寬頻帶地震電磁輻射觀測系統(tǒng)研制

廖成旺 王 浩 鄧 濤 丁 煒

1 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢市洪山側(cè)路40號，430071

2 中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號，430071

研究表明，在孕震區(qū)周圍廣闊的空域內(nèi)和相當(dāng)寬的頻段上可能存在與地震相關(guān)的電磁輻射。對于孕震過程中是否伴隨可供檢測的電磁輻射及其形態(tài)與機(jī)理、電磁輻射作為地震短臨前兆的應(yīng)用前景等問題，前人進(jìn)行了大量研究［1－14］。但地震電磁輻射的產(chǎn)生機(jī)制仍不清楚，對于文獻(xiàn)所聲稱的地震電磁前兆，也存在許多爭議［9，14］。事實上，地球電磁環(huán)境非常復(fù)雜，文獻(xiàn)［15］曾對低頻和甚低頻電磁脈沖觀測數(shù)據(jù)重新進(jìn)行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們大多可以歸因于雷電。因此，地震前是否存在可觀測的電磁輻射信號以及能否從干擾信號中區(qū)分開來，仍然是地震電磁輻射觀測與研究中的一個重要問題。目前，對于地震電磁輻射的主要觀測方式有地表超低頻（ULF）電磁場觀測，地面極低頻（ELF）至甚低頻（VLF）段的點頻觀測，ULF、ELF和VLF的綜合觀測（如0～10 Hz頻段，1.9kHz和7kHz點頻上的觀測［16］）以及衛(wèi)星上的甚低頻觀測等。由于雷電產(chǎn)生的電磁脈沖具有很寬的頻帶，目前所有的地震電磁輻射觀測頻段都難以避免雷電的影響。雷電所產(chǎn)生的電磁波可以在地殼與電離層所形成的導(dǎo)波通道中遠(yuǎn)距離傳播，地震電磁輻射的觀測環(huán)境不容樂觀。為此人們采取了同時測量電場和磁場、寬頻帶觀測、臺陣綜合觀測和定向或定位地震電磁輻射信號源等方式，以期從復(fù)雜的干擾背景中觀測到地震電磁輻射信號。地震與雷電或其他干擾因素分屬于不同的物理過程，其產(chǎn)生的地磁輻射在特征和傳播途徑上很可能與之不同。這需要了解地震電磁輻射信號的細(xì)節(jié)，尋找其區(qū)分于其他電磁輻射的特征，這只有在寬頻帶觀測的情況下才能辦到。例如，文獻(xiàn)［17］利用帶寬100kHz、采樣率192kHz的觀測系統(tǒng)觀測到眾多亞ms寬度的脈沖，與地震波到達(dá)觀測點的時刻相對應(yīng)。文獻(xiàn)［15］也是利用500kHz采樣的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，得以對波形特征進(jìn)行分析和分類，其中一些可以確定源于雷電。目前我國的地電、地磁監(jiān)測臺網(wǎng)的多數(shù)臺站以20Hz以下的觀測居多［10］，有一些稍寬頻帶的觀測也是記錄一定時間段內(nèi)的脈沖個數(shù)，并非記錄波形，在數(shù)字化寬頻帶方面的研究工作基本沒有開展，相關(guān)儀器系統(tǒng)也少見報道。

基于此，我們研制了寬頻帶地震電磁輻射觀測系統(tǒng)，包括頻帶范圍為0.1 Hz～100kHz的空間電場傳感器，以及采樣率達(dá)512kHz的高速數(shù)據(jù)采集器等。數(shù)據(jù)采集通過GPS時鐘實現(xiàn)精度優(yōu)于100ns的時鐘同步。本系統(tǒng)不僅可以完整地記錄電磁脈沖信號的細(xì)節(jié)特征，而且在多站同步觀測的情況下，可以通過信號到達(dá)不同臺站的時間差來進(jìn)行信號源的定位，為地震電磁輻射信號的辨識提供較全面的信息。

1 空間電場傳感器

置于空間電場中的金屬導(dǎo)體（天線）將產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷量與金屬導(dǎo)體所在位置相對于參考位置的電位差和金屬導(dǎo)體與參考位置之間的電容成正比。通過電荷放大器，可以將感應(yīng)電荷量轉(zhuǎn)換為電壓輸出，實現(xiàn)空間電位的測量，其原理如圖1所示。圖中Vs為金屬導(dǎo)體所在位置相對于參考位置的電勢差，G為電荷放大器的增益。電荷放大器可以采用高輸入阻抗運算放大器，這種情況下，可以將圖1用圖2所示的等效電路表示。圖2 中，Vs的意義同上，Cs為金屬導(dǎo)體與參考位置之間的電容，Rin和Cin分別為電荷放大器的輸入電阻和電容。容易推導(dǎo)得到：

對于用作電荷放大的超高阻抗運算放大器，Rin可以達(dá)到1015Ω，因此ωRinCin?1，ωRinCs?1，式（1）可表示為：

式（2）表明，Vin與Vs成正比，因此可通過測量Vin實現(xiàn)對空間電位Vs的測量。為了測量空間電場，只要在空間不同位置布置兩個金屬導(dǎo)體，測量各自電位V1和V2，求差，并除以兩者之間的距離d：

對兩個金屬導(dǎo)體電位的測量，可以采用兩個相同的傳感器，也可以綜合采用一個具有差分輸入的運算放大器。

圖1 空間電場測量原理示意圖Fig.1 Principle of space electric field measurement

圖2 空間電場測量等效電路Fig.2 Equivalent circuit for space electric field measurement

實現(xiàn)這類電場傳感器的難點在于：感應(yīng)空間電場的金屬導(dǎo)體容抗很高，運算放大器的靜態(tài)電流對其持續(xù)充電，一段時間便輸出飽和，不能穩(wěn)定工作。除了選擇靜態(tài)輸入電流極低的運算放大器以外，還要采取措施避免這種情況的發(fā)生。實際采取的電場傳感器電路如圖3所示。圖中，由電容C1、電阻R1和二極管D1組成泄流通道，在運算放大器靜態(tài)電流很小的情況下，該電流對電容Cs的充電是一個緩慢過程，即體現(xiàn)為低頻的輸出分量。該輸出被電容C1和電阻R1組成的高通濾波器隔離，不會出現(xiàn)在二極管D1的負(fù)端。如果運算放大器靜態(tài)電流對電容Cs充電導(dǎo)致電壓升高，超過二極管D1的正向壓降，則二極管D1導(dǎo)通，將該電壓鉗位，不會飽和。對于實際的電場信號，只要其頻率在高通濾波器的截止頻率之上，就不會在二極管D1兩端形成壓差，因此不受影響。圖3中由電阻R2和電容C2組成低通濾波器，分離出第1級輸出中仍可能存在的低頻分量，通過一個差分放大器將其減去，則差分放大器的輸出為一定截止頻率之上的電場信號，可以送到后級作進(jìn)一步處理。

圖3 實用電場傳感器電路原理Fig.3 Practical circuit for electric field sensor

實際的電場傳感器（圖4）用一對直徑70 mm、厚1mm 的圓形銅板作天線，平行固定在長300mm 的PVC 管兩端。天線垂直分布固定于木架子上，下銅板距離地面300mm，該結(jié)構(gòu)天線為全向性天線。電路接口部分位于同樣固定于木架子上的屏蔽金屬盒里，包括兩路圖3所示的輸入級電路、差分放大電路、低通濾波電路和信號放大電路等，該電場傳感器測量垂直方向上的空間電場。選擇電容C1和電阻R1，使其高通截止頻率為0.1 Hz，選擇電阻R2和電容C2使其低通截止頻率為0.1Hz。實驗表明，天線和輸入級運算放大器一起的頻帶可達(dá)800kHz?？紤]地震電磁輻射的實際情況，增加一級截止頻率為100kHz的二階低通濾波器環(huán)節(jié)，將電場傳感器頻帶設(shè)定在0.1Hz～100kHz。調(diào)整放大電路放大倍數(shù)，使各電場傳感器靈敏度為100V／m，保持一致。

圖4 電場傳感器Fig.4 Electric field sensor

2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電場傳感器輸出0.1 Hz～100kHz頻帶內(nèi)響應(yīng)平坦、與空間電場成正比的模擬電壓信號，足以觀測優(yōu)勢頻率在10～20kHz的電磁脈沖。為了便于數(shù)據(jù)處理和分析，我們采用數(shù)字化觀測方式，為此設(shè)計和實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。電場傳感器的輸出信號經(jīng)3倍衰減（電場傳感器輸出范圍為±12V，超過AD 轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓）后輸入高速AD 轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器采用ADS1605（16位AD 轉(zhuǎn)換器），轉(zhuǎn)換結(jié)果－32 768～32 767對應(yīng)于－4.635～4.635V，最高采樣率可達(dá)2 MHz，本系統(tǒng)中采用512kHz采樣率。AD 轉(zhuǎn)換器所需工作時鐘和控制邏輯由CPLD 實現(xiàn)，CPLD讀出AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，寫入FIFO 器件，寫入一定數(shù)量數(shù)據(jù)后觸發(fā)中斷通知DSP讀取。DSP 采用TI公司6000系列中的TMS320C6414，工作主頻為600 MHz。DSP 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是實現(xiàn)基于閾值電平判斷的事件檢測算法，一旦檢測到事件則將事件數(shù)據(jù)通過HPI接口高速發(fā)送給ARM9處理器與嵌入式Linux組成的數(shù)據(jù)存儲和通信平臺。該平臺支持大容量存儲器，具備強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，支持WEB服務(wù)器，可以通過瀏覽器方便地下載數(shù)據(jù)。

圖5 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure of high speed data acquisition system

數(shù)據(jù)采集用GPS時鐘進(jìn)行高精度的時鐘同步。一方面，在GPS 秒脈沖（PPS）控制下，鎖定壓控振蕩器的頻率輸出在某一精確頻率值（16.384 MHz）上，壓控振蕩器的輸出經(jīng)4分頻后作為AD 轉(zhuǎn)換器的工作時鐘；另一方面，記錄GPS PPS與每s第一個采樣時刻之間的時間間隔，體現(xiàn)為高頻頻率源輸入下一定時間間隔內(nèi)的計數(shù)個數(shù)，分辨率為頻率周期，如16.384 MHz的頻率源時分辨率約為61ns。用于授時的GPS模塊的時鐘同步精度優(yōu)于50ns，通過這種方式可以保證數(shù)據(jù)采集的時鐘同步精度優(yōu)于100ns。

多站同時觀測和保證各采樣時刻的時鐘同步精度的情況下，對于確定信號到時而言，512kHz的采樣率仍存在約1μs的誤差。這種情況下，可以對兩個臺站的接收信號進(jìn)行頻率分析，通過低頻成分的相位差來確定這一分?jǐn)?shù)部分的時間差。仿真計算表明，通過這一方法可將信號到時差的精度提高到優(yōu)于100ns。在這一精度下，如果4個臺站接收到同一信號，信號源的定位精度可達(dá)1～2km。

3 臺站觀測

2013－06在云南云縣、元龍、保山、洱源、麗江和永勝等臺站布設(shè)實驗觀測臺網(wǎng)，儀器放置于二層樓樓頂，傳感器離樓頂頂面約300 mm。記錄數(shù)據(jù)分兩種，一種是512kHz采樣率的電磁信號事件數(shù)據(jù)，記錄電磁脈沖信號的細(xì)節(jié)特征；另一種是從512kHz采樣率的數(shù)據(jù)中抽樣取出51.2 kHz采樣率的數(shù)據(jù)，每s數(shù)據(jù)分成50組，每組為1 024個數(shù)據(jù)，每min取幅值變化最大的一組記錄到文件，以50Hz的頻率分辨率記錄每日背景信號的強(qiáng)度和變化趨勢。觀測數(shù)據(jù)表明，在背景信號較小的臺站，儀器記錄到了有規(guī)律的日變化信號，如云縣臺2014－09－01的記錄（圖6）。同時也記錄到許多清晰的電磁脈沖，如云縣臺2013－08－25記錄的脈沖事件波形（圖7）和麗江臺2013－08－29記錄的事件波形（圖8）。2014－05－07 13：59：20麗江臺和永勝臺同一時刻記錄到事件（圖9、10），取脈沖所在位置約1 200μs時間長度的數(shù)據(jù)作圖（圖11），兩者波形相似度很好。計算兩者的互相關(guān)系數(shù)如圖12所示，兩者高度相關(guān)，在約80μs處互相關(guān)系數(shù)達(dá)最大值，進(jìn)一步通過相位差確定時間差為81.1μs。從上述波形相似度和相關(guān)性分析，判斷兩個事件為同一來源。在只有兩個臺站接收到信號的情況下，雖不能定位信號源的位置，但可以作一些初步判斷。麗江與永勝臺相距約66km，信號先到達(dá)麗江臺，信號源至少離永勝臺45km。實驗觀測表明，如果地震發(fā)生前存在較強(qiáng)的電磁輻射信號，則有希望被觀測系統(tǒng)記錄下來，并且在多臺同步接收的情況下，有可能通過到時差進(jìn)行信號源的定位。但如所預(yù)期的那樣，地震電磁輻射的觀測環(huán)境比較復(fù)雜，各個臺站基本上每日都能觀測到明顯的電磁脈沖，如果以此作為地震前兆并與地震對應(yīng)，則可能大多地震事件都能對應(yīng)上，但這明顯缺少說服力。因此，綜合多種特征來加強(qiáng)信號的辨識非常重要。本觀測系統(tǒng)具有提供信號細(xì)節(jié)特征和確定信號源位置等信息的優(yōu)點。

圖6 云縣臺2014－09－01記錄數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Curve of data recorded at Yunxian site on September 1，2014

圖7 云縣臺2013－08－25記錄脈沖事件波形Fig.7 Curve of event pulse recorded at Yunxian site on August 25，2013

圖8 麗江臺2013－08－29記錄事件波形Fig.8 Curve of event recorded at Lijiang site on August 29，2013

圖9 麗江臺2014－05－07 13：59：20事件記錄波形Fig.9 Curve of event recorded at Lijiang site at 13：59：20on May 7，2014

圖10 永勝臺2014－05－07 13：59：20事件記錄波形Fig.10 Curve of event recorded at Yongsheng site at 13：59：20on May 7，2014

圖11 圖9與圖10中約1 200μs時間長度數(shù)據(jù)曲線對比（上圖按原始時序，下圖將永勝臺數(shù)據(jù)前移了約80μs）Fig.11 Comparison of data between Fig.9and Fig.10.The length of time is 1 200μs（top：original order of time，bottom：data at Yongsheng site is left shifted about 80μs）

圖12 圖11中兩個臺站數(shù)據(jù)互相關(guān)系數(shù)Fig.12 Cross correlation coefficient between two sites in Fig.11

4 結(jié) 語

地球電磁環(huán)境復(fù)雜，為更好地觀測和辨識地震電磁輻射信號，我們研制了一種寬頻帶地震電磁輻射觀測系統(tǒng)，包括寬頻帶空間電場傳感器和高速數(shù)據(jù)采集器等。數(shù)據(jù)采集利用GPS時鐘實現(xiàn)高精度時鐘同步，不僅可以數(shù)字化記錄電磁信號的細(xì)節(jié)特征，而且在多臺站接收到同一來源信號，有可能通過到時差定位信號源。在云南6個臺站進(jìn)行了實驗觀測，結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能清晰記錄到各種電磁脈沖信號，而且還在不同臺站記錄到廣域范圍內(nèi)的同源信號，展示了可以利用信號細(xì)節(jié)特征和信號源位置來進(jìn)行地震電磁輻射信號辨識的前景。當(dāng)然，地震前是否存在可觀測的電磁輻射信號以及本系統(tǒng)的觀測效果如何，還有待更多更長期的觀測數(shù)據(jù)來驗證。

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