红格地震台PS200电法仪抗干扰能力测试

颜晓晔,李绍坤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

1966年邢台地震后，地震观测台站的地电阻率观测至今已近40年，是较为成熟的地震前兆观测手段之一。随着国民经济的不断发展，城乡、工矿民用设备大量增加，部分地震台站地电观测面临较为严重的人类活动干扰，观测环境日渐恶劣，迫切需要有抗干扰能力强、数据精度更高的观测设备，为震情判断，特别是为强地震前震情判断提供可靠的区域地球物理场的信息。目前国内地电阻率观测仪器大多使用中国地震局地壳研究所研制的ZD8M地电仪，ZD8M地电仪工作稳定、性能可靠，仪器的基础观测资料的积累相对完整，可以将其作为评价其他观测仪器抗干扰能力的依据。2016年，在四川省红格地震台、冕宁地震台架设的PS200电法仪开始了日常观测，为检测PS200电法仪器的抗干扰能力，评价和验证其是否达到地震前兆台站的观测规范要求，我们在红格地震台开展了相关测试，并对试验结果进行讨论。对两个台站2016年PS200电法仪观测数据对比分析后发现，红格地震台由于改用井下电阻率观测，供电、测量电极埋设深度较深，观测极距较短，受到的外界人为干扰小，观测数据较为稳定；而冕宁地震台观测场地环境复杂，测区内民房、街道等建筑密集，观测数据相对较差。因此选取红格地震台进行台站抗干扰能力测试比较好。

1 仪器测试原理、方法、内容和结果

1.1 原理

在地震研究中地球电磁物理量的观测主要分为电场的观测、磁场的观测、电磁辐射场的观测和视电阻率的观测。对于地球这样的连续而又不均匀的介质材料而言，直接测量电阻率的方法很不现实，间接测量电阻率的方法则应运而生，仪器所测到的具有电阻率量纲的物理量可称为视电阻率。红格地震台现ZD8M地电仪和PS200电法仪观测所采用的均是直流电法四极方法。简单来讲，在介质的表面或内部埋设4个电极,其中两个(A、B)分别与供电电源正、负极相连，电流通过它们流入介质中；另外两个(M、N)与测量电位差的仪器两端相连，用仪器测定M、N两电极间的电位差△V,将△V与I的比值乘以与四极装置系统电极相对位置有关的常数K，即可求出一个具有电阻率量纲的物理量ρs。

(1)

公式(1)中，常数K具有长度量纲，称之为装置系数，AM、AN、BM、BN为电极间距离，单位为米，具体K为：

(2)

冕宁地震台PS200电法仪2016年观测数据和红格地震台PS200电法仪2016年观测数据曲线参见图1～2。

图1 冕宁地震台PS200电法仪2016年观测数据

图2 红格地震台PS200电法仪2016年观测数据

在向大地提供稳定直流电时，电流通过电极送入大地，当供电电源电压不变时，供电回路中的电流是个常数，这样在供电回路中有一个稳定的电流在流动，存在一个稳定电流场。如果大地介质内部所有可能积存的与供电过程有关的电荷，是由于电源通过电极向大地供电的结果,那么电极与大地接触处的电荷简称为“源”电荷。在大地中电流处于稳定状态时,源电荷的大小可以根据《电动力学》的理论求出(钱家栋，1985):

(3)

公式(3)中I为电源提供的总电流强度,ρ为包围电极的大地介质的电阻率,Q为源电荷的大小。在实际的地电观测中,因为测量电位的电极与供电电极的距离比电极本身的尺寸大得多，在电极与大地接触面上所积存的面电荷在远处所产生的电场,可以被看作与一个位于供电电极中心的点电荷场相当,因此供电电极又称为点电源,其电荷又称为点电源电荷,大小由公式(3)所决定(钱家栋，1985)。ZD8M地电仪和PS200电法仪就是使用直流电源DC通过供电极AB向地下输入电流I，电流I通过测定标准电阻R上的电压V1来确定，在测量极MN上可测得人工供电电位差V2，视电阻率ρs的单位为Ω·m，V1、V2的单位为伏特，标准电阻的单位为欧姆，视电阻率ρs的计算公式为：

(4)

因测得人工供电电位差V2中还包含了仪器自身的漂移、大地极化效应以及自然电位VSP，所以采用正反向进行供电，求其平均值可以消除漂移。那么理论上观测时间越长，次数越多，其观测的数据精度就越高，受外界因素影响就越小。红格台ZD8M地电仪为每小时测量1次，每次5分钟，产出1组观测数据(2017年6月24日更改为每小时测量3次，每次5分钟，产出3组观测数据)；PS200电法仪每小时观测时间25分钟，产出观测数据3组。(参见图3)

PS200电法仪采用了正反向供电的测量模式，为了消除人工电位差中存在的无规则的随机人工干扰，采用了CDMA测量地电阻率原理。通过对供入地下的电流I进行编码调制，在测量端(接收端)同时对V2和V1(I)进行相关检测并解码测量，由于输入电流I与输出V2和V1(I)具有相关性，而其它干扰与电流I不相关，因此最终测量到的V2和V1(I)就是由于输入电流I引起的。CDMA测量之所以能提高测量的精确性，其原理就是通过可控源对供电电流I编码和相关计算，在一段时间内，精确地把V2和干扰区分出来，在输出端有效抑制干扰，提高了测量时的信噪比(赵璧如，2006)(参见图4)。

图3 ZD8地电仪测量时序示意

图4 PS200电法仪监控软件显示测量供电时序

1.2 方法和设备

PS200电法仪台站抗干扰能力测试的目的是测试仪器对不同频率，不同幅度的干扰信号抑制能力。通过信号发生器，在PS200电法仪测量线路上加载正弦波、方波等干扰信号，干扰信号频率采用100 Hz至200 s，幅度采用信噪比0 dB、-20 dB、-40 dB进行。测试设备采用信号发生器和示波器，信号发生器用于干扰信号的输出，示波器用于检测输出信号是否正确。测试设备采用安捷伦Agilent 33220A信号发生器和泰克Tektronix TDS1012示波器。安捷伦Agilent 33220A用于干扰信号的输出，泰克Tektronix TDS1012示波器用于检测输出信号是否正确。

1.3 测试数据

ZD8M地电仪每小时产出1组数据，且保存的数据有效数字为4位；PS200电法仪每小时产出3组数据，保存的数据有效数字为5位。使得在对PS200电法仪进行抗干扰能力测试的时候不能使用ZD8M地电仪数据作为标准计算。通过对ZD8M地电仪进行程序更改，使得两套设备测量产出的数据次数和数据的有效数字位数相同。更改后通过对比观测数据曲线，发现两套设备的变化幅度基本一致(参见图5)。这样，在对PS200电法仪进行抗干扰能力测试的时候，可以将ZD8M地电仪的观测数据作为参考标准来进行。随机抽取2017年7月1日和7月2日的ZD8M地电仪与PS200电法仪观测数据进行相关性计算，其相关系数NS向为0.947 2，EW向为0.948。

1.4 测道的选择

红格地震台测道为NS向和EW两个方向。PS200电法仪测得的NS向视电阻率为22.83 Ω·m，供电电流为4.19 A，K值为789；EW向视电阻率为10.24 Ω·m，供电电流为2.35 A，K值为694。通过公式(1)计算得出NS向测量极的人工电位差为0.121 V，EW向测量极的人工电位差为0.035 V。需要测试的信噪比最大幅度为 -40 dB，那么输出的干扰电压信号和测量信号的倍数A就等于100。如果对NS向进行抗干扰能力测试，需要输出的最大干扰电压信号为12.1 V，对EW向进行抗干扰能力测试，需要输出的最大干扰电压信号为3.5 V。PS200电法仪的测量范围为正负2.5 V，如果选取NS向进行抗干扰能力测试，那么输出的干扰信号远远的大于仪器测量范围，所以只能选取EW向进行抗干扰能力测试。

图5 ZD8地电仪与PS200电法仪视电阻率数据对比曲线图

1.5 测试过程

红格地震台PS200电法仪抗干扰能力测试共进行了37次。测试输出正弦波、方波干扰信号，干扰信号频率分别采用100、50、1、0.2、0.1、0.02、0.01和0.005 Hz，输出干扰电压信号峰峰值分别为35、350和3500 mV。在每次测试前先预调试信号发生器，输出需要的频率、电压和波形，再用示波器用于检测输出信号是否正确。从图6和图7中可以明显看出，方波为PS200电法仪测量时供电信号，正弦波为信号发生器输入的干扰信号，在图8中方波为信号发生器输入的干扰信号，叠加在方波上的信号为PS200电法仪测量时供电信号。

图6 PS200电法仪显示的正弦波干扰信号

图7 PS200电法仪显示的输入正弦波干扰信号

图8 PS200电法仪监控软件显示的输入方波干扰信号

2 测试后计算结果

通过公式(5)计算ZD8M地电仪和PS200电法仪未测试期间的数据平均偏差，得到PS200电法仪的参考标准视电阻率值P。

(5)

公式(5)中，P为PS200电法仪测试时间段的参考标准视电阻率值，Z为PS200电法仪测试时ZD8M地电仪观测数据，X、Y为ZD8M地电仪和PS200电法仪未测试期间同一时间观测的数据，计算得出平均偏差为0.191 Ω·m。通过计算的参考标准视电阻率值，对测试数据进行偏差和相对偏差的计算，相对偏差曲线参见图9、图10和图11。

(0.1 Hz测试数据偏差21.814%为测试过程中出现错误所致)图9 PS200电法仪信噪比0 dB数据相对偏差曲线

图10 PS200电法仪信噪比-20 dB数据相对偏差曲线

图11 PS200电法仪信噪比-40 dB数据相对偏差曲线

3 结论

通过对PS200电法仪的抗干扰能力测试，发现该仪器对相对干扰频率较高、幅度较小的信号有较好的抑制能力，相对偏差能达到0.1%；但是随着干扰频率逐步降低，干扰信号幅度逐步加强，抑制能力相对较差，特别是在干扰信号达到-40 dB的时候，正弦波信号相对偏差最大达到208%，方波信号相对偏差最大达到383%。在对红格台PS200电法仪进行抗干扰能力测试时，参考标准视电阻率值是通过ZD8M地电仪计算得出的，所以在对地电阻率仪器进行台站抗干扰能力测试的时候，还需要考虑到以下因素：(1)选取干扰小的台站。场地环境干扰对地电阻率观测的影响不容忽视，会导致观测精度降低、甚至使数据失去使用价值。在测试过程中，需选择认为干扰较小、数据记录平稳的观测台站进行对比分析。(2)选择合适观测仪器测道的测试信号。针对进行的抗干扰能力测试需要输出的最大信号不能超过仪器测量范围，在计算输出干扰信号幅度的时候就需要考虑到仪器的测量信号范围，最好选取人工电位差较小的测道，这样就可以给出较大的干扰信号幅度。

钱家栋，林云芳，王德志，等.1995.国家地震局科技监测司.地震电磁观测技术[M].北京:地震出版社，1-20.

赵璧如，赵健，张洪魁，等.2006.PS100型I P到端可控源高精度大地电测仪系统—CDMA技术首次在地电阻率测量中的应用[J].地球物理学进展，2(21)：675-682.