文安地震台 FHD 质子磁力仪噪声干扰分析

王秋根　吝利民　张聪聪　张庆扬

摘要文安台 FHD-2B 质子磁力仪噪声值在2020—2021年出现地磁 F 分量观测数据噪声偏大。其噪声与环境温度存在高相关性，表现为冬季噪声大，夏季噪声小的现象。我们依次对磁房周围环境、供电電压、接地电阻、供电线路是否漏电、探头是否漏油、工频干扰等进行排查，未能发现明显干扰源。通过研究 FHD 质子磁力仪的原理发现，FHD 质子磁力仪的配谐电容 C 容量会随温度变化，温度低时容量小，温度高时容量大。配谐电容 C 容量变化会影响振荡回路中心频率f0，导致噪声增大。由于文安台 FHD 质子磁力仪噪声与温度有关联，我们推测 FHD 噪声增大可能与仪器配谐电容 C 容量变化有关。通过调节探头电感量 L 可修正配谐电容容量变化对回路中心频率f0的影响。经多次实验，精细调整探头电感量 L，当选定34.4 mH为探头电感量值时，发现地磁 F 分量的噪声值明显下降，数据曲线变光滑，噪声干扰排除。

关键词 FHD-2B 质子磁力仪；数据噪声；电感量

中图分类号： P315.62文献标识码： A文章编号：2096-7780（2023）07-0303-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-174

Analysis on noise interference ofFHD proton magnetometeratWenan seismic station

Wang Qiugen1），Lin Limin2），Zhang Congcong2），Zhang Qingyang1）

1） Baoding Earthquake Monitoring Center Station， Hebei Baoding 071000， China

2） Linfen Earthquake Monitoring Center Station， Shanxi Linfen 041000， China

AbstractThe FHD-2B proton magnetometer at Wenan station had large F component noise from 2020 to 2021. There is a high correlation between noise interference and temperature，which is generally characterized by high noise inwinter and low noise insummer. Thesurroundingenvironment，powersupply voltage，grounding resistance，powersupply line leakage，probe leakage and power frequency interference of the magnetic room were checked respectively， and no interference sources were found. By studying the principle of FHD proton magnetometer，it is found that theharmonic capacitance capacity of FHD proton magnetometer changes with temperature. The capacity is small at lowtemperature and large at high temperature. The change of the capacity of the harmonic capacitor will affect the centerfrequencyof theoscillationcircuit f0，resultinginincreasednoise. Sincethenoiseinterferenceof theFHDproton magnetometer at Wenan station is highly correlated with temperature，it is speculated that the noise interference may be related to the change in the capacity of the harmonic capacitance. We can adjust the inductance L of the probe to correct the influence of the circuit center frequency of the harmonic capacitance capacity transformation. The probe inductance was adjusted several times through experiments，and 34.4 mH was selected as the most appropriate probe inductance value. After the experiment，the noise value of F component decreased，the data curve became smooth，and the noise interference was solved.

KeywordsFHD-2B proton magnetometer; data noise; probe inductance

引言

FHD 质子磁力仪是“九五”期间江苏省地震局研制的分量质子磁力仪，具有自动化、智能化和精度高的特点，该仪器自研发以来，已在全国多个地磁台站成功运行[1]。噪声可以有效监测 FHD 质子磁力仪的工作状态，当仪器在观测过程中出现问题时，噪声会有很好的响应。彭玉柱等[2]对地磁台网2009—2014年的 FHD 观测数据进行分析，发现参考背景噪声冬季低夏季高，表现出明显的季节变化特征。通过与基准站磁通门磁力仪噪声对比，发现季节交替产生的温度变化是引起仪器噪声变化的主要原因。温度变化或仪器老化对仪器配谐电容和探头电感量产生影响，致使噪声增大。张聪聪和靳宝萍[3]通过对临汾中心地震台 FHD 质子磁力仪进行试验，发现选择合适的探头电感量可以有效降低噪声。张秀霞等[4]通过对比高邮台质子磁力仪观测数据与当地气温发现，气温变化会对质子磁力仪观测数据产生影响，在气温高于35°和昼夜温差变化较大时尤为明显。董海龙等[5]通过分析嘉峪关台 FHD 质子磁力仪观测数据噪声，发现多台仪器或多天线路间隔太小时，会在仪器观测数据中叠加交流电磁干扰，致使地磁仪器噪声增大。此外，FHD 质子磁力仪观测数据质量也会受信号线的屏蔽性和长度的影响。

2020年文安台 FHD 质子磁力仪供电线路经改造后，数据质量较之前有了很大改善，能产出连续完整的产品数据。但每当进入冬季，地磁 F 分量数据噪声就会偏大。为解决这一问题，有效降低噪声，改善文安台 FHD 质子磁力仪数据质量，本文从 FHD 数据噪声产生原因入手分析研究。

1 文安台概述

1.1 台站地质构造

文安台地处河北平原地震构造带北部，冀中拗陷中部，地壳厚度小于35 km，台基为3000 m 第四系黄土覆盖层。台站位于胜芳—柳河—董村活动断层西侧，周边有发育北东向牛东断裂、任丘断裂、大城断裂和北西向徐水断裂，纵横交错。气候属温带干热类型，四季分明，7月最热，平均气温26.7℃;1 月最冷，平均气温?4.3℃ ， 年降水约300 mm。台站附近先后于1967年发生河间 M6.3地震；1973年发生里坦 M5.4地震；2006年发生文安 M5.1地震。

1.2 台站观测环境

文安地震台位于县城郊南部，距县城区仅700 m，占地约10亩。现有观测手段包括：FHD-2B 质子磁力仪、氡钍分析仪、极低频电磁测量仪、電磁扰动仪等。其中 FHD-2B 质子磁力仪是 FHD 改进型质子磁力仪，仪器安装在台站院内西南拐角观测房内。台站西侧主要为农田，南侧与养老院为邻，东侧紧靠毛绒玩具厂，东面距县气象站约150 m，其余建筑以民房为主，无大型工矿企业，台站 FHD-2B 型质子磁力仪观测环境良好（图1）。地磁观测室为砖混结构，墙体较薄，保温措施较差，室内温度随季节变化显著。

2 存在问题

文安台 FHD 质子磁力仪数据噪声偏大问题出现在地磁 Z 分量和 F 分量数据中。从时间变化轴上看，集中在秋冬天气偏冷月份，数据连续出现尖峰脉冲，偶然有小台阶。图2为文安台 FHD 质子磁力仪数据噪声与台网均值对比图，2020年春季气温低时，地磁 Z 分量和 F 分量数据质量较差；数据质量随气温升高逐渐变好，至夏季天气最热时，噪声干扰最小；气温降低后，数据质量变差；2021年1月和2月天气最冷时，噪声干扰达到最大；随着气温逐渐升高，噪声干扰逐渐减小；10月份气温降低后，噪声干扰又随温度减低逐渐增大。趋势上显示，文安台 FHD 质子磁力仪数据噪声干扰与季节温度有较高的相关度，总体上表现为冬季噪声干扰大，夏季噪声干扰小。

3 噪声干扰分析

我们知道，造成数据噪声增大的原因主要分两类：仪器内部噪声和环境条件变化产生的噪声。仪器噪声主要为配谐不精确或设备老化所致。环境条件变化产生的噪声主要有：磁性物质干扰、磁房温度变化、墩基不稳、供电干扰等因素。

3.1FHD 质子磁力仪原理

在地磁场中，具有自旋角动量和自旋磁矩的质子会产生拉莫尔旋进运动，地磁场方向为此旋进的轴向，地磁场总强度 F 与旋进频率f成正比：

式中，F 为地磁场总强度，单位nT；f 为质子旋进频率，单位 Hz；γp 为质子旋磁比，γp=2.6751513×108 T · s ， 是推荐常数；π为圆周率，取值3.141592653。

磁力仪的探头由线圈和无磁性外壳组成，线圈内充满高纯度的煤油，油中含大量氢质子，测量时，线圈中质子旋进产生与旋进频率相同的感应电动势。由于线圈中产生的电动势仅在μV 级，非常微弱，需要进行选频放大[6]。

质子磁力仪使用 LC 并联谐振电路选频放大。中心频率f0谐振电路关系式为：

式中，f0为振荡回路中心频率；L 为线圈电感量； C 为仪器配谐电容[7]；π与公式（1）相同。

只有感应电动势的旋进频率 f 在振荡回路的中心频率f0附近时，质子磁力仪才可选出需要的频率信号进行放大测量。中心频率f0越接近质子旋进频率 f，选出的频率信号越准确，噪声也越小。在实际电路中存在分布电阻和分布电容，同样会对中心频率f0产生影响。

仪器在长期观测中，受环境温度或仪器老化影响，仪器配谐电容 C 发生变化，导致实际质子旋进频率偏离振荡回路的中心频率，使观测数据噪声增大。由公式（2）可知，当仪器配谐电容 C 发生变化时，通过调整探头电感量 L 可修正振荡回路的中心频率f0，使其保持始终接近质子旋进频率f。

3.2 噪声干扰排查

通常情况下，仪器工作电压过低、环境磁性物质影响、接地不良、探头漏油和外界工频干扰都会影响到 FHD 质子磁力仪观测数据质量。噪声偏大可能是以上单个或多个原因叠加造成，如果台站存在噪声干扰，需对上述问题现象逐一排查。从磁房周围环境进行排查，是否存在干扰源；检查 FHD质子磁力仪主机供电线路和信号线屏蔽在不同线槽内，是否存在工频干扰；测量仪器工作电压和接地电阻值是否正常，符合要求；检查供电外线路是否有漏电，仪器探头是否有漏油情况。

FHD 质子磁力仪配谐电容值变化会受环境温度影响，冬季比夏季低5%左右。仪器的配谐电容值变化会影响仪器配谐频率，导致仪器输出噪声增大。FHD 质子磁力仪配谐电感量 L 是可调的，通过调节电感量 L 来修正配谐电路电容 C 变化量达到精确配谐中心频率f0的目的。通常，冬季电感量 L 增大约0.2 mH，夏季减小约0.2 mH[8]。文安台 FHD 质子磁力仪噪声干扰与环境温度变化有很高的相关性，初步判断噪声偏大与仪器探头电感量配选值是否合适有关。

4 调整探头电感量实验

4.1 实验时间段选取

地磁日变化分为磁扰日变化和磁静日变化。磁扰包括地磁脉动、磁暴、湾扰和钩扰等，发生磁扰时地磁场变化幅度很大。磁静日地磁场变化较小。其一般变化规律为白天变化大，晚上变化小。实验时段选在磁静日晚上进行，这个时段 Z 分量变化比较平缓，有利于监控调整过程中 Z 分量的前后变化，避开下午极值变化。本次实验选在2021年11月26日晚上6点钟以后进行，该时间段磁场环境较为稳定，具有较好的仪器背景噪声水平。

4.2 调整探头电感量

每次调整仪器探头电感量后，即对仪器工作2小时左右测量数据进行分析。通过观察记录数据曲线光滑度和计算数据一阶差分均方差，粗略判断每次调整探头电感量后观测数据噪声变化水平（表1和图3）。一阶差分均方差公式为：

式中，D 表示观测数据一阶差分均方差；x 表示记录数据一阶差分；E 表示测量数据的平均值。

实验前文安台 FHD 探头电感量34.1 mH。最初调节电感量 L 微调增加0.2 mH至34.3 mH，计算一阶差分均方差值时，发现仪器输出噪声值有所减小；然后，将调节电感量 L 减小0.2 mH至33.9 mH，计算一阶差分均方差值发现仪器输出噪声有所增加。经过反复多次实验，得出仪器探头电感量 L 真实值比实验前设定电感量值大些。最后我们将电感量 L 调至34.5 mH，计算一阶差分均方差减小，但仪器输出噪声比电感量 L 调至34.3 mH时要大。仪器探头电感量 L 应在34.2 mH、34.3 mH和34.4 mH其中选择一个合适值，之后再将电感量 L 分别调到34.2 mH和 34.4 mH，计算一阶差分均方差值差别不大，由于仪器噪声干扰主要出现在 F 分量，故选定 F 分量噪声值较小的34.4 mH为文安台 FHD 仪器探头电感量值。

经调整电感量 L 实验记录数据，F 分量一阶差分曲线明显变细，F 分量噪声从0.32 nT降到0.20 nT； Z 分量噪聲从0.36 nT降到0.27 nT，F 分量和 Z 分量噪声明显降低。图4为文安台 FHD 质子磁力仪修正探头电感量 L 前后 F 分量数据比较曲线，F 分量数据突跳幅度明显降低，曲线变光滑。实验说明 FHD 质子磁力仪通过适当修正仪器探头电感量 L 可有效减少仪器输出噪声水平，改善输出数据质量。

5 结束语

通过对文安台 FHD 仪器噪声增大存在的各种可能干扰原因逐一排查和实验，发现文安台 FHD 噪声增大原因是台站仪器未能选择合适仪器探头电感量 L 造成的。作者通过反复修正仪器探头电感量 L 参数实验，并对实验数据曲线光滑度和计算数据一阶差分均方差的分析，发现合适选择仪器探头电感量 L 参数可有效降低仪器输出噪声水平。实验结果最终选定仪器探头电感量为34.4 mH。使得 FHD 仪器 F 分量曲线变光滑、一阶差分均方差减小，仪器输出噪声明显降低。噪声问题在台站 FHD 质子磁力仪观测运行中经常会遇到，本次噪声问题解决经验可为其他地磁台站提供借鉴和参考。

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