提高地電阻率觀測精度研究

陳 嵩，李旭東，陳志剛，王寶鎖，李穎楠，程立康，胡 嵩

（天津市地震局，天津 300201）

提高地電阻率觀測精度研究

陳 嵩，李旭東，陳志剛，王寶鎖，李穎楠，程立康，胡 嵩

（天津市地震局，天津 300201）

隨著國民經濟的快速發(fā)展，地電阻率的觀測環(huán)境受到各種干擾，其中采用直流牽引技術的城市軌道交通干擾尤為嚴重，致使一些地電阻率觀測臺站的觀測數(shù)據(jù)無法滿足規(guī)范要求，部分臺站因此被迫搬遷。進一步改善觀測系統(tǒng)測量模式，提高其觀測精度勢在必行。通過多種方法實驗，提出了一些抗干擾措施，達到了提高觀測精度的目的，為進一步提升地電阻率觀測質量做了技術鋪墊。

地電觀測；地鐵干擾；噪聲水平；觀測精度；高階差分

0 引言

在大地視電阻率觀測中，因測量線路長、測區(qū)占地大，外界的電磁干擾、工業(yè)離散電流、地電場的自然變化，以及觀測系統(tǒng)本身的問題，比如測量電極極化不穩(wěn)定、線路漏電等，使得被測信號中夾雜著的大量的干擾［1－3］。多年來，從事地電觀測與研究的人員針對觀測中的干擾以及提高觀測精度做了大量的工作，如趙家騮等提出的正反向供電技術［4］、張世中等提出的采用變周期供電測量方法［5］等，對于地電測量中的一些穩(wěn)定干擾，如高頻干擾、交流工頻的共模和串模干擾等有了特殊的抑制能力，但對于干擾中變化較慢且無規(guī)律的部分抑制效果尚欠佳。筆者通過大量實驗研究，提出了一些抗干擾措施，對于提高地電阻率測量觀測精度有一定的作用。

1 現(xiàn)狀

天津市地震局共有地電阻率觀測臺站4個，由于城市建設的不斷發(fā)展，臺站周邊的觀測場地遭受到了不同程度的破壞，盡管采取了一定的遏制措施，但不能杜絕建設行為的影響，尤其是地鐵、輕軌等直流牽引技術的軌道交通建設，盡管距離臺站較遠，但其干擾嚴重影響地電阻率觀測，致使其觀測精度不斷下降［6］。

目前天津市正式運營的有輕軌線路1條，地鐵線路4條，仍有地鐵在建線路進行施工，天津市軌道交通建設及開始運營時間如下：

①輕軌，2003年12月1日至12月10日試通車，2004年3月28日正式運營。

②地鐵九號線，2003年9月30日建成通車，2004年3月28日開始試運營。

③地鐵一號線，2005年12月28日建成通車，2006年6月12日開始試運營。

④地鐵二號線，2012年7月1日東西分段試運營（西段為曹莊－東南角區(qū)間，東段為天津站－空港經濟區(qū)區(qū)間），于2013年8月28日開通全線試運營。

⑤地鐵三號線，2012年10月1日，小淀－高新區(qū)區(qū)間開通試運營，2013年12月28日，高新區(qū)－南站區(qū)間開通試運營。

表1為天津局4個地電阻率臺站與市內地鐵的相對位置與距離。

如圖1所示：輕軌、地鐵運行后，地電阻率臺站的觀測均方差開始變大，塘沽、青光臺地電觀測受影響最大，觀測精度嚴重下降，寶坻、徐莊子臺因距離較遠，干擾較小，但從日均方差看仍有干擾存在。

表1 臺站與地鐵相對位置Tab.1 The relative position of seismic station and the subway line

2 干擾測試

2014年5月選擇了寶坻地震臺和青光地震臺2個受地鐵干擾最為嚴重的臺站進行了干擾測試，測試時間約為24h。通過對測試結果的分析，總結了平靜期（地鐵停運期間）和干擾期（地鐵運行期間）臺站場地干擾信號幅度、人工供電電位差和信噪比的情況。

2.1 寶坻臺干擾測試

寶坻臺背景噪聲，平靜期（0～5時）NS測向噪聲幅度為 0.52mV，EW 測向噪聲幅度為0.43mV；干擾期（6～23時）NS測向噪聲幅度為3.23mV，EW測向噪聲幅度為1.9mV。

人工供電電位差南北和東西方向均為41mV，平靜期內的信噪比NS向為38dB左右，EW向為 40dB，干擾期內的信噪比 NS向為22dB，EW向為27dB，平靜期觀測比干擾期觀測NS向和EW向的信噪比分別降低了16 dB和13dB左右。

圖3～4為寶坻臺平靜期和干擾期頻域分析結果?？梢钥闯鲈谄届o期低頻段沒有明顯干擾，干擾期有明顯干擾，主要干擾信號周期在130～180s之間。

2.2 青光臺干擾測試

青光臺背景噪聲，平靜期（0～5時）NS測向噪聲幅度為 0.49mV，EW 測向噪聲幅度為1.28mV；干擾期（6～23時）NS測向噪聲幅度為21.87mV，EW測向噪聲幅度為13.27mV。

其人工供電電位差NS和EW方向大約為

9mV左右，平靜期內的信噪比NS為25dB左右，EW方向為17dB，干擾期內的信噪比NS方向為－8dB，EW方向為－3dB，平靜期觀測比干擾期觀測分別降低了33dB和20dB左右。

表2 寶坻地震臺場地噪聲幅度Tab.2 Site noise amplitude of Baodi Seismic Station

表3 青光地震臺場地噪聲幅度Tab.3 The site noise amplitude of Qingguang Seismic Station

圖6～7為青光臺平靜期和干擾期頻域分析結果。可以看出在平靜期低頻段沒有明顯干擾，當?shù)罔F運行期內可見有明顯干擾，主要干擾信號周期在117～166s之間，在EW方向還有一個周期為69s左右的干擾信號。

3 提高觀測精度方法

3.1 以往研究成果

3.1.1 雙向供電技術

趙象騮等用公式及實驗證明了正反向供電觀測方法應用于視電阻率觀測優(yōu)于單方向供電觀測方法；在供電電流不變時正反向供電觀測方法的信噪比比單方向供電的信噪比大一倍，而且對長周期干擾的抑制作用增強［4］。目前全國所用的測量儀器均已經實現(xiàn)正反向供電，觀測精度基本一致。

3.1.2 采用變周期供電測量

張世中等提出了一種消除地電阻率觀測中隨機誤差的新方法，這種方法采用有限長的偽隨機

碼來控制正反向供電周期，是針對等周期正反向供電法對和測量周期接近的干擾信號抑制能力差而所作的改進。其在實驗室固定干擾源實測中，等周期測量 20次，測量地電阻率相對誤差為49.28%；變周期測量20次，測量地電阻率相對誤差為15.18%，結果表明采取變周期供電測量法可減少測量的隨機誤差。若進一步增加測量組數(shù)，同樣會加長儀器的工作時間，所以采用觀測系統(tǒng)現(xiàn)有的偽隨機供電方式，其抑制效果并不比增加測量組數(shù)方法更好［5］。

3.2 增加觀測次數(shù)

根據(jù)減小誤差的方法，增加測量次數(shù)對于減小誤差有很好的效果，可以提高觀測精度。我們在寶坻臺進行了測試，兩方向分別供電15次，進行讀取供電電位差的測量，試驗結果如表4所示。

表4 供電電流I＝2.620A時，進行多次測量計算均方差Tab.4 Mean variance of repeated measurement calculation，when the supply current I＝2.620A

根據(jù)表4的實際觀測數(shù)據(jù)，對觀測次數(shù)分別為5次、10次、15次記錄的ΔV進行計算，所得的均方差數(shù)據(jù)不但未提高，反而有所降低，說明對于固定頻率的干擾，增加觀測次數(shù)并不能有效提高觀測精度，這與張世中等“增加采樣個數(shù)，不能減小方差”［7］的實驗結果一致。

3.3 提高供電電流

根據(jù)信噪比公式：

式中，VMN供為測量極上測得的由供電產生的人工電位差，VMN擾為測量極上測得的背景擾動電壓幅度。通過提高觀測供電電流，可以加大人工電位差VMN供，因VMN擾是固定的，所以對提高精度有一定作用。

從實驗可以看出（表5），供電電流2.5A比2A的精度提高10%左右，3A與2.5A間的變化不大，說明當供電電流提高到一定程度，觀測精度不會無限制提高。

3.4 采用高階差分處理

差分法實際上是微分的離散形式，一階差分就是離散函數(shù)中相鄰兩項之差，二階差分就是一階差分后所得新離散函數(shù)的一階差分，高階差分就是對序列做連續(xù)多次的差分運算。導數(shù)是研究

連續(xù)函數(shù)單調性和最值性的重要工具，同樣差分法也是研究離散函數(shù)（數(shù)列）單調性和最值性的有效方法。

表5 不同供電電流記錄的月精度Tab.5 Monthly precision of different power supply current record

四階差分是地面高精度磁測的一種統(tǒng)計計算方法。它通過計算測線上每個測點及其前后各兩個點的四階差分值，與全線各點四階差分平均值的均方差，作為檢驗觀測質量的依據(jù)，它代表觀測儀器的噪聲水平［8］。

具體算法如下：

二階后向差分可由公式（2）得出：

表6 NS向觀測數(shù)據(jù)進行多階差分計算后的均方差（Ω·m）Tab.6 Variance multi order difference calculation to the direction NS observation data（Ω·m）

表6為通過地電儀器采集的正反向供電電位差，經過不同階數(shù)差分計算得到的均方差結果，在平靜時段所得到的各階差分結果的均方差變化不大，在干擾時段的結果經過不同階數(shù)差分后得到的數(shù)據(jù)均方差有明顯提高。

通過重寫儀器內部測量程序芯片，在儀器內存中將測量結果進行多階差分后作為供電電位差計算地電阻率，可以有效消除低頻干擾。

2015年6月18日在青光地震臺進行的更改儀器程序工作，對測量的人工電位差進行多階差分處理后再進行電阻率計算，得到的各小時均方差明顯降低，取得了很好的效果（圖8）。

4 結論

截至2015年底，全國有20座城市已有或在建地鐵，21座城市已獲批建設地鐵。城市有軌直流運輸系統(tǒng)對地震前兆地電阻率觀測臺站不可避免地會造成影響?！兜卣鹋_站觀測環(huán)境技術要求（第 2部分）：電磁觀測》（GB／T 19531.2—2004）［9］明確指出：城市有軌直流運輸系統(tǒng)軌道與地電阻率觀測場地中心的距離應不小于30 km。從作者的實驗數(shù)據(jù)可以看出，距離市內地鐵50km外的寶坻臺仍可記錄到地鐵干擾。除了被動搬遷和重建外，進一步改進地電阻率觀測系統(tǒng)，提升其抗干擾能力，是地電科技工作者的當務之急［3］。

本文選擇受城市軌道交通干擾嚴重的青光地震臺和距離較遠的寶坻地震臺作為測試分析對象，對觀測的干擾數(shù)據(jù)進行FFT和功率譜處理，得出了城市軌道交通運行時的干擾能量集中在110～180s之間，同時進行了多種實驗，結果表明：

（1）地鐵運行期間，距離50km外的地電臺站仍可記錄到運行干擾。

（2）單純的增加觀測次數(shù)不能有效抑制地鐵干擾。

（3）增強供電電流可以有效提高信噪比，從而提高觀測精度，但礙于供電電源制作技術，供電電流受到限制。

（4）重新編制儀器內部工作程序，采用高階差分數(shù)據(jù)處理方法，可以有效提高數(shù)據(jù)觀測精度，是目前不改變觀測系統(tǒng)情況下最有效的提高觀測精度方法。

致謝：本文在實驗過程中得到了中國地震局分析預報中心趙家騮老師、中國地震局地殼應力研究所王蘭煒老師的大力支持與幫助，在此深表感謝。

［1］ 王燚坤，隆愛軍，黃顯良，等.安徽省地電阻率觀測干擾因素的分析［J］.防災科技學院學報，2011，13（4）：52－56.

［2］ 紀廷輝，王亮，李京錦.義縣地震站地電阻率數(shù)字

化觀測的干擾因素的分析［J］.防災減災學報，2015，31（3）：90－94.

［3］ 徐錫泉，高昌志.地電觀測環(huán)境干擾造成地電阻率數(shù)據(jù)變化的影響分析［J］.高原地震，2015，27（4）：36－40.

［4］ 趙家騮，李海亮，李建，等.用正向供電技術提高視電阻率觀測精度［J］，西北地震學報，1996，18（2）：31－36.

［5］ 張世中，趙家騮，王燕瓊.一種消除地電阻率觀測中隨機誤差的新方法［J］.西北地震學報，2001，23（1）：88－91.

［6］ 龔永儉，李旭東，陳嵩，等.寶坻地震臺地電阻率觀測效能評價［J］.內陸地震，2013，27（1）：74－80.

［7］ 張世中，石航，王蘭煒，等.地電臺站受城市軌道交通干擾的測試分析與抗干擾措施研究［J］.地震學報，2013，35（1）：117－124.

［8］ 李大明，徐國華.四階差分法在高精度磁側中的應用［J］.物探與化探，1990，14（1）：42－46.

［9］ 錢家棟，顧左文，趙家騮，等.2010b.GB／T 19531.2—2004地震臺站觀測環(huán)境技術要求（第2部分）：電磁觀測［S］／／地震標準匯編2009.北京：地震出版社：204－207.

Research on Improving the Accuracy of Earth Resistivity Observation

Chen Song，Li Xudong，Chen Zhigang，Wang Baosuo，Li Yingnan，Cheng Likang，Hu Song
（Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China）

The rapid development of the national economy，earth resistivity observation environment is interfered.City rail traffic interference which adopts DC traction technology is particularly serious.Some data of earth resistivity observation stations can’t meet the standard requirements，and some stations were forced relocation.Through the test and analysis of the stations with serious interference，the paper puts forward some anti?interference measures，and makes a technical basis for the further improvement of the quality of the earth resistivity observation.

geo?electric observation；subway interference；noise levels；observation accuracy；high order differential

P315.72

A

1673－8047（2016）03－0065－09

2016－05－26

天津市地震局科研項目（20131003）

陳嵩（1973—），男，本科，高級工程師，主要從事地震臺站電磁、流體觀測技術的研究。