昔阳台FHD-2B质子矢量磁力仪背景噪声超标原因分析及降噪措施

吕永青，张亮娥，宫静芝，王振江

(1.山西省地震局太原基准地震台，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

中国地磁台网引入基于分量质子旋进式磁力仪观测模式的FHD磁力仪[1]，并于 2008 年启用参考背景噪声作为相对记录仪产出观测数据内在质量的评估参数，一般采用一阶差分计算参考背景噪声。根据地磁台网发布的噪声数据，昔阳台FHD-2B质子矢量磁力仪背景噪声值2012年至2018年均超出了台网平均水平，背景噪声大成为影响昔阳台FHD观测数据质量提升的主要因素。

1 观测台站及仪器概况

1.1 台站地质构造

昔阳地磁台位于山西省昔阳县大寨镇金石坡村小寨，处于其东部赞皇隆起和南部的沁水凹陷的过渡地带，沁水煤盆地的东北边缘，以北北东向构造为主，同时存在北南向和北东向构造。台址以北约380 m处为大寨断层，走向北38°东，倾向北西，倾角70°，长8 km，沿断层线有新生代玄武岩出露。大寨断层属晋获断裂带，晋获断裂带全长330 km，最新活动时代为中更新世。经航磁测量，区域磁场平静，构造简单，未发现隐伏磁性岩体。

1.2 FHD-2B型质子磁力仪观测系统

FHD-2B型质子磁力仪(以下简称FHD-2B磁力仪)是根据“十五”中国地震前兆数字化观测网络的要求而研制的，是一种测量地磁场F、H(或Z)、D分量的数字化地磁仪器。该仪器除线圈调节外，其他各项功能实现了数字化、网络化控制，用户可通过因特网浏览该仪器的网页，下载地磁观测数据，监视仪器的运行状态，对仪器进行参数控制。同其他类型的分量质子磁力仪相比，FHD-2B磁力仪是一种观测精度、智能化程度、可靠性与稳定性都较高的地磁准绝对观测仪器。

2008年台站观测环境优化改造时，拆除原有地磁观测室，于监测山洞上方40 m置换的村民用地上新建地磁观测室，建筑采用青石墙，房屋建筑符合规范要求。2010年12月3日安装FHD-2B磁力仪。2012年结束试运行，并入中国地磁台网。

2 昔阳台地磁观测数据噪声分析

昔阳台FHD-2B磁力仪2012年正式投入观测以来，仪器背景噪声值除总场F基本符合要求外，水平分量H、磁偏角D、垂直分量Z的噪声值均高于台网参考背景噪声(见第27页图1)，观测数据曲线毛刺较多，影响了观测质量和对观测数据的准确分析。

3 噪声超标原因分析及降噪措施

3.1 造成背景噪声超标原因分析

(1) 观测环境干扰。

FHD-2B磁力仪的观测环境要求符合规范，磁房温度、环境干扰、墩基不稳等因素都可能对观测仪器造成比较大的影响。在台站磁房建设过程中，要严格按照观测规范中对地磁观测室的标准进行选址和施工[2]。昔阳台磁房的建设符合规范要求，周边无明显干扰源存在，但磁房保温效果较差，当温度较高或较低时，电子器件的工作特性会产生变化，影响观测数据的背景噪声[3]。

图1 昔阳台FHD质子矢量磁力仪噪声图例Fig.1 Xiyangtai FHD Proton vector magnetometer noise legend

(2) 供电干扰。

在观测系统设计时，要避开交流干扰、集成干扰等各种干扰因素，如采取信号线与供电线从不同方向进入仪器室；仪器室与FHD地磁房距离尽量靠近，信号线长度缩短，减少信号衰减造成的影响；保持接地良好，使用专用UPS供电线路，降低数据噪声水平。

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；二是与信号线距离很近，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[4]。

(3) 配谐不精确导致的噪声问题。

目前，国家地磁台网使用的FHD磁力仪探头的电感量约34.20 mL，夏天受温度影响，其电感量要大一些，年变化约0.1 mL；仪器中的配谐电容也是正温度关系，夏天的容量比冬季大0.5%左右。由于FHD磁力仪具有探头电感量可以设置的特点，可以通过修改探头电感量，来改变仪器中的配谐电容值，以达到精确的配谐目的。通常，夏天时，将电感量设置减小0.2 mL左右，冬季增大0.2 mL左右。可根据具体情况，通过监视数据噪声的变化，反复多次修正后，达到最佳效果[5]。

(4) 设备老化对仪器噪声影响大。

生产厂家在主机和线圈出厂时做运行测试，但随着仪器使用时间递增，仪器老化会造成线圈漏电、主机精密度下降等现象。如果仪器使用年限较长，经过多方尝试无法有效解决背景噪声增大的问题，可分别测试线圈和主机的工作精度，如有问题要及时维修和更新。

3.2 台站采取的降噪措施

(1) 为解决观测室温差较大的问题，台站于2018年6月对磁房采用无磁保温材料进行保温施工，同时在气温较低的月份为仪器主机加盖棉被保温，这些措施对降低仪器背景噪声有一定的效果(见图2)。

图2 磁房温度改造前后同时段观测曲线对比图Fig.2 Comparison diagram of observation curve of magnetic room before and after temperature modification

(2) 昔阳台FHD-2B磁力仪安装时将仪器的信号线和电源线捆绑进入观测室，主机与观测线圈距离较长。2018年6月，观测人员对线路进行整改，对主机进行搬迁，使信号线与电源线彻底分离，主机与线圈之间的信号线长度缩减至6 m。重新整理主机后面的电源线路，杜绝电源线环状缠绕,经过线路整改后，对仪器背景噪声的降低起到较明显的作用。

(3) 昔阳台根据自身仪器数据变化情况，在季节变化时适时调整探头电感量，使仪器达到最好的工作状态，对因电感量问题引起的仪器噪声变化起到较好的改进。

(4) 跟踪日常数据，及时处理噪声变化。台站应每天计算各分量的一阶差分均方差[6]，及时发现观测噪声的变化，条件较好的台站一阶差分均方差为：F在0.3左右，H、Z为0.5左右，D为0.04左右。如果台站FHD-2B型仪器在运行过程中出现某个分量(一般F分量除外)的一阶差分均方差数据越来越不稳定，且曲线变粗时，在排除外界的干扰(包括交流电等)后，仍不能解决的，可以尝试打开仪器网页的仪器参数页面，按下“恢复原始参数”按钮。由于数采的跟踪参数会自动刷新,实时参数也会发生变化。

(5) 昔阳台地磁组经过检测后发现线圈存在漏电现象，2019年1月对FHD-2B磁力仪进行更新。将更新后的参考背景噪声值与中国地磁台网对比，已低于地磁台网公布的参考水平(见图3)。

图3 2011-2019年昔阳台FHD质子矢量磁力仪与中国地磁台网的背景噪声对比 Fig.3 Background noise comparison between Xiyangtai FHD proton vector magnetometer and Chinese Geomagnetic network from 2011 to 2019

4 讨论和认识

(1) 对昔阳台FHD-2B仪器背景噪声超标的原因进行查找分析发现，主要原因有观测环境未达规范要求、仪器硬件老化不符合观测条件、观测系统设计不合理、仪器参数设置不合理等。

(2) 改造观测环境不达观测规范要求的部分，调试仪器参数，使仪器在合理的参数范围运行等措施可以有效降低噪声值[7]。如仪器工作年限长，仪器老化，更新仪器可使观测精度大幅提高，噪声水平明显下降。

(3) 对昔阳台FHD-2B磁力仪进行更新后，背景噪声得到有效控制，噪声值低于中国地磁台网公布的参考背景噪声值。

(4) 随着地震行业标准化、信息化建设工作的深入推进，观测环境和观测仪器将进一步规范[8-9]，地磁观测仪器的背景噪声也能从源头上得以控制，为地震监测预报提供可信度高的基础数据。