儀器定向誤差對(duì)地磁日變化記錄準(zhǔn)確度的影響研究

胡秀娟 李西京 王 靜 李細(xì)順 暢國(guó)平王秀敏 宋 昭 羅 娜 解 真

1) 中國(guó)河北邢臺(tái)054000河北省地震局紅山地磁臺(tái)2) 中國(guó)陜西咸陽(yáng)712000陜西省地震局乾陵地磁臺(tái)

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儀器定向誤差對(duì)地磁日變化記錄準(zhǔn)確度的影響研究

1) 中國(guó)河北邢臺(tái)054000河北省地震局紅山地磁臺(tái)2) 中國(guó)陜西咸陽(yáng)712000陜西省地震局乾陵地磁臺(tái)

基于紅山地磁臺(tái)磁通門(mén)磁力儀GM4-2記錄的日變化數(shù)據(jù)， 提出了一種減小儀器定向誤差的方法， 即D要素磁軸零場(chǎng)漂移S0校正法． 首先基于零場(chǎng)漂移S0測(cè)量原理， 試制測(cè)量工具無(wú)磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)， 并對(duì)磁力儀GM4-2零場(chǎng)漂移S0值進(jìn)行測(cè)量， 得出該值約為1024.7 nT； 然后在重新定向時(shí)對(duì)該數(shù)值進(jìn)行誤差校正； 最后將較正后的零場(chǎng)漂移S0值應(yīng)用到理論日變化數(shù)據(jù)和定向后的實(shí)際日變化數(shù)據(jù)中． 結(jié)果表明，D要素磁軸零場(chǎng)漂移S0是產(chǎn)生定向誤差的主要因素， 經(jīng)過(guò)零場(chǎng)漂移S0校正后的日變化數(shù)據(jù)與理論日變化數(shù)據(jù)一致， 消除了由定向誤差所造成的日變化畸變， 從而能更真實(shí)地反映地磁場(chǎng)變化．

磁通門(mén)磁力儀GM4-2 定向 零場(chǎng)漂移S0無(wú)磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)

引言

地磁場(chǎng)日變化是指由相對(duì)記錄儀器記錄的以一個(gè)太陽(yáng)日為周期、 依賴于地方太陽(yáng)時(shí)的磁場(chǎng)變化． 該日變化由電離層中電流及其在地球內(nèi)部的感應(yīng)電流所產(chǎn)生， 是地球變化磁場(chǎng)的重要組成部分， 包含空間和地球內(nèi)部各種電磁過(guò)程豐富的信息(陳化然等， 2009)．

目前， 數(shù)字地磁臺(tái)站記錄日變化主流儀器為GM4型磁通門(mén)磁力儀， 主要測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量H、 垂直分量Z和磁偏角D的相對(duì)變化(王曉美等， 2008)． 受儀器線性度和磁軸定向準(zhǔn)確度、 正交度等因素的影響， 儀器記錄到的地磁場(chǎng)日變化與地磁場(chǎng)的真實(shí)變化存在一定誤差， 并且每個(gè)臺(tái)站和每套儀器的誤差均不相同(張素琴， 楊冬梅， 2011)．

本文將以紅山地磁臺(tái)磁通門(mén)磁力儀GM4-2記錄的D要素日變化出現(xiàn)畸變?yōu)槔?分析定向誤差對(duì)日變化記錄的影響． 在D要素磁軸零場(chǎng)漂移S0值未知的情況下， 根據(jù)零場(chǎng)漂移S0測(cè)量原理， 試制測(cè)量裝置， 并在紅山地磁臺(tái)相對(duì)記錄室進(jìn)行多次零場(chǎng)漂移S0測(cè)量實(shí)驗(yàn)． 測(cè)出S0值后， 在重新定向時(shí)進(jìn)行零場(chǎng)漂移S0校正， 以對(duì)比分析定向前、 后的D要素日變化觀測(cè)數(shù)據(jù)．

1 臺(tái)站及儀器概況

紅山地磁臺(tái)位于河北省隆堯縣山口鎮(zhèn)北部， 始建于1966年邢臺(tái)MS6.8地震之后， 屬于國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)． 該臺(tái)站遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和村莊， 周?chē)貏?shì)平坦， 無(wú)明顯干擾源， 是絕佳的地磁觀測(cè)場(chǎng)所． 地磁相對(duì)記錄室于2006年建成并投入使用， 記錄室為地下雙層石拱頂石灰石磁房， 室內(nèi)共4個(gè)儀器墩， 墩號(hào)自東向西依次排列， 室內(nèi)磁場(chǎng)水平梯度ΔFh≤1.0 nT/m， 年溫差≤8℃(胡秀娟等， 2014a)． 磁通門(mén)磁力儀GM4-1安裝在2號(hào)墩， 于2006年9月開(kāi)始觀測(cè)； GM4-2安裝在1號(hào)墩， 于2013年7月開(kāi)始觀測(cè). 地磁絕對(duì)觀測(cè)室于2000年建成并投入使用， 2009年5月安裝了絕對(duì)觀測(cè)儀器MINGEO-DIM磁通門(mén)經(jīng)緯儀， 用于觀測(cè)磁偏角D和磁傾角I的絕對(duì)值， 與GM4磁通門(mén)磁力儀組成一套完整的地磁場(chǎng)數(shù)字化觀測(cè)系統(tǒng)．

2 資料分析

圖1為2014年3—9月紅山臺(tái)磁力儀GM4-1和GM4-2記錄的D要素基線值，包括實(shí)測(cè)值和采用值，絕對(duì)觀測(cè)儀為同一臺(tái)MINGEO-DIM磁通門(mén)經(jīng)緯儀．基線值能夠同時(shí)反映出相對(duì)記錄儀器和絕對(duì)觀測(cè)儀器的工作狀態(tài)，相對(duì)記錄儀器工作不正常及絕對(duì)觀測(cè)誤差等問(wèn)題均可以表現(xiàn)在基線值上(程安龍， 1993)．由圖1a可以看出， 磁力儀GM4-1基線值曲線平滑， 同日觀測(cè)的兩個(gè)基線值或相鄰觀測(cè)日DB之差均未出現(xiàn)超過(guò)0.10′的情況． 由圖1b可以看出， 磁力儀GM4-2基線值曲線多次出現(xiàn)不明原因的跳動(dòng)， 3月10—14日相鄰觀測(cè)日DB之差為0.30′， 之后還多次出現(xiàn)相鄰觀測(cè)日DB之差超過(guò)0.15′的情況， 核實(shí)相應(yīng)日期的日變化記錄數(shù)據(jù)時(shí)并未發(fā)現(xiàn)干擾， 由此判斷可能是磁力儀GM4-2的記錄出現(xiàn)錯(cuò)誤．

圖1 2014年3—9月紅山臺(tái)磁力儀GM4-1(a)和GM4-2(b)D要素基線值曲線

同臺(tái)多儀器平行觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)之一是可以通過(guò)兩套儀器數(shù)據(jù)一致性的對(duì)比發(fā)現(xiàn)觀測(cè)中的問(wèn)題． 由圖1a可以看出， 磁力儀GM4-1基線值相對(duì)穩(wěn)定， 可以將其觀測(cè)數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考察磁力儀GM4-2觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量． 選取磁靜日(2014年9月10日)兩套磁通門(mén)磁力儀記錄的日變化數(shù)據(jù)， 分析D要素差值變化(圖2a). 可以看出，D要素日變化差值曲線的變化幅度約為2.5 nT． 與當(dāng)日磁力儀GM4-1的H分量日變化曲線(圖2b)對(duì)比可以看出，D要素差值曲線的變化形態(tài)與H分量日變化形態(tài)一致， 只是幅度不同. 由此可知， 磁力儀GM4-2的D要素記錄中實(shí)際上含有H分量．

前期在研究地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化對(duì)探頭定向產(chǎn)生的影響時(shí)觀察到， 儀器在絕對(duì)測(cè)量狀態(tài)下對(duì)D要素進(jìn)行定向時(shí)，D要素的輸出值為-50—50 nT， 其中包含D要素磁軸零場(chǎng)漂移S0的數(shù)值， 勢(shì)必會(huì)造成定向誤差， 影響定向準(zhǔn)確度(胡秀娟等， 2014b)． 圖1和圖2所反映出的問(wèn)題是否由定向誤差所造成呢？ 針對(duì)該問(wèn)題， 下面我們主要從定向準(zhǔn)確度角度對(duì)日變化記錄的影響進(jìn)行分析.

圖2 磁力儀GM4-1和GM4-2記錄的2014年9月10日D要素日變化差值曲線(a)和磁力儀GM4-2記錄的H分量日變化曲線(b)

Fig.2 The daily variation differential curves ofDelement recorded by two fluxgate magnetometers GM4-1 and GM4-2 (a) and the daily variation curve ofHcomponent recorded by GM4-2 (b) on September 10, 2014

3 儀器定向過(guò)程中存在的問(wèn)題與分析

磁通門(mén)磁力儀GM4定向是指探頭傳感器方向與被測(cè)磁場(chǎng)方向一致(朱兆才， 2004)． 目前， 對(duì)磁通門(mén)磁力儀GM4定向的步驟為： ① 選擇磁靜日， 調(diào)平儀器底座， 確定垂直分量Z的定向； ② 將儀器狀態(tài)由相對(duì)記錄切換到絕對(duì)測(cè)量狀態(tài)， 水平旋轉(zhuǎn)儀器， 將磁偏角D的輸出值控制在-50—50 nT范圍內(nèi)， 確定D要素的定向； ③ 水平分量H的定向由D要素確定．

由于儀器在絕對(duì)測(cè)量狀態(tài)下對(duì)D要素進(jìn)行定向時(shí)，D要素的輸出值為-50—50 nT， 其中包含了D磁軸零場(chǎng)漂移S0的數(shù)值(胡秀娟等， 2014b)， 所以需測(cè)出S0值. 基于零場(chǎng)漂移S0測(cè)量原理， 本文試制了S0值測(cè)量工具.

3.1 零場(chǎng)漂移S0測(cè)量原理與測(cè)量工具

假設(shè)D磁軸零場(chǎng)漂移值為S0， 磁場(chǎng)H在D磁軸上的投影值為S， 如圖3a所示. 圖中，A為磁東方向，B為磁北方向，C為零場(chǎng)漂移S0存在時(shí)D要素輸出值為零時(shí)磁軸的位置， 此時(shí)D要素的輸出值為S0-S； 將D磁軸水平轉(zhuǎn)動(dòng)180°(圖3b)， 此時(shí)D要素的輸出值為S0+S. 通過(guò)計(jì)算可得出零場(chǎng)漂移S0值． 實(shí)際測(cè)量中， 應(yīng)盡量選擇磁場(chǎng)平靜時(shí)段， 可保證D磁軸在轉(zhuǎn)動(dòng)180°時(shí)磁場(chǎng)H不變； 另外， 零場(chǎng)漂移S0受溫度影響， 應(yīng)盡量選擇溫度穩(wěn)定的時(shí)段， 可保證零場(chǎng)漂移S0值不變．

由于磁通門(mén)磁力儀GM4探頭本身沒(méi)有刻度， 給實(shí)際測(cè)量帶來(lái)困難． 最先使用的測(cè)量工具為紙質(zhì)度盤(pán)， 但很難保證D磁軸準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)180°， 測(cè)量誤差較大． 而后制作了無(wú)磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)， 該平臺(tái)主要由FHD儀器底盤(pán)和正方形不銹鋼鋼板兩部分構(gòu)成， 其中正方形不銹鋼鋼板固定在FHD儀器底座上． 測(cè)量時(shí)將探頭放置在鋼板上， 通過(guò)調(diào)整FHD儀器底盤(pán)內(nèi)的刻度對(duì)D磁軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 從而提高測(cè)量精度．

圖3D磁軸定向位置(a)及其旋轉(zhuǎn)180°位置(b)處零場(chǎng)漂移S0計(jì)算示意圖

Fig.3 The calculating schematic diagram of zero driftS0ofDmagnetic axis at the orientation position (a) and that after rotating 180° (b)

3.2 零場(chǎng)漂移S0測(cè)量結(jié)果

在紅山臺(tái)相對(duì)記錄室對(duì)磁力儀GM4-2共進(jìn)行3次零場(chǎng)漂移S0的測(cè)量實(shí)驗(yàn)， 時(shí)間分別為2014年9月11日、 9月25日和9月28日． 第一次實(shí)驗(yàn)使用無(wú)磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)， 測(cè)量數(shù)據(jù)為18組， 計(jì)算出零場(chǎng)漂移S0值為972.2 nT． 對(duì)于測(cè)量的較大數(shù)值， 應(yīng)考慮是否由于平臺(tái)操作方法不當(dāng)?shù)仍蛩拢?9月25日使用紙質(zhì)度盤(pán)進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)， 測(cè)量數(shù)據(jù)為9組， 計(jì)算出零場(chǎng)漂移S0值為1009.9 nT．

對(duì)比兩種測(cè)量工具測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出， 紙質(zhì)度盤(pán)較無(wú)磁旋轉(zhuǎn)度盤(pán)精度稍差， 但其均顯示零場(chǎng)漂移S0數(shù)值較大， 為定向時(shí)最佳輸出值的幾十倍． 為此與儀器廠家進(jìn)行溝通， 建議儀器在“相對(duì)狀態(tài)”下， 且同時(shí)不給H分量和Z分量加補(bǔ)償值時(shí)進(jìn)行測(cè)量． 基于上述改變， 9月28日使用無(wú)磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行第三次零場(chǎng)漂移S0測(cè)量， 測(cè)量數(shù)據(jù)為7組， 測(cè)量結(jié)果如表1所示．

表1 2014年9月28日紅山臺(tái)磁力儀GM4-2零場(chǎng)漂移S0測(cè)量結(jié)果

注：D1和D2分別為圖3a, b的D要素輸出值.

3.3 定向誤差對(duì)磁力儀GM4-2日變化記錄的影響

由表1可計(jì)算出磁力儀GM4-2的零場(chǎng)漂移S0=1024.7 nT， 將其換算成角度， 即

(1)

式中，H取H分量年均值. 已知紅山地磁臺(tái)H值為2萬(wàn)9800 nT， 可計(jì)算出α值約為2°．

以定向誤差角度為2°進(jìn)行理論分析， 所得D要素日變化畸變?nèi)鐖D4所示. 可以看出， 由于定向誤差的存在，D要素日變化出現(xiàn)畸變， 其實(shí)測(cè)值并非真實(shí)值， 理論上D要素值應(yīng)為H分量和D要素實(shí)測(cè)值在真實(shí)的D要素方向上投影之和， 即

圖4 2°定向誤差角度所造成的D要素日變化畸變示意圖. H和D為理論日變化數(shù)據(jù)， H′和D′為實(shí)測(cè)日變化數(shù)據(jù)Fig.4 Schematic diagram of abnormal daily variation of D element caused by the orientation error angle 2°. H and D are the theoretical daily variation, H′ and D′ are the measured ones

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算得出2014年9月10日磁力儀GM4-2的D要素理論日變化數(shù)據(jù)， 同時(shí)選取2014年9月10日和10月6日磁力儀GM4-2的D要素實(shí)測(cè)日變化數(shù)據(jù)， 分別與磁力儀GM4-1的D要素相對(duì)應(yīng)日期的日變化數(shù)據(jù)進(jìn)行差值比較， 差值曲線如圖5所示， 其中9月10日為未經(jīng)過(guò)定向誤差校正的數(shù)據(jù)， 10月6日為經(jīng)過(guò)定向誤差校正的數(shù)據(jù)． 可以看出， 9月10日實(shí)測(cè)日變化的差值(黑色曲線)變化幅度較大， 約為2.5 nT； 通過(guò)理論計(jì)算后， 日變化的差值(紅色曲線)變化幅度較小， 約為1.0 nT; 10月6日實(shí)測(cè)日變化差值曲線(綠色曲線)與理論差值曲線變化趨勢(shì)和變化幅度一致． 結(jié)果表明， 磁力儀GM4-2定向時(shí)經(jīng)過(guò)零場(chǎng)漂移S0校正后的觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠消除定向誤差所造成的日變化畸變．

地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定是為了定量考察地磁儀器記錄到的地磁日變化的準(zhǔn)確程度．

圖5 D要素實(shí)測(cè)(黑色和綠色)及理論日變化差值曲線(紅色)

圖6 磁力儀GM4-2定向前(a)、 后(b)日變化標(biāo)定曲線Fig.6 The calibration curves of daily variation for fluxgate magnetometer GM4-2 before (a) and after orientation (b)

具體作法為： 在選定的一天地方時(shí)09：00—15：00， 每隔1小時(shí)進(jìn)行一次絕對(duì)觀測(cè)， 每次觀測(cè)取得兩組有效數(shù)據(jù)， 然后比較基線值的變化(張素琴， 楊冬梅， 2011)． 8月29日對(duì)磁力儀GM4-2進(jìn)行了一次日變化標(biāo)定， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定定向誤差后對(duì)該儀器進(jìn)行重新定向； 9月29日對(duì)磁力儀GM4-2又進(jìn)行了一次日變化標(biāo)定， 并對(duì)比了兩次的標(biāo)定結(jié)果， 如圖6所示．

衡量基線值的精度和穩(wěn)定性， 主要通過(guò)計(jì)算基線值的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化幅度． 標(biāo)準(zhǔn)偏差既能反映觀測(cè)誤差的大小， 也能反映記錄儀器工作狀態(tài)的好壞(高玉芬等， 1991)． 從圖6a可以看出， 定向前DB的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.06′， 在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)DB變化幅度超過(guò)0.10′， 最大可達(dá)0.18′； 從圖6b可以看出， 定向后DB的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03′， 在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)DB變化幅度不超過(guò)0.10′， 最大為0.08′． 這說(shuō)明， 磁力儀GM4-2定向時(shí)經(jīng)過(guò)零場(chǎng)漂移S0校正后的觀測(cè)數(shù)據(jù)更能真實(shí)地反映地磁場(chǎng)的日變化．

4 討論與結(jié)論

儀器正確定向是保證地磁場(chǎng)日變化記錄準(zhǔn)確的一個(gè)重要環(huán)節(jié)， 磁通門(mén)磁力儀在絕對(duì)狀態(tài)下，D要素磁軸零場(chǎng)漂移S0是影響其定向精度的主要因素， 但是儀器參數(shù)尚未給出該數(shù)值． 本文結(jié)合零場(chǎng)漂移S0測(cè)量原理， 制作了無(wú)磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)， 對(duì)紅山臺(tái)磁力儀GM4-2進(jìn)行了多次零場(chǎng)漂移S0值測(cè)量． 在測(cè)量過(guò)程中， 定向應(yīng)在軟件界面標(biāo)識(shí)為“相對(duì)狀態(tài)”， 并在將H分量和Z分量補(bǔ)償值設(shè)置為0的狀態(tài)下進(jìn)行．

由紅山臺(tái)磁力儀GM4-2多次零場(chǎng)漂移S0值測(cè)量結(jié)果可知， 該S0值為1024.7 nT， 是定向輸出值(-50—50 nT)的20倍， 所以需對(duì)零場(chǎng)漂移S0值進(jìn)行校正， 使D要素的輸出值為(1024.7±50) nT． 對(duì)比定向前后D要素觀測(cè)數(shù)據(jù)可知， 經(jīng)過(guò)零場(chǎng)漂移S0校正后的日變化數(shù)據(jù)與理論日變化數(shù)據(jù)一致， 能夠消除由定向誤差所造成的D要素日變化畸變. 在此基礎(chǔ)上通過(guò)定向前后日變化標(biāo)定結(jié)果對(duì)該結(jié)論給予了驗(yàn)證．

地磁臺(tái)站的首要任務(wù)是取得連續(xù)、 完整、 可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)， 本文研究為地磁臺(tái)站磁通門(mén)磁力儀GM4的正確定向提供了參考依據(jù)． 地磁場(chǎng)日變化記錄準(zhǔn)確度除受定向誤差影響外， 還受其它因素影響． 解決定向問(wèn)題后， 后續(xù)將繼續(xù)考察儀器正交度對(duì)日變化記錄的影響及其校正方法．

楊冬梅研究員提出零場(chǎng)漂移S0測(cè)量原理及具體實(shí)驗(yàn)步驟， 乾陵臺(tái)李西京高級(jí)工程師提供自制測(cè)量裝置， 作者在此一并表示衷心感謝！

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Influences of instrument orientation error on the accuracy of daily variation of geomagnetic record

1)HongshanGeomagneticObservatory,EarthquakeAdministrationofHebeiProvince，HebeiXingtai054000，China2)QianlingGeomagneticObservatory，EarthquakeAdministrationofShaanxiProvince，ShaanxiXianyang712000，China

Based on the daily variation of geomagnetic data recorded by fluxgate magnetometer GM4-2 at Hongshan geomagnetic observatory, this paper proposes a method for eliminating instrument orientation error, namely the correction method for magnetic axis zero driftS0ofDelement. First, based on the mea-surement theory of magnetic axis zero driftS0, a rotation platform without magnetism has been trial-produced to measure theS0， which is about 1024.7 nT for the GM4-2. Then, we correct the error ofS0value in reorientation. Finally, theS0value is applied to both theoretical daily variation and daily variation recorded by the instrument after orientation. The results show that the magne-tic axis zero driftS0ofDelement is the main factor for the orientation error．The daily variation recorded by the instrument after orientation are consistent with the theoretical daily variation, thus eliminating the daily variation distortion caused by the orientation error, and reflecting the geomagnetic filed variation more realistically.

fluxgate magnetometer GM4-2; orientation; the magnetic axis zero driftS0; rotation platform without magnetism

河北省地震局三結(jié)合課題(DZ20150424093)和中國(guó)地震局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(054219)共同資助.

2015-03-13收到初稿， 2015-05-17決定采用修改稿.

e-mail: 47982934@qq.com

10.11939/jass.2016.01.013

P318.6, TH762.3

A

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