丰宁台FHD仪背景噪声减小措施分析

2019-12-23李庆武胡秀娟张玉林郭亚亚陈立强孙彭涛

山西地震 2019年4期

李庆武，胡秀娟，张玉林，郭亚亚，陈立强，孙彭涛

(1.河北省地震局承德地震台，河北承德 067000；2.河北省地震局红山基准地震台，河北邢台 054000)

0 引言

地磁观测参考背景噪声是指固定台站某套仪器对磁场变化相应的灵敏程度，是台网数据质量评比的一项重要内容[1]。对丰宁地震台达二营地磁观测站(以下简称丰宁台)2017年FHD仪产出的观测数据进行分析时，发现记录曲线毛刺较多、背景噪声偏大，超出台网背景噪声的几倍，严重影响丰宁台观测资料的质量，于是开展了减小FHD仪背景噪声的工作。首先，对观测环境进行排查；之后，通过检查供电干扰、缩短信号线路等方式进行逐一排查，最终减小了FHD仪背景噪声，提高了仪器的观测精度。

1 丰宁台观测环境和观测仪器简介

丰宁台属于国家基本台，位于河北省承德市丰宁县西山根。随着周边经济的发展，地磁观测环境遭到破坏，2011年开始重新选址建设FHD-2B仪器探头房。新址位于达二营村，占地面积11亩，东面为山坡，南面300 m处为民居，西面和北门为农田，观测环境良好。依据地磁观测规范，在施工过程中对建设材料、仪器墩等进行了严格筛选，2012年9月完成建设，台址位置如图1所示。

图1 丰宁台位置图Fig.1 Location map of Fengning station

FHD-2B数字化地磁观测系统于2013年8月在新址架设完毕，该系统观测的对象是连续记录地磁场中总强度F、水平分量H、磁偏角D随时间的变化，由探头、线圈和主机三部分构成。测量范围20 000～70 000 nT，分辨率<0.1 nT，总强度F精度<0.3 nT，水平分量H精度<0.6 nT，磁偏角D精度<0.1′[2]。

2 丰宁台观测资料情况

根据地磁场时空变化规律一致性与相关性的特点，可选取一个相对稳定的台站作为参考进行对比分析，判断台站仪器观测数据是否可靠[3]。红山台位于河北省隆尧县，观测数据背景噪声较小，质量良好，FHD系列评比连续多年获得全国前三名和省局第一名。2017年2月15日丰宁台和红山台FHD-2B仪的观测数据如图2所示。

图2 2017年2月15日丰宁台与红山台FHD仪观测数据曲线Fig.2 Observation data curve of FHD instrument at Fengning and Hongshan stations on February 15, 2017

由图2看出，丰宁台FHD仪各分量观测数据与红山台数据变化一致性较好，D分量和H分量的记录曲线明显变粗，毛刺较多。对2017年1至5月两个台站的背景噪声与台网背景噪声平均值进行比较(见表1)。

表1 2017年1月至5月台站背景噪声值

由表1可见，红山台各分量背景噪声与台网背景噪声平均值大小相当，丰宁台总强度F的背景噪声为台网背景噪声的4倍，水平分量H和磁偏角D的参考背景噪声为台网的2倍，超出仪器本身的测量精度。

3 影响参考背景噪声的相关干扰

影响FHD仪观测数据背景噪声的主要有观测环境、交流电干扰、信号线长度等。针对丰宁台仪器背景噪声偏大的问题，主要从以下几方面进行排查。

3.1 场地环境分析

FHD仪是根据质子旋进的原理研制，探头内部由一对灌装煤油的线圈构成，如果观测场地水平梯度较大，就会使得探头里两个线圈感应的信号不一样，叠加信号减弱，造成观测数据重复性降低，背景噪声增大[4]。2017年4月,丰宁台对新建探头房内的梯度重新进行测量，测量结果如图3所示。根据地磁台网建设规范要求，水平梯度应不大于1.5 nT/m，而图3显示出探头房的水平梯度小于0.5 nT/m。由此可见，FHD仪的观测环境符合国家地磁台站建设要求。

图3 丰宁台FHD仪探头房梯度测量等值线Fig.3 Contour of gradient measurement in probe room of FHD instrument in Fengning station

3.2 供电干扰分析

观测室内供电线路的合理性关系到是否会产生交流电磁干扰，原因主要为两方面。一方面是由于环状线路与仪器探头上方的交流线路，可通过探头感应，使测量数据背景噪声变大；另一方面是与信号线距离较近，尤其是与信号线平行的交流供电线路，通过信号线的电磁耦合，将电磁干扰耦合至仪器，使测量数据背景噪声增大[2，4]。

2017年6月，丰宁台对观测室内供电情况进行排查时发现，仪器的信号线和电源线距离较近，两条线路捆绑在一起，同时进入仪器观测室。另外还发现主机后面的线路比较混乱，电源线已缠绕成环状。针对上述问题，首先对信号线和电源线进行重新埋设，布设信号线时远离交流电线，在进入仪器室时，电源线和信号线从不同方向进入观测室，保证信号线与电源线的有效分离；其次，重新整理主机后面的电源线路，解决电源线环状缠绕问题；最后，为避免仪器和线路之间的相互干扰，对场地内的其他实验仪器进行停测。

3.3 信号线干扰分析

从探头到主机之间的信号线中存在一定线阻和分布电容，如果信号线较短，线阻和分布电容对选频的影响可以忽略；如果信号线较长，信号线中的分布电容和电阻就比较大，会降低选频共振的幅频特性和信噪比，还会降低探头的极化电流，从而降低质子旋进信号的强度，使得测量的观测数据背景噪声增大[2，4]。因此，信号线长度对测量数据的背景噪声易产生较大影响。

丰宁台原FHD主机安装在台站办公室，距离探头房约八十多米。2017年7月，在距离探头房约30 m的地方，为FHD临时搭建一个简易主机室，缩短信号线长度近50 m，重新对信号放大倍数与分布电容修正值进行调整。信号线缩短后，观测数据曲线线条明显变细。

3.4 仪器自身影响分析

FHD主机使用的电子器件具有一定的工作温度范围，当温度较高或较低时，电子器件的工作特性将产生一些变化，影响观测数据的背景噪声[5]。考虑到缩短信号线时，将FHD安装在简易主机室，保温效果较差，尤其在夏季和冬季。为了避免仪器因温度引起背景噪声变大，2017年10至11月，重新建设FHD主机室，于12月底完成FHD主机的安装架设。

4 结果分析

为验证背景噪声的改善效果，将红山台和昌黎台FHD仪背景噪声一并引入，对比分析。其中，昌黎台位于河北省昌黎县，观测数据质量良好。对比丰宁台、红山台和昌黎台2017年1月至2018年4月各要素的背景噪声曲线如图4-图6所示。

图4 总强度F背景噪声曲线图Fig.4 Total intensity F background noise curve

由图4可见，总强度F的背景噪声明显减小。2017年1月至5月的平均值为1.22 nT，经改造后，6月至12月平均值为0.53 nT，2018年1月至4月的平均值为0.34 nT。对比改造前后，丰宁台背景噪声减小了近4倍，目前其数值与红山台相当，略大于昌黎台。由图5可见，水平分量H的背景噪声明显减小。2017年1月至5月的平均值为0.87 nT，改造后，6月至12月平均值为0.68 nT，2018年1月至4月的平均值为0.52 nT。目前其数值与昌黎台相当，略大于红山台。