歐陽(yáng)新艷 申旭輝

1)中國(guó)北京 100036 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所

2)中國(guó)北京 100871 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院

3)中國(guó)北京 100085 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所

0 引言

衛(wèi)星觀測(cè)能夠?qū)εc地震孕育有關(guān)的地球物理場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀測(cè)，具有高動(dòng)態(tài)和覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，可彌補(bǔ)地面離散臺(tái)站觀測(cè)能力的不足（申旭輝等，2011）。中國(guó)首顆電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星正在推進(jìn)，其主要科學(xué)目標(biāo)包括獲取中國(guó)及鄰區(qū)電磁場(chǎng)、電離層和高能粒子的觀測(cè)數(shù)據(jù)及提取與大地震孕育過(guò)程有關(guān)的電磁、等離子體和高能粒子的擾動(dòng)信息（Shen et al，2011）。電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星將搭載測(cè)量空間電場(chǎng)、磁場(chǎng)、等離子體和高能粒子參量的儀器，軌道高度約500 km，傾角約98°，為太陽(yáng)同步圓軌道衛(wèi)星（Shen et al，2011）。該衛(wèi)星大部分載荷和軌道特點(diǎn)與法國(guó)DEMETER衛(wèi)星類(lèi)似，可利用DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展相關(guān)分析，為中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

DEMETER衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，張學(xué)民等（2008）、歐陽(yáng)新艷等（2008，2011）、張學(xué)民等（2009）、劉靜等（2011）、顏蕊等（2013）利用該衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了地震電磁、電離層擾動(dòng)研究。就地震電磁研究，多集中討論DEMETER衛(wèi)星探測(cè)的ELF/VLF頻段擾動(dòng)（Bhattacharya et al，2007；何宇飛等，2009；曾中超等，2009；張學(xué)民等，2009；張學(xué)民等，2009；Akhoondzadeh et al，2010；Onishi et al，2011；Zhang et al，2011；朱濤等，2011；Zhang et al，2012；澤仁志瑪?shù)龋?012）。對(duì)于震前ULF擾動(dòng)，近年研究逐漸增多，在汶川地震、海地地震和智利地震前均發(fā)現(xiàn)了ULF異?，F(xiàn)象（Athanasiou et al，2011；Zhang et al，2012；Walker et al，2013；Zhang et al，2014）。0.01—100 Hz 頻段的電磁波在空間中傳播模擬研究表明：ULF頻段（f＜ 20—30 Hz）輻射可能穿透巖石圈到達(dá)地表，并傳播進(jìn)入頂部電離層和磁層，從而被地面和空間觀測(cè)系統(tǒng)記錄（Molchanov et al，1995）。因而，ULF（0.01—10 Hz）電磁擾動(dòng)被認(rèn)為最具前景的地震前兆之一（Hayakawa et al，2007）。在地面ULF觀測(cè)中，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了多個(gè)地震前ULF異常擾動(dòng)的可靠記錄（Fraser-Smith et al，1990；Molchanov et al，1992；Hayakawa et al，1996；張建國(guó)等，2010）。對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的ULF異常擾動(dòng)研究近年剛起步，有待深入研究。

本文針對(duì)DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)的ULF電場(chǎng)波形數(shù)據(jù)，對(duì)其中出現(xiàn)的典型干擾進(jìn)行分析，以便利用該數(shù)據(jù)開(kāi)展地震應(yīng)用研究提供參考，并為分析中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星同類(lèi)數(shù)據(jù)干擾提供借鑒。

1 ULF電場(chǎng)波形數(shù)據(jù)

法國(guó)DEMETER衛(wèi)星于2004年6月發(fā)射進(jìn)入太陽(yáng)同步軌道，軌道高度710 km，2005年12月軌道高度下降為660 km。法國(guó)DEMETER衛(wèi)星的主要科學(xué)目標(biāo)是研究由地震電磁效應(yīng)引起的電離層擾動(dòng)及由人類(lèi)活動(dòng)（如地面電力系統(tǒng)諧頻輻射、地面甚低頻發(fā)射機(jī)發(fā)射的VLF波動(dòng)等）引起的電離層擾動(dòng)（Cussac et al，2006；Parrot et al，2006）。DEMETER衛(wèi)星的探測(cè)數(shù)據(jù)以半軌道文件組織，上行半軌越過(guò)赤道時(shí)間對(duì)應(yīng)夜間22∶30 LT，下行半軌對(duì)應(yīng)白天10∶30 LT。

DEMETER衛(wèi)星搭載多種載荷，分別為電場(chǎng)探測(cè)儀（Berthelier et al，2006）、感應(yīng)式磁力儀（Parrot et al，2006）、朗繆爾探針（Lebreton et al，2006）、等離子體分析儀（Berthelier et al，2006）和高能粒子探測(cè)器（Sauvaud et al，2006）。其中，電場(chǎng)探測(cè)儀由4個(gè)球形傳感器（E1，E2，E3，E4）組成，安裝于4個(gè)伸桿末端，衛(wèi)星上電場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)處理由BANT模塊完成（Berthelier et al，2006）。電場(chǎng)探測(cè)儀提供4個(gè)頻段的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分 別 為 DC/ULF（0—15 Hz）、ELF（15 Hz—1 kHz）、VLF（15 Hz—17.4 kHz）和 HF（10 kHz—3.175 MHz）。根據(jù)衛(wèi)星巡查（Survey）和詳查（Burst）工作模式，地面接收不同頻段的電場(chǎng)數(shù)據(jù)為波形或功率譜數(shù)據(jù)。DC/ULF頻段可提供巡查和詳查模式下4通道電勢(shì)的波形數(shù)據(jù)，通過(guò)兩兩傳感器的電壓相減得到電勢(shì)差，進(jìn)而得到3個(gè)方向的電場(chǎng)數(shù)據(jù)。DC/ULF頻段采樣率為39.062 5 Hz，以16位進(jìn)行數(shù)字化，則電勢(shì)測(cè)量分辨率約0.3 mV，對(duì)應(yīng)電場(chǎng)分辨率約 40 μV/m（Berthelier et al，2006）。

2 ULF電場(chǎng)波形數(shù)據(jù)典型干擾

2.1 標(biāo)定信號(hào)干擾

DEMETER衛(wèi)星的電場(chǎng)探測(cè)儀采用主動(dòng)式雙探針探測(cè)原理，在測(cè)量過(guò)程中為了確定必需的極化電流，需要生成標(biāo)定信號(hào)序列，進(jìn)而測(cè)量?jī)蓚€(gè)球形傳感器（E1，E3）在此期間的阻抗，會(huì)在兩個(gè)球形傳感器的極化電流上疊加625 Hz和10 kHz的標(biāo)定信號(hào)（Berthelier et al，2006）。圖1為2005年2月4日白天的一條半軌道記錄，展示了標(biāo)定信號(hào)對(duì)DC/ULF頻段波形數(shù)據(jù)的影響，給出了DC/ULF頻段衛(wèi)星坐標(biāo)系下Ex、Ey和Ez三分量波形及VLF頻段功率譜。從三分量波形看，Ex和Ez波形出現(xiàn)周期性干擾信號(hào)，Ey波形未表現(xiàn)相同干擾信號(hào)。由于電場(chǎng)儀工作過(guò)程中，只對(duì)2個(gè)球形傳感器施加標(biāo)定信號(hào)，兩兩傳感器差分獲得的電場(chǎng)值通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣變換到衛(wèi)星坐標(biāo)系，由此可知衛(wèi)星坐標(biāo)系的Ey分量沒(méi)有來(lái)自施加標(biāo)定信號(hào)的傳感器貢獻(xiàn)。結(jié)合VLF頻段E12的功率譜，進(jìn)一步確定該干擾由上述標(biāo)定信號(hào)引起。從圖1(d)清晰可見(jiàn)，625 Hz處沿半軌道出現(xiàn)較強(qiáng)的周期信號(hào)。在軌道開(kāi)始時(shí)間T0處觀測(cè)到一次干擾信號(hào)，約T0+4 min處又有一干擾信號(hào)；在T0+7 min處進(jìn)入詳查（Burst）模式，伴隨一干擾信號(hào)；隨后，在T0+11 min處有一干擾信號(hào)；在T0+13 min處進(jìn)入巡查（Survey）模式，同步觀測(cè)到一干擾信號(hào)，且每4 min可觀測(cè)到一次干擾信號(hào)。電場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄干擾出現(xiàn)時(shí)間與電場(chǎng)儀標(biāo)定信號(hào)工作時(shí)間一致，即在每次詳查和巡查模式開(kāi)始時(shí)以及兩種工作模式中每4 min生成一組標(biāo)定信號(hào)；在詳查模式下，標(biāo)定信號(hào)持續(xù)1 s，而在巡查模式下，標(biāo)定信號(hào)持續(xù)4 s（Berthelier et al，2006）。

DEMETER衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，于2004年8月上旬至2005年4月上旬和2007年10月底至2007年11月初（與DEMETER衛(wèi)星首席科學(xué)家Michel Parrot教授私人交流）激活標(biāo)定工作。圖2給出2007年11月5日夜間一條半軌道觀測(cè)的DC/ULF頻段三分量波形以及VLF頻段E12方向功率譜。與圖1類(lèi)似，Ex和Ez分量波形出現(xiàn)周期干擾信號(hào)。結(jié)合VLF頻段功率譜，發(fā)現(xiàn)該擾動(dòng)信號(hào)位于625 Hz，并以周期4 min出現(xiàn)；沿此半軌道無(wú)工作模式切換，因而干擾信號(hào)均以相同周期均勻出現(xiàn)。

此類(lèi)脈沖式干擾以固定周期出現(xiàn)，易于聯(lián)想到固定周期標(biāo)定信號(hào)。通過(guò)查看VLF頻段功率譜，可以明確干擾所在頻率。干擾出現(xiàn)的時(shí)間特點(diǎn)與標(biāo)定信號(hào)的工作時(shí)間一致，在電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)中觀測(cè)到此類(lèi)信號(hào)即可確認(rèn)為由標(biāo)定信號(hào)引起的干擾。

圖1 2005年2月4日03150_0軌道DC/ULF頻段波形干擾示例(a) Ex分量波形；(b) Ey 分量波形；(c) Ez分量波形；(d)VLF頻段E12方向功率譜Fig.1 An example of interferences of DC/ULF waveforms of orbit 03150_0 on Feb.4, 2005

圖2 2007年11月5日17859_1軌道DC/ULF頻段波形干擾(a) Ex分量波形；(b) Ey 分量波形；(c) Ez分量波形；(d)VLF頻段E12方向功率譜Fig.2 Interferences of DC/ULF waveform of orbit 17859_1 on November 5, 2007

2.2 詳查（Burst）模式期間噪聲干擾

另外一種典型干擾為DC/ULF波形在詳查模式期間噪聲水平增加。如圖1中，約01∶02—01∶08UT時(shí)段為詳查模式，從Ex和Ez分量波形記錄可見(jiàn)電場(chǎng)幅度噪聲明顯增加，Ey分量無(wú)相同現(xiàn)象。這是因?yàn)镈C/ULF頻段疊加大尺度感應(yīng)電場(chǎng)信號(hào)，該信號(hào)來(lái)源于衛(wèi)星橫越地球磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的V×B電場(chǎng)。DEMETER衛(wèi)星沿Z軸運(yùn)動(dòng)，X軸是天底方向，因而V×B電場(chǎng)主要影響Ey分量。有研究指出，通過(guò)IGRF得到磁場(chǎng)B矢量，并獲取衛(wèi)星速度V矢量，將V×B電場(chǎng)從DC/ULF頻段的原始波形記錄中去除，以便獲得真實(shí)的空間電場(chǎng)(P??a et al，2011)。該方法計(jì)算復(fù)雜且會(huì)引入新的誤差。我們提出，直接使用滑動(dòng)平均方法獲得趨勢(shì)波形，通過(guò)原始波形去除趨勢(shì)波形即可得到DC/ULF頻段波形的小擾動(dòng)，亦可突出干擾信號(hào)。圖3給出2005年2月4日03150_0軌道DC/ULF頻段的Ex、Ey和Ez分量波形（與圖1軌道相同），橫軸為地磁緯度，從65°S至65°N。從圖3可見(jiàn)，去除趨勢(shì)波形后得到擾動(dòng)波形[圖3(c)]，發(fā)現(xiàn)詳查模式期間（約20°—36°N），DC/ULF頻段波形噪聲水平增強(qiáng)同樣體現(xiàn)在Ey分量，而在原始波形記錄中觀測(cè)不到此現(xiàn)象。

為了確認(rèn)在詳查模式期間DC/ULF波形記錄的信號(hào)特征，給出該軌道Ex、Ey和Ez分量功率譜，見(jiàn)圖4。DC/ULF功率譜增強(qiáng)頻段在約1 Hz以下。由于圖4利用64點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)分段估計(jì)，可知頻率的分辨率約0.6 Hz，對(duì)于1 Hz以下的細(xì)節(jié)區(qū)分度不夠。本文只關(guān)心詳查模式下噪聲增加現(xiàn)象，圖4給出的功率譜用來(lái)確認(rèn)巡查和詳查模式下是否觀測(cè)到不同頻率的信號(hào)。圖4中的兩條白色細(xì)線(xiàn)表示詳查模式開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，可見(jiàn)此時(shí)段功率譜密度比其他時(shí)段整體增加，但未觀測(cè)到單個(gè)頻率或頻段的增強(qiáng)信號(hào)。查看其他軌道在DC/ULF頻段的波形記錄，發(fā)現(xiàn)詳查期間也存在噪聲水平增強(qiáng)現(xiàn)象，而功率譜結(jié)果表明，無(wú)單個(gè)頻率或頻段干擾。雖然詳查模式期間ULF波形記錄的噪聲水平增加，但由于并不存在單個(gè)頻點(diǎn)或頻段的干擾信號(hào)，對(duì)于后續(xù)分析空間真實(shí)的ULF擾動(dòng)影響不大。

圖3 2005年2月4日03150_0軌道DC/ULF頻段Ex、Ey和Ez分量（a）原始波形；（b）趨勢(shì)波形；（c）擾動(dòng)波形Fig.3 Waveforms of Ex，Ey and Ez components in the DC/ULF frequency band of orbit 03150_0 on February 4, 2005

圖4 2005年2月4日03150_0軌道DC/ULF頻段Ex、Ey、Ez分量功率譜(a) Ex分量；(b) Ey分量；(c) Ez分量Fig.4 Power spectra of Ex, Ey and Ez components in the DC/ULF frequency band of orbit 03150_0 on February 4, 2005.

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)的DC/ULF頻段波形典型干擾進(jìn)行分析，通過(guò)與VLF頻段功率譜進(jìn)行對(duì)比，確定周期約4 min的標(biāo)定信號(hào)引起DC/ULF頻段Ex和Ez分量波形的周期干擾。DC/ULF波形在詳查期間噪聲水平增加，由ULF頻譜發(fā)現(xiàn)，此干擾并非來(lái)自單個(gè)頻點(diǎn)或頻段的信號(hào)，對(duì)于分析空間真實(shí)的ULF擾動(dòng)影響不大。希望通過(guò)對(duì)DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)的DC/ULF頻段波形典型干擾的分析，有助于后續(xù)研究ULF電場(chǎng)擾動(dòng)，并為我國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星同類(lèi)數(shù)據(jù)干擾分析提供借鑒。

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