段没有明显干扰，当地铁运行期内可见有明显干扰，主要干扰信号周期在117～166s之间，在EW方向还有一个周期为69s左右的干扰信号。

3 提高观测精度方法

3.1 以往研究成果

3.1.1 双向供电技术

赵象骝等用公式及实验证明了正反向供电观测方法应用于视电阻率观测优于单方向供电观测方法；在供电电流不变时正反向供电观测方法的信噪比比单方向供电的信噪比大一倍，而且对长周期干扰的抑制作用增强［4］。目前全国所用的测量仪器均已经实现正反向供电，观测精度基本一致。

3.1.2 采用变周期供电测量

张世中等提出了一种消除地电阻率观测中随机误差的新方法，这种方法采用有限长的伪随机

码来控制正反向供电周期，是针对等周期正反向供电法对和测量周期接近的干扰信号抑制能力差而所作的改进。其在实验室固定干扰源实测中，等周期测量 20次，测量地电阻率相对误差为49.28%；变周期测量20次，测量地电阻率相对误差为15.18%，结果表明采取变周期供电测量法可减少测量的随机误差。若进一步增加测量组数，同样会加长仪器的工作时间，所以采用观测系统现有的伪随机供电方式，其抑制效果并不比增加测量组数方法更好［5］。

3.2 增加观测次数

根据减小误差的方法，增加测量次数对于减小误差有很好的效果，可以提高观测精度。我们在宝坻台进行了测试，两方向分别供电15次，进行读取供电电位差的测量，试验结果如表4所示。

表4 供电电流I＝2.620A时，进行多次测量计算均方差Tab.4 Mean variance of repeated measurement calculation，when the supply current I＝2.620A

根据表4的实际观测数据，对观测次数分别为5次、10次、15次记录的ΔV进行计算，所得的均方差数据不但未提高，反而有所降低，说明对于固定频率的干扰，增加观测次数并不能有效提高观测精度，这与张世中等“增加采样个数，不能减小方差”［7］的实验结果一致。

3.3 提高供电电流

根据信噪比公式：

式中，VMN供为测量极上测得的由供电产生的人工电位差，VMN扰为测量极上测得的背景扰动电压幅度。通过提高观测供电电流，可以加大人工电位差VMN供，因VMN扰是固定的，所以对提高精度有一定作用。

从实验可以看出（表5），供电电流2.5A比2A的精度提高10%左右，3A与2.5A间的变化不大，说明当供电电流提高到一定程度，观测精度不会无限制提高。

3.4 采用高阶差分处理

差分法实际上是微分的离散形式，一阶差分就是离散函数中相邻两项之差，二阶差分就是一阶差分后所得新离散函数的一阶差分，高阶差分就是对序列做连续多次的差分运算。导数是研究

连续函数单调性和最值性的重要工具，同样差分法也是研究离散函数（数列）单调性和最值性的有效方法。

表5 不同供电电流记录的月精度Tab.5 Monthly precision of different power supply current record

四阶差分是地面高精度磁测的一种统计计算方法。它通过计算测线上每个测点及其前后各两个点的四阶差分值，与全线各点四阶差分平均值的均方差，作为检验观测质量的依据，它代表观测仪器的噪声水平［8］。

具体算法如下：

二阶后向差分可由公式（2）得出：

表6 NS向观测数据进行多阶差分计算后的均方差（Ω·m）Tab.6 Variance multi order difference calculation to the direction NS observation data（Ω·m）

表6为通过地电仪器采集的正反向供电电位差，经过不同阶数差分计算得到的均方差结果，在平静时段所得到的各阶差分结果的均方差变化不大，在干扰时段的结果经过不同阶数差分后得到的数据均方差有明显提高。

通过重写仪器内部测量程序芯片，在仪器内存中将测量结果进行多阶差分后作为供电电位差计算地电阻率，可以有效消除低频干扰。

2015年6月18日在青光地震台进行的更改仪器程序工作，对测量的人工电位差进行多阶差分处理后再进行电阻率计算，得到的各小时均方差明显降低，取得了很好的效果（图8）。

4 结论

截至2015年底，全国有20座城市已有或在建地铁，21座城市已获批建设地铁。城市有轨直流运输系统对地震前兆地电阻率观测台站不可避免地会造成影响。《地震台站观测环境技术要求（第 2部分）：电磁观测》（GB／T 19531.2—2004）［9］明确指出：城市有轨直流运输系统轨道与地电阻率观测场地中心的距离应不小于30 km。从作者的实验数据可以看出，距离市内地铁50km外的宝坻台仍可记录到地铁干扰。除了被动搬迁和重建外，进一步改进地电阻率观测系统，提升其抗干扰能力，是地电科技工作者的当务之急［3］。

本文选择受城市轨道交通干扰严重的青光地震台和距离较远的宝坻地震台作为测试分析对象，对观测的干扰数据进行FFT和功率谱处理，得出了城市轨道交通运行时的干扰能量集中在110～180s之间，同时进行了多种实验，结果表明：

（1）地铁运行期间，距离50km外的地电台站仍可记录到运行干扰。

（2）单纯的增加观测次数不能有效抑制地铁干扰。

（3）增强供电电流可以有效提高信噪比，从而提高观测精度，但碍于供电电源制作技术，供电电流受到限制。

（4）重新编制仪器内部工作程序，采用高阶差分数据处理方法，可以有效提高数据观测精度，是目前不改变观测系统情况下最有效的提高观测精度方法。

致谢：本文在实验过程中得到了中国地震局分析预报中心赵家骝老师、中国地震局地壳应力研究所王兰炜老师的大力支持与帮助，在此深表感谢。

［1］ 王燚坤，隆爱军，黄显良，等.安徽省地电阻率观测干扰因素的分析［J］.防灾科技学院学报，2011，13（4）：52－56.

［2］ 纪廷辉，王亮，李京锦.义县地震站地电阻率数字

化观测的干扰因素的分析［J］.防灾减灾学报，2015，31（3）：90－94.

［3］ 徐锡泉，高昌志.地电观测环境干扰造成地电阻率数据变化的影响分析［J］.高原地震，2015，27（4）：36－40.

［4］ 赵家骝，李海亮，李建，等.用正向供电技术提高视电阻率观测精度［J］，西北地震学报，1996，18（2）：31－36.

［5］ 张世中，赵家骝，王燕琼.一种消除地电阻率观测中随机误差的新方法［J］.西北地震学报，2001，23（1）：88－91.

［6］ 龚永俭，李旭东，陈嵩，等.宝坻地震台地电阻率观测效能评价［J］.内陆地震，2013，27（1）：74－80.

［7］ 张世中，石航，王兰炜，等.地电台站受城市轨道交通干扰的测试分析与抗干扰措施研究［J］.地震学报，2013，35（1）：117－124.

［8］ 李大明，徐国华.四阶差分法在高精度磁侧中的应用［J］.物探与化探，1990，14（1）：42－46.

［9］ 钱家栋，顾左文，赵家骝，等.2010b.GB／T 19531.2—2004地震台站观测环境技术要求（第2部分）：电磁观测［S］／／地震标准汇编2009.北京：地震出版社：204－207.

Research on Improving the Accuracy of Earth Resistivity Observation

Chen Song，Li Xudong，Chen Zhigang，Wang Baosuo，Li Yingnan，Cheng Likang，Hu Song
（Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China）

The rapid development of the national economy，earth resistivity observation environment is interfered.City rail traffic interference which adopts DC traction technology is particularly serious.Some data of earth resistivity observation stations can’t meet the standard requirements，and some stations were forced relocation.Through the test and analysis of the stations with serious interference，the paper puts forward some anti⁃interference measures，and makes a technical basis for the further improvement of the quality of the earth resistivity observation.

geo⁃electric observation；subway interference；noise levels；observation accuracy；high order differential

P315.72

A

1673－8047（2016）03－0065－09

2016－05－26

天津市地震局科研项目（20131003）

陈嵩（1973—），男，本科，高级工程师，主要从事地震台站电磁、流体观测技术的研究。