地磁 FHD 型质子矢量磁力仪噪声性能故障分析?以宿迁台为例

彭澎　孙煜杰　张荣杉　张朋　夏忠

摘要针对宿迁台 FHD 型质子矢量磁力仪观测数据从2020年4月28日出现噪声增大问题，我们通过对仪器参数设置、观测环境、观测仪器、运行状况分类逐一进行检查、排查与分析，确认 FHD 仪器主机发生故障。故障原因为仪器补偿电流电路中的电容器件老化被击穿，检修更换器件得以解决。经检修后，该仪器观测数据磁偏角 D 、水平分量 H 和垂直分量 Z 的计算平均噪声由故障时的1.19′、1.45 nT、1.58 nT降低为0.82′、0.32 nT、0.50 nT，各分量噪声水平获得了明显的改善。通过对地磁仪器和外部观测环境问题的分类检查、检测与判断，并对查明引起数据噪声增大原因归类总结，为地磁台站查找分析数据噪声变大主要原因提供一种科学有效的检测方法。

关键词地磁观测；FHD 仪器；数据噪声；故障分析

中图分类号： P315.62文献标识码： A文章编号：2096-7780（2023）04-0153-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-059

Noise fault analysis ofFHD proton vector magnetometer： Taking Suqian geomagnetic station as an example

Peng Peng，Sun Yujie，Zhang Rongshan，Zhang Peng，Xia Zhong

（Suqian Seismic Monitoring Center Station， Jiangsu Suqian 223800， China）

AbstractIn this paper we analyzed the increased noise in the observation data ofFHD proton vector magnetometer at Suqian station from April 28，2020. After we checked and analyzed the instrument parameter settings，observation environment，instrument and operation conditions，the failure of FHD instrument is confirmed. The capacitor in the instrument compensation current circuit was broken down due to aging，and we solved the problem by replacing the faulty capacitor. After the repairmen，the calculated background noise of magnetic declination D，horizontal component Hand vertical component Z decreased from 1.19′，1.45 nT，1.58 nT to 0.82′，0.32 nT，0.50 nT，and the noise quality of each component had been significantly improved. Through the inspection，detection and judgment of geomagnetic instruments and external observation environmental problems，we summarize the reasons for the noise fault. This paper provides a scientific and effective detection method for geomagnetic stations to find and analyze the main reason for thedata noise problems.

Keywordsgeomagnetic observation; FHD instrument; data noise; failure analysis

引言

宿遷地震台地磁数据从2020年4月28日下午开始，出现磁偏角 D 数据噪声明显变大现象，4月 30日水平分量 H 与垂直分量 Z 数据噪声也开始变大，严重影响到了宿迁台地磁观测资料质量和在震情会商中的数据应用。为快速查明原因、排除故障、降低数据噪声，台站采取查看仪器设置参数、检测仪器状况、观察磁房周边观测环境、测量交直流供电及信号线路、检查传感器线圈及探头安装方位角和测试接地电阻等环节，逐一进行分析、判断，最后确认是 FHD 型质子矢量磁力仪补偿电流电路中的电容器件老化漏电所致，经更换电容器件，台站 FHD 型质子矢量磁力仪观测数据噪声恢复正常。

1 宿迁台地磁环境和仪器简介

宿迁地震台位于宿迁市嶂山森林公园内（图1），地处马陵山郯庐大断裂带 F1和 F2断层之间，海拔高度66.9 m，台基为上白垩统王氏组紫红色砾岩，土层覆盖较浅。台站对监测郯庐断裂带中南端及我省苏中、苏北地区的中、小地震活动具有重要意义。

宿迁地震台地磁观测系统于2012年12月入网投入观测，配置 FHD-2B 型质子矢量磁力仪及传感器线圈、探头。原始数据主要有地磁准绝对观测总场强度 F、水平分量 H 和相对观测磁偏角 D 的变化量，然后计算出地磁垂直分量 Z 分钟数据值。采样率为分钟值，分辨率＜0.1 nT，测量范围20000—70000 nT。主机、探头和线圈均安装在地磁观测室内，相距 20 m，供电线路和信号线路采用平行方式连接。地磁仪器墩坐落在王氏组底部的紫红色砾岩上，台基较稳定。台站西北约400 m 处有晓店110 kV 变电所，东侧300 m处是30 kV 高压线，但这些对观测数据影响都较小，正常条件下，观测场测量地磁平均梯度＜2 nT/m。自地磁观测系统投入观测运行以来，为台站地磁观测和数据分析研究提供了准确、可靠、连续、可信、完整的地磁资料。观测仪器设备基本信息

2 宿迁台地磁背景噪声

自2012年12月 FHD 型质子矢量磁力仪投入运行以来，宿迁台地磁观测环境保护工作做得较好，仪器运行稳定，数据质量良好，在全国与江苏省地磁监测资料评比中多次获得前三名的好成绩，在省、市局震情会商资料应用中也发挥了较好的作用。

地磁数据背景噪声是判断观测资料质量的一个重要依据。因此，定期地选择特定时段，计算台站地磁观测4分量在相应时段的数据噪声来评价數据质量是台站一项重要的基础性工作（表2）。宿迁台 FHD 型质子矢量磁力仪在2020年1—4月期间突然出现数据噪声相对台网背景噪声略有增大现象，经初步计算分析可能是仪器主机开始老化原因，但地磁背景观测数据质量是合格的，计算参数值也符合要求。

但从2020年5月开始，宿迁台地磁仪器数据噪声除了总场 F 正常外，其他数据噪声出现明显变大情况，其中水平分量 H 数据噪声和垂直分量 Z 数据噪声较历史数据噪声增大3倍以上，数据质量明显下降。

3 宿迁台地磁噪声问题的解决过程

从2020年4月28日开始，宿迁台地磁仪器磁偏角 D 记录数据就出现毛刺增大情况，计算一阶差分值明显变大；到4月30日，除总场 F 数据正常，其他各分量噪声变大，造成水平分量 H、垂直分量 Z 数据不可用；各测项由于干扰造成计算平均噪声值（表2）出现 D、H、Z 三分量数据噪声都明显变大情况：由故障前的0.71′、0.42 nT、0.4 nT变大为故障时的1.19′、1.45 nT、1.58 nT。

地磁场活动在特选时段的变化相对缓慢，观测数据的一阶差分相当于噪声数据的峰值，因此，可用数据的一阶差分来表征噪声水平[1]。图2为宿迁台噪声故障出现前后 FHD 型质子矢量磁力仪观测各分量一阶差分曲线，可以看出，出现故障后地磁数据噪声明显变大。

为了准确分析判断宿迁台地磁观测背景噪声变大、曲线变粗的原因，台站开始逐一检查仪器参数设置、仪器运行状态、地磁房室内及周边观测环境、测试仪器交直流供电及信号线路、传感器线圈及探头安装方位角、检测接地电阻值等。

3.1 具体检查步骤

3.1.1 仪器参数检查

通过网页登录调取 FHD 型质子矢量磁力仪设置参数，确认仪器调谐值是否正常。

参考背景噪声存在季节变化特征，夏季高而冬季低[2]。因时间正处春末夏初，为排除温度变化原因造成噪声变大，多次调整仪器探头电感量，数据质量无改善，排除仪器设置参数和环境温度变化影响。

3.1.2 观测环境检查

通过调取台站监控录像，反复察看仪器噪声变化时段观测环境状态。分析数据噪声变大原因时，对台站周边铁磁性物质、线路接触不良进行调试检查，排除观测场地环境变化引起仪器噪声变大因素。

江苏境内共有12个地磁台：南京、高淳、无锡、溧阳、海安、高邮、淮安、连云港、新沂、宿迁、盐城和大丰，图1是江苏地磁台站分布情况。台站地磁观测仪器均为质子旋进磁力仪（ FHD-2B），数据采样率为分钟值。从2003年起，江苏省地磁观测就受到了高压直流输电的影响[3]。2020年4月28日噪声增大现象出现前的5日内，都未受到外界高压直流输电干扰，因此，初步判定宿迁台地磁数据噪声变化与外界高压直流输电干扰无关。

3.1.3 探头观测方位角检查

接入外接电池盒，观察仪器传感器线圈与探头观测方位角改变是否影响数据噪声，确认仪器观测方位角变化对数据噪声增大无影响。

3.1.4 线路整理及接地电阻检查

进行仪器观测室内部线路整理。将仪器主机到探头的信号线与电源线尽量分开。并仔细检查和梳理仪器主机后面板连接信号线、补偿电流输出线、偏置电流输出线、电源线、信号线、接地线，确认相互不交叉。各类线头接入仪器部分重接拧紧，排除接触不良造成噪声变大情况。

采用 ZC29B-2型接地电阻仪对仪器接地情况进行检测，检测结果接地电阻2.2Ω ， 符合规范要求。

各类线路经整理后，磁偏角 D 数据噪声有明显改善，证明线路中存在有工频信号干扰，但水平分量 H、垂直分量 Z 数据噪声没有改善（图3）。

3.1.5 远程指导下更换电容元件

在排除仪器设置参数、观测环境、交直流供电及信号线路、传感器方位角、接地电阻等故障原因无果的情况下，台站远程求助了省局 FHD 仪器专家。根据宿迁台前面逐一排障过程分析，结合宿迁台数据噪声问题是总场正常而水平分量和磁偏角数据不正常的数据表现，初步判断 FHD 仪器主机存在故障。

通过远程视频的方式获悉仪器运行状态前面板的指示灯状态和信号处理单元电路板的状态，最终确认仪器补偿电流电路中一个电解电容器件被击穿从而出现漏电故障。通过更换相应的电容器件，并确认电容正负极无误，重新安装仪器上位机并恢复供电。

FHD 型质子矢量磁力仪采用数字化选频与自动跟踪技术，在进行水平分量 H 的测量和计算磁偏角 D 时，需要主机提供补偿电流为赫姆霍茨线圈产生补偿磁场。仪器补偿电流电路电容器件故障会导致自动选频的调谐值参数和实际测量的磁场相差较大，进而导致测量精度下降。在更换故障电容后，再次检查仪器面板补偿电流输出情况，确认仪器输出补偿电流与参数设置的电流值一致，故障得到排除。

3.2 维修结果验证

仪器检修完毕开机进行数据观测，需要验证维修结果的正确性。根据地磁学科记录数据噪声计算公式如下：

式中，S 表示某分量记录数据的一阶差分的绝对值； C 表示相应一阶差分绝对值出现的频度（即各个一阶差分值出现次数/总数）；n 为满足某个绝对值频度大于80%所对应的数值。

出现故障时，计算各测项干扰平均噪声值为： D（故障时）1.19′，H（故障时）1.45 nT，Z（故障时）1.58 nT。

经检修后，计算各测项的平均噪声值为：D（维修后）0.82′，H（维修后）0.32 nT，Z（维修后）0.50 nT，各分量噪声水平得到明显改善。虽然，平均噪声值仍高于故障前平均噪声水平，但仪器稳定运行一段时间（一星期）后，再观察记录数据和噪声计算分析，数据正常，确认仪器运行恢复正常。

4 思考与结论

宿迁台 FHD 型质子矢量磁力仪观测数据噪声变大因仪器故障导致，最后在省局仪器专家的远程指导下解决，前期检查花费时间较多，以致造成地磁数据较长一段时间不可用，使台站地磁数据质量和分析预报研究工作受到较大影响。显然，尽快提高台站仪器运维水平十分必要，因此，很有必要对这次仪器维修进行认真总结和提高认知。

为此，我们归类总结了 FHD 型质子矢量磁力仪观测数据噪声问题及一般排查解决方法，并列表如下（表3）。

宿迁台地磁数据噪声前期问题主要是总场正常，而其他测项不正常；如能通过计算数据变化迅速判断数据异常表现，分析原因，寻求解决办法，这样可以大幅缩短排查故障时间，提高台站观测数据连续率。

目前，全国地球物理监测台网运行 FHD 型质子矢量磁力仪有近百套，大部分运行时间已有10年左右，积累了大量的观测数据[4]，为我国的地震分析预报研究和地球磁场科学研究发挥了积极作用，但数据噪声问题也在逐年增多。造成噪声变大的原因有观测系统问题也有外部观测环境变化问题。地磁台站业务人员亟待了解不同干扰类型在实际观测数据中的具体表现，以提高仪器与数据故障排查效率。

通过对江苏地区12个地磁台站2014年12月— 2022年4月仪器故障归类总结，经统计，维修仪器共计61次，其中采用重启仪器和调整仪器参数排除故障24次，更换电路老化器件解决故障28次，更换仪器主机8次。在维修更换电路老化器件中，有存储卡出现故障13次，主机内部电源故障4次，探头及线圈故障3次，通信单元故障3次，补偿电路故障3次。初步估计，平均每个台站每两年可能遇到仪器故障1次，但有80%的故障可以通过重启、调整仪器参数和更换部分元器件解决。地磁台可以根据常见故障分类，备份如存储卡、主机内部电源等出现故障频率较高的元器件。只要能够准确判断故障点，大部分故障可以在厂家或专家技术指导下解决，有效缩短维修时间，从而提高台站观测资料的连续率[5-6]。

参考文献

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PengYZ， HeYF， XiaZ， etal. ThetemperatureinfluenceondatanoiseoftheFHDmagnetometer[J]. Seismologicaland Geomagnetic Observation and Research，2015，36（2）：103-107

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

JuHH， XiaZ. MaintenancetechnologyforFHD-2Btypecomponentprotonmagnetometer[J]. SeismologicalandGeomagnetic Observation and Research，2012，33（5）：135-141

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