張環(huán)曦　劉　檀　劉　靜　周安聘　董　博

(河北省地震局石家莊中心臺(tái), 石家莊050021)

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地磁觀測中電磁干擾測定及抑制措施初探*

張環(huán)曦※劉檀劉靜周安聘董博

(河北省地震局石家莊中心臺(tái), 石家莊050021)

摘要以黃壁莊地震臺(tái)地磁觀測為對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)測定外界電磁干擾對(duì)FHD地磁觀測的影響，采取對(duì)供電線路加接地、 重新布設(shè)觀測信號(hào)線、 停用穩(wěn)壓電源等方法，使FHD地磁觀測的F、 H、 D、 Z數(shù)據(jù)精度均有顯著提高，明顯改善了地磁觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。

關(guān)鍵詞地磁觀測； 干擾； 實(shí)驗(yàn)； 數(shù)據(jù)精度

引言

FHD地磁觀測臺(tái)網(wǎng)是地震前兆臺(tái)網(wǎng)的重要組成部分，它為基于地磁學(xué)的地震預(yù)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，地磁觀測數(shù)據(jù)不僅具有學(xué)術(shù)研究意義，也是不可或缺的國家基礎(chǔ)戰(zhàn)略資源[1]。 FHD地磁觀測臺(tái)站的觀測設(shè)施包括矢量質(zhì)子磁力儀儀器室、 記錄墩、 記錄室，級(jí)別高的臺(tái)站還要建設(shè)監(jiān)測樁、 比測亭等設(shè)施。 其中，F(xiàn)HD-2B分量質(zhì)子磁力儀已經(jīng)在我國幾十個(gè)地磁臺(tái)站運(yùn)行，為地震預(yù)報(bào)和地球物理研究提供三分量地磁分鐘值觀測數(shù)據(jù)[2]。 但是，它產(chǎn)出的資料質(zhì)量良莠不齊，其中一個(gè)重要的因素就是電磁兼容性問題，因FHD質(zhì)子磁力儀的運(yùn)行易受到外界電磁干擾源的干擾，導(dǎo)致產(chǎn)出的資料質(zhì)量下降。 根據(jù)有關(guān)地磁觀測規(guī)范，F(xiàn)HD地磁觀測臺(tái)站的觀測環(huán)境應(yīng)符合環(huán)境背景噪聲較小、 電磁騷擾小的要求。 但是，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在有限的時(shí)間、 空間和有限的頻率資源條件下，由于各種電子設(shè)備的數(shù)量與日俱增，使用的密集程度越來越大。 電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜，電磁干擾也正變得越來越嚴(yán)重。 因此，各個(gè)觀測臺(tái)站在觀測過程中儀器是否受到干擾要做認(rèn)真準(zhǔn)確的分析，才能保證資料的可靠性[3]。

FHD質(zhì)子磁力儀是江蘇省地震局在 “九五” 期間研制的智能化分量質(zhì)子磁力儀，具有測量精度高、 數(shù)字化程度高等特點(diǎn)，全國許多臺(tái)站已經(jīng)開始使用[4]。FHD-2B分量質(zhì)子磁力儀根據(jù)質(zhì)子旋進(jìn)原理測量地磁場，先測出經(jīng)選頻放大后的頻率信號(hào)，再經(jīng)過一系列運(yùn)算求出地磁場的值。 配用赫姆霍茨線圈可測量水平分量H(或垂直分量Z)和磁偏角D。 測量地磁總場F時(shí)，赫姆霍茨線圈不通電流。 測量水平分量H時(shí)，采用磁場補(bǔ)償方法抵消地磁總場的垂直分量Z； 測量磁偏角D時(shí)，采用偏置測量方法，即按照一定的幾何關(guān)系測量并計(jì)算得到。 根據(jù)相關(guān)專家的研究結(jié)論，在地震觀測過程中均不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種干擾現(xiàn)象。 在地磁觀測的日常運(yùn)行中，同樣存在人為干擾、 車輛影響、 高壓直流輸電影響、 地鐵輕軌影響、 地電阻率觀測影響、 交直流切換影響和基建工程影響等干擾因素[4]，對(duì)這些干擾因素進(jìn)行分析，可以提高地磁觀測資料的質(zhì)量，本文主要研究分析電磁干擾對(duì)FHD地磁觀測的影響及抑制措施。

1試驗(yàn)及其結(jié)果

2015年10月11日，作者在黃壁莊地震臺(tái)利用數(shù)字示波器檢測FHD所處環(huán)境中的各種電信號(hào)(供電、 場地、 儀器數(shù)采、 線圈)，并做FFT變換，找到能量較強(qiáng)的干擾信號(hào)的頻帶范圍。 檢測黃璧莊FHD儀器的電磁輻射環(huán)境，查找干擾源。

1.1檢測GNSS觀測室的市電信號(hào)

由于FHD-2B的市電供應(yīng)源自GNSS觀測室，故先對(duì)GNSS觀測室的市電進(jìn)行變壓器耦合降壓測量。 由市電信號(hào)(圖1)可以得出，交流供電電網(wǎng)信號(hào)比較穩(wěn)定，市電信號(hào)頻率為50.05 Hz，周期為19.98 ms，交流供電符合觀測要求，將電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到該信號(hào)的頻譜特征(圖2)，由圖2可以明顯看出，在電網(wǎng)頻率的奇次倍150 Hz、 250 Hz、 350 Hz、 450 Hz頻點(diǎn)上，交流電信號(hào)有多次諧波。

圖1　GNSS觀測室市電信號(hào)

1.2檢測穩(wěn)壓器的輸出信號(hào)

由于FHD-2B前端使用了穩(wěn)壓器，作者對(duì)穩(wěn)壓器的輸出信號(hào)進(jìn)行了檢測并進(jìn)行了FFT變換，由信號(hào)頻譜特征(圖3)可以看出，在150 Hz、 250 Hz、 350 Hz、 450 Hz頻點(diǎn)上仍有多次諧波，且諧波值明顯高于交流電信號(hào)檢測值。 這說明該穩(wěn)壓器對(duì)電網(wǎng)信號(hào)的頻譜特性有一定的改造作用，它增強(qiáng)了高次諧波的能量，進(jìn)而對(duì)地磁觀測造成了一定的影響，增加了地磁觀測的噪聲值。

圖2GNSS觀測室市電頻譜圖

圖3穩(wěn)壓器輸出信號(hào)的頻譜圖

1.3檢測地磁觀測室的市電信號(hào)

由于GNSS觀測室與地磁觀測室之間存在較長導(dǎo)線，考慮到該段導(dǎo)線對(duì)信號(hào)的影響，因此對(duì)地磁觀測室的市電信號(hào)也進(jìn)行了測量。 由市電變壓器降壓信號(hào)(圖4)可以看出，信號(hào)比較穩(wěn)定，市電信號(hào)頻率為50.10 Hz，周期為19.96 ms，與供電室交流電相比差別不大，對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到該信號(hào)的頻譜特征(圖5)，在150 Hz、 250 Hz、 350 Hz、450 Hz頻點(diǎn)上交流電有多次諧波，諧波值與穩(wěn)壓器的輸出信號(hào)諧波值基本相同。

圖4　地磁觀測室市電信號(hào)

圖5　地磁觀測室市電信號(hào)頻譜圖

1.4檢測地磁觀測室空氣中的電磁波

對(duì)地磁觀測室空氣中的電磁波進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)期間，未見顯著干擾信號(hào)。

2抑制電磁干擾前后的地磁數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1采取的具體抑制措施

2.1.1加接地

有效降低觀測數(shù)據(jù)噪聲的辦法是保證接地良好。 在日常觀測中 FHD-2B 質(zhì)子磁力儀主要使用交流供電，交流電中含有高頻諧波分量，由于儀器信號(hào)線和機(jī)箱的屏蔽層是金屬，雖然有一定的屏蔽作用，但表面也會(huì)感應(yīng)耦合到電磁干擾，如果儀器接地裝置不良好，交流電中高頻諧波分量會(huì)遭受電磁干擾，影響儀器正常觀測，造成數(shù)據(jù)噪聲增大，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致無法正常工作。 因此，利用在線式UPS或交流凈化電源對(duì)供電電源進(jìn)行凈化，同時(shí)確保儀器接地良好，以便將電磁干擾有效引入地下，從而消除交流電產(chǎn)生的電磁干擾。

為去除感應(yīng)電干擾，將交流供電線纜的屏蔽線兩端進(jìn)行接地處理。

2.1.2停用穩(wěn)壓電源

交流電磁干擾對(duì)FHD質(zhì)子磁力儀觀測影響一般有兩種方式，即： 環(huán)境電磁干擾與觀測系統(tǒng)電磁干擾。 臺(tái)站附近如果有無線電發(fā)射塔發(fā)射的無線電波、 高壓交流輸電線路，都會(huì)對(duì)觀測環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，使觀測數(shù)據(jù)噪聲增大，影響儀器正常觀測。 對(duì)此類電磁干擾，國家制定了相應(yīng)的行業(yè)技術(shù)規(guī)范，臺(tái)站建臺(tái)時(shí)需避開。 觀測系統(tǒng)電磁干擾主要由電源高頻諧波干擾、 觀測系統(tǒng)探頭、 分量線圈、 供電系統(tǒng)及通訊線路造成[5]。

為給儀器提供穩(wěn)定電流值，交流供電經(jīng)穩(wěn)壓源后對(duì)儀器供電，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓源在穩(wěn)壓的同時(shí)，對(duì)交流電高頻諧波也有增強(qiáng)作用，直接造成儀器觀測數(shù)據(jù)噪聲值增大。 對(duì)穩(wěn)壓電源暫時(shí)停用。 擬改用濾諧波穩(wěn)壓電源。

2.1.3重新布置儀器信號(hào)線

FHD-2B 分量質(zhì)子磁力儀觀測系統(tǒng)中，從探頭到儀器主機(jī)之間的信號(hào)線存在一定線阻和分布電容，如果信號(hào)線較短，可以忽略線阻和分布電容對(duì)選頻的影響； 如果信號(hào)線較長，信號(hào)線中線阻和分布電容就較大，將對(duì)FHD分量核旋儀選頻特性產(chǎn)生一定影響。

對(duì)儀器信號(hào)線進(jìn)行重新布線，避免了信號(hào)線距離過近。 將原有信號(hào)線長度縮短，避免儀器信號(hào)線過長造成的環(huán)路電流影響。

2.1.4觀測室加裝塑料泡沫隔板

補(bǔ)償線圈在0～30℃范圍內(nèi)受溫度影響非常小，對(duì)三分量的測量及其產(chǎn)出的數(shù)據(jù)沒有影響[6]，在觀測室加裝了塑料泡沫板，減小氣流擾動(dòng)，保證觀測室內(nèi)溫度適宜，減小溫度變化對(duì)儀器正常運(yùn)行的影響。

2.2數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比

2.2.1原始數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)差值曲線分析

為了分析采取抑制措施前后數(shù)據(jù)質(zhì)量的變化，隨機(jī)選取2015年10月4～8日和21～25日兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行差值曲線分析。 從圖6可以看出，在未采取措施前，黃壁莊FHD地磁觀測D、H、Z、F各分量原始數(shù)據(jù)超差尖峰數(shù)量較多，每天需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行尖峰處理，原始數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)的最大差值有：D為0.84 nT，H為4.3 nT，Z為4.7 nT，F(xiàn)為4.0 nT。 采取抑制措施后，每日數(shù)據(jù)去除尖峰數(shù)量下降為幾個(gè)，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提升。 原始數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)的最大差值變?yōu)椋篋為0.47 nT，H為2.1 nT，Z為1.7 nT，F(xiàn)為1.3 nT。 不但減少了工作量，且數(shù)據(jù)精度明顯提高。 根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)HD地磁觀測數(shù)據(jù)尖峰數(shù)量與觀測儀器背景噪聲有直接關(guān)系，由此得出，數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高與抑制措施的采取有直接關(guān)系。

2.2.2數(shù)據(jù)精度對(duì)比分析

對(duì)FHD 2015年10月4～8日、 21～25日全天數(shù)據(jù)進(jìn)行精度計(jì)算，采用計(jì)算觀測數(shù)據(jù)一階差分均方差的方法。 一階差分均方差是總體各單位標(biāo)準(zhǔn)值與其平均數(shù)離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，在概率統(tǒng)計(jì)中常用來作為統(tǒng)計(jì)分布程度上的測量，它反映組內(nèi)個(gè)體間的離散程度。 通過計(jì)算一階差分的均方差，可以得到地磁觀測數(shù)據(jù)之間的變化的離散程度，并據(jù)此反映出地磁觀測數(shù)據(jù)受到強(qiáng)磁場等干擾因素的影響程度。 由表1可以得出，采取抑制措施前后，地磁觀測各分量精度均有不同程度地提高，Z、H、D、F四個(gè)分量觀測精度分別提高了16%、 34%、 27%、 23%。 可直接得出采取相應(yīng)抑制措施后，地磁觀測數(shù)據(jù)精度有明顯提高。

3結(jié)論

(1) 有效降低觀測數(shù)據(jù)噪聲的辦法是保證接地良好，利用在線式UPS或交流凈化電源對(duì)供電電源進(jìn)行凈化，同時(shí)應(yīng)確保儀器接地良好，以便將電磁干擾有效引入地下，從而消除交流電產(chǎn)生的電磁干擾。

圖6　2015年10月4～8日數(shù)據(jù)差值曲線

圖7　2015年10月21～25日數(shù)據(jù)差值曲線

FHD觀測數(shù)據(jù)分量4日5日6日7日8日21日22日23日24日25日精度平均提高比例Z0.620.620.530.670.630.620.470.460.550.4916%H0.990.810.621.130.910.700.540.470.560.6634%D0.130.130.150.220.160.110.110.110.130.1227%F0.550.470.300.630.500.420.360.320.440.3523%

(2) 在日常觀測中，有些干擾無法避免，如磁暴、 日全食等自然現(xiàn)象，對(duì)觀測資料影響主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)突跳(特別是磁暴開始時(shí))，究其原因，是因?yàn)镕HD-2B 觀測與磁暴變化不同步，此類變化較易識(shí)別與剔除。

(3) 普通供電穩(wěn)壓源在穩(wěn)壓的同時(shí)，對(duì)交流電高頻諧波也有增強(qiáng)作用，直接造成儀器觀測數(shù)據(jù)噪聲值增大，應(yīng)使用能夠過濾高頻諧波的供電穩(wěn)壓源。

(4) 在地磁觀測中應(yīng)盡量避免儀器信號(hào)線過長或線距過短情況發(fā)生，以免影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 謝凡. 地磁觀測中干擾抑制方法的發(fā)展及展望. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27(3): 967-976

[2] 居海華，夏忠. FHD-2B分量質(zhì)子磁力儀維護(hù)技術(shù). 地震地磁觀測與研究，2012，33(5/6): 135-141

[3] 毛華鋒，王皓. 地磁觀測中的干擾分析及排除. 四川地震，2013(3): 24-30

[4] 夏忠，馮志生，稽才建，等. FHD-1型質(zhì)子磁力儀的改進(jìn)及完善. 地震學(xué)刊，2002，22(2): 28-31

[5] 夏忠，稽才建，馮志生，等. FHD分量核旋儀觀測系統(tǒng)的抗干擾技術(shù). 地震研究，2005，28(1): 102-107

[6] 陳傳華，邢偉偉，林秀娜. FHD-1矢量質(zhì)子磁力儀與溫度相關(guān)性分析. 華北地震科學(xué)，2008，26(1): 30-34

Measures on electromagnetic interference suppression in geomagnetic observation and determination

Zhang Huanxi，Liu Tan，Liu Jing，Zhou Anpin，Dong Bo

(Shijiazhuang Central Station of Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China)

AbstractTaking Huangbizhuang geomagnetic earthquake observation as the object, the effects of external electromagnetic interference on FHD geomagnetic observation are determined through experimental method. FHD geomagnetic observationF,H,D,Zdata accuracy were improved significantly by taking the power linked the ground rearranging the observation signal line, stopping the stabilized voltage supply method in the power supply line. As a result, the geomagnetic observation data quality and accuracy are improved obviously.

Keywordsgeomagnetic observation; interference; experiment; data precision

中圖分類號(hào)：P315.72+1；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.014

基金項(xiàng)目：河北省地震局監(jiān)測、 預(yù)測、 科研三結(jié)合課題(DZ20150428103)資助。

通訊作者：※張環(huán)曦，e-mail: 847950765@qq.com。

* 收稿日期：2015-11-12； 采用日期： 2016-01-29。