地磁观测中电磁干扰测定及抑制措施初探*

张环曦　刘　檀　刘　静　周安聘　董　博

(河北省地震局石家庄中心台, 石家庄050021)



地磁观测中电磁干扰测定及抑制措施初探*

张环曦※刘檀刘静周安聘董博

(河北省地震局石家庄中心台, 石家庄050021)

摘要以黄壁庄地震台地磁观测为对象，通过实验测定外界电磁干扰对FHD地磁观测的影响，采取对供电线路加接地、 重新布设观测信号线、 停用稳压电源等方法，使FHD地磁观测的F、 H、 D、 Z数据精度均有显著提高，明显改善了地磁观测数据的质量和精度。

关键词地磁观测； 干扰； 实验； 数据精度

引言

FHD地磁观测台网是地震前兆台网的重要组成部分，它为基于地磁学的地震预测提供基础数据资料，地磁观测数据不仅具有学术研究意义，也是不可或缺的国家基础战略资源[1]。 FHD地磁观测台站的观测设施包括矢量质子磁力仪仪器室、 记录墩、 记录室，级别高的台站还要建设监测桩、 比测亭等设施。 其中，FHD-2B分量质子磁力仪已经在我国几十个地磁台站运行，为地震预报和地球物理研究提供三分量地磁分钟值观测数据[2]。 但是，它产出的资料质量良莠不齐，其中一个重要的因素就是电磁兼容性问题，因FHD质子磁力仪的运行易受到外界电磁干扰源的干扰，导致产出的资料质量下降。 根据有关地磁观测规范，FHD地磁观测台站的观测环境应符合环境背景噪声较小、 电磁骚扰小的要求。 但是，随着电子技术的飞速发展，在有限的时间、 空间和有限的频率资源条件下，由于各种电子设备的数量与日俱增，使用的密集程度越来越大。 电磁环境变得越来越复杂，电磁干扰也正变得越来越严重。 因此，各个观测台站在观测过程中仪器是否受到干扰要做认真准确的分析，才能保证资料的可靠性[3]。

FHD质子磁力仪是江苏省地震局在 “九五” 期间研制的智能化分量质子磁力仪，具有测量精度高、 数字化程度高等特点，全国许多台站已经开始使用[4]。FHD-2B分量质子磁力仪根据质子旋进原理测量地磁场，先测出经选频放大后的频率信号，再经过一系列运算求出地磁场的值。 配用赫姆霍茨线圈可测量水平分量H(或垂直分量Z)和磁偏角D。 测量地磁总场F时，赫姆霍茨线圈不通电流。 测量水平分量H时，采用磁场补偿方法抵消地磁总场的垂直分量Z； 测量磁偏角D时，采用偏置测量方法，即按照一定的几何关系测量并计算得到。 根据相关专家的研究结论，在地震观测过程中均不可避免的会出现各种干扰现象。 在地磁观测的日常运行中，同样存在人为干扰、 车辆影响、 高压直流输电影响、 地铁轻轨影响、 地电阻率观测影响、 交直流切换影响和基建工程影响等干扰因素[4]，对这些干扰因素进行分析，可以提高地磁观测资料的质量，本文主要研究分析电磁干扰对FHD地磁观测的影响及抑制措施。

1试验及其结果

2015年10月11日，作者在黄壁庄地震台利用数字示波器检测FHD所处环境中的各种电信号(供电、 场地、 仪器数采、 线圈)，并做FFT变换，找到能量较强的干扰信号的频带范围。 检测黄璧庄FHD仪器的电磁辐射环境，查找干扰源。

1.1检测GNSS观测室的市电信号

由于FHD-2B的市电供应源自GNSS观测室，故先对GNSS观测室的市电进行变压器耦合降压测量。 由市电信号(图1)可以得出，交流供电电网信号比较稳定，市电信号频率为50.05 Hz，周期为19.98 ms，交流供电符合观测要求，将电网信号进行FFT变换得到该信号的频谱特征(图2)，由图2可以明显看出，在电网频率的奇次倍150 Hz、 250 Hz、 350 Hz、 450 Hz频点上，交流电信号有多次谐波。

图1　GNSS观测室市电信号

1.2检测稳压器的输出信号

由于FHD-2B前端使用了稳压器，作者对稳压器的输出信号进行了检测并进行了FFT变换，由信号频谱特征(图3)可以看出，在150 Hz、 250 Hz、 350 Hz、 450 Hz频点上仍有多次谐波，且谐波值明显高于交流电信号检测值。 这说明该稳压器对电网信号的频谱特性有一定的改造作用，它增强了高次谐波的能量，进而对地磁观测造成了一定的影响，增加了地磁观测的噪声值。

图2GNSS观测室市电频谱图

图3稳压器输出信号的频谱图

1.3检测地磁观测室的市电信号

由于GNSS观测室与地磁观测室之间存在较长导线，考虑到该段导线对信号的影响，因此对地磁观测室的市电信号也进行了测量。 由市电变压器降压信号(图4)可以看出，信号比较稳定，市电信号频率为50.10 Hz，周期为19.96 ms，与供电室交流电相比差别不大，对信号进行FFT变换得到该信号的频谱特征(图5)，在150 Hz、 250 Hz、 350 Hz、450 Hz频点上交流电有多次谐波，谐波值与稳压器的输出信号谐波值基本相同。

图4　地磁观测室市电信号

图5　地磁观测室市电信号频谱图

1.4检测地磁观测室空气中的电磁波

对地磁观测室空气中的电磁波进行检测，实验期间，未见显著干扰信号。

2抑制电磁干扰前后的地磁数据对比

2.1采取的具体抑制措施

2.1.1加接地

有效降低观测数据噪声的办法是保证接地良好。 在日常观测中 FHD-2B 质子磁力仪主要使用交流供电，交流电中含有高频谐波分量，由于仪器信号线和机箱的屏蔽层是金属，虽然有一定的屏蔽作用，但表面也会感应耦合到电磁干扰，如果仪器接地装置不良好，交流电中高频谐波分量会遭受电磁干扰，影响仪器正常观测，造成数据噪声增大，严重的可能导致无法正常工作。 因此，利用在线式UPS或交流净化电源对供电电源进行净化，同时确保仪器接地良好，以便将电磁干扰有效引入地下，从而消除交流电产生的电磁干扰。

为去除感应电干扰，将交流供电线缆的屏蔽线两端进行接地处理。

2.1.2停用稳压电源

交流电磁干扰对FHD质子磁力仪观测影响一般有两种方式，即： 环境电磁干扰与观测系统电磁干扰。 台站附近如果有无线电发射塔发射的无线电波、 高压交流输电线路，都会对观测环境产生电磁干扰，使观测数据噪声增大，影响仪器正常观测。 对此类电磁干扰，国家制定了相应的行业技术规范，台站建台时需避开。 观测系统电磁干扰主要由电源高频谐波干扰、 观测系统探头、 分量线圈、 供电系统及通讯线路造成[5]。

为给仪器提供稳定电流值，交流供电经稳压源后对仪器供电，在实验过程中发现，稳压源在稳压的同时，对交流电高频谐波也有增强作用，直接造成仪器观测数据噪声值增大。 对稳压电源暂时停用。 拟改用滤谐波稳压电源。

2.1.3重新布置仪器信号线

FHD-2B 分量质子磁力仪观测系统中，从探头到仪器主机之间的信号线存在一定线阻和分布电容，如果信号线较短，可以忽略线阻和分布电容对选频的影响； 如果信号线较长，信号线中线阻和分布电容就较大，将对FHD分量核旋仪选频特性产生一定影响。

对仪器信号线进行重新布线，避免了信号线距离过近。 将原有信号线长度缩短，避免仪器信号线过长造成的环路电流影响。

2.1.4观测室加装塑料泡沫隔板

补偿线圈在0～30℃范围内受温度影响非常小，对三分量的测量及其产出的数据没有影响[6]，在观测室加装了塑料泡沫板，减小气流扰动，保证观测室内温度适宜，减小温度变化对仪器正常运行的影响。

2.2数据质量对比

2.2.1原始数据与预处理数据差值曲线分析

为了分析采取抑制措施前后数据质量的变化，随机选取2015年10月4～8日和21～25日两组数据进行差值曲线分析。 从图6可以看出，在未采取措施前，黄壁庄FHD地磁观测D、H、Z、F各分量原始数据超差尖峰数量较多，每天需对原始数据进行尖峰处理，原始数据与预处理数据的最大差值有：D为0.84 nT，H为4.3 nT，Z为4.7 nT，F为4.0 nT。 采取抑制措施后，每日数据去除尖峰数量下降为几个，数据质量明显提升。 原始数据与预处理数据的最大差值变为：D为0.47 nT，H为2.1 nT，Z为1.7 nT，F为1.3 nT。 不但减少了工作量，且数据精度明显提高。 根据以往工作经验，FHD地磁观测数据尖峰数量与观测仪器背景噪声有直接关系，由此得出，数据质量的提高与抑制措施的采取有直接关系。

2.2.2数据精度对比分析

对FHD 2015年10月4～8日、 21～25日全天数据进行精度计算，采用计算观测数据一阶差分均方差的方法。 一阶差分均方差是总体各单位标准值与其平均数离差平方的算术平均数的平方根，在概率统计中常用来作为统计分布程度上的测量，它反映组内个体间的离散程度。 通过计算一阶差分的均方差，可以得到地磁观测数据之间的变化的离散程度，并据此反映出地磁观测数据受到强磁场等干扰因素的影响程度。 由表1可以得出，采取抑制措施前后，地磁观测各分量精度均有不同程度地提高，Z、H、D、F四个分量观测精度分别提高了16%、 34%、 27%、 23%。 可直接得出采取相应抑制措施后，地磁观测数据精度有明显提高。

3结论

(1) 有效降低观测数据噪声的办法是保证接地良好，利用在线式UPS或交流净化电源对供电电源进行净化，同时应确保仪器接地良好，以便将电磁干扰有效引入地下，从而消除交流电产生的电磁干扰。

图6　2015年10月4～8日数据差值曲线

图7　2015年10月21～25日数据差值曲线

FHD观测数据分量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) 在日常观测中，有些干扰无法避免，如磁暴、 日全食等自然现象，对观测资料影响主要表现为数据突跳(特别是磁暴开始时)，究其原因，是因为FHD-2B 观测与磁暴变化不同步，此类变化较易识别与剔除。

(3) 普通供电稳压源在稳压的同时，对交流电高频谐波也有增强作用，直接造成仪器观测数据噪声值增大，应使用能够过滤高频谐波的供电稳压源。

(4) 在地磁观测中应尽量避免仪器信号线过长或线距过短情况发生，以免影响数据质量。

参 考 文 献

[1] 谢凡. 地磁观测中干扰抑制方法的发展及展望. 地球物理学进展，2012，27(3): 967-976

[2] 居海华，夏忠. FHD-2B分量质子磁力仪维护技术. 地震地磁观测与研究，2012，33(5/6): 135-141

[3] 毛华锋，王皓. 地磁观测中的干扰分析及排除. 四川地震，2013(3): 24-30

[4] 夏忠，冯志生，稽才建，等. FHD-1型质子磁力仪的改进及完善. 地震学刊，2002，22(2): 28-31

[5] 夏忠，稽才建，冯志生，等. FHD分量核旋仪观测系统的抗干扰技术. 地震研究，2005，28(1): 102-107

[6] 陈传华，邢伟伟，林秀娜. FHD-1矢量质子磁力仪与温度相关性分析. 华北地震科学，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

中图分类号：P315.72+1；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.014

基金项目：河北省地震局监测、 预测、 科研三结合课题(DZ20150428103)资助。

通讯作者：※张环曦，e-mail: 847950765@qq.com。

* 收稿日期：2015-11-12； 采用日期： 2016-01-29。