豐寧臺(tái)FHD儀背景噪聲減小措施分析

李慶武，胡秀娟，張玉林，郭亞亞，陳立強(qiáng)，孫彭濤

(1.河北省地震局承德地震臺(tái)，河北 承德 067000；2.河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北 邢臺(tái) 054000)

0 引言

地磁觀測(cè)參考背景噪聲是指固定臺(tái)站某套儀器對(duì)磁場(chǎng)變化相應(yīng)的靈敏程度，是臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)比的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1]。對(duì)豐寧地震臺(tái)達(dá)二營(yíng)地磁觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱豐寧臺(tái))2017年FHD儀產(chǎn)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)記錄曲線毛刺較多、背景噪聲偏大，超出臺(tái)網(wǎng)背景噪聲的幾倍，嚴(yán)重影響豐寧臺(tái)觀測(cè)資料的質(zhì)量，于是開(kāi)展了減小FHD儀背景噪聲的工作。首先，對(duì)觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行排查；之后，通過(guò)檢查供電干擾、縮短信號(hào)線路等方式進(jìn)行逐一排查，最終減小了FHD儀背景噪聲，提高了儀器的觀測(cè)精度。

1 豐寧臺(tái)觀測(cè)環(huán)境和觀測(cè)儀器簡(jiǎn)介

豐寧臺(tái)屬于國(guó)家基本臺(tái)，位于河北省承德市豐寧縣西山根。隨著周邊經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地磁觀測(cè)環(huán)境遭到破壞，2011年開(kāi)始重新選址建設(shè)FHD-2B儀器探頭房。新址位于達(dá)二營(yíng)村，占地面積11畝，東面為山坡，南面300 m處為民居，西面和北門為農(nóng)田，觀測(cè)環(huán)境良好。依據(jù)地磁觀測(cè)規(guī)范，在施工過(guò)程中對(duì)建設(shè)材料、儀器墩等進(jìn)行了嚴(yán)格篩選，2012年9月完成建設(shè)，臺(tái)址位置如圖1所示。

圖1 豐寧臺(tái)位置圖Fig.1 Location map of Fengning station

FHD-2B數(shù)字化地磁觀測(cè)系統(tǒng)于2013年8月在新址架設(shè)完畢，該系統(tǒng)觀測(cè)的對(duì)象是連續(xù)記錄地磁場(chǎng)中總強(qiáng)度F、水平分量H、磁偏角D隨時(shí)間的變化，由探頭、線圈和主機(jī)三部分構(gòu)成。測(cè)量范圍20 000～70 000 nT，分辨率<0.1 nT，總強(qiáng)度F精度<0.3 nT，水平分量H精度<0.6 nT，磁偏角D精度<0.1′[2]。

2 豐寧臺(tái)觀測(cè)資料情況

根據(jù)地磁場(chǎng)時(shí)空變化規(guī)律一致性與相關(guān)性的特點(diǎn)，可選取一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的臺(tái)站作為參考進(jìn)行對(duì)比分析，判斷臺(tái)站儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)是否可靠[3]。紅山臺(tái)位于河北省隆堯縣，觀測(cè)數(shù)據(jù)背景噪聲較小，質(zhì)量良好，F(xiàn)HD系列評(píng)比連續(xù)多年獲得全國(guó)前三名和省局第一名。2017年2月15日豐寧臺(tái)和紅山臺(tái)FHD-2B儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 2017年2月15日豐寧臺(tái)與紅山臺(tái)FHD儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Observation data curve of FHD instrument at Fengning and Hongshan stations on February 15, 2017

由圖2看出，豐寧臺(tái)FHD儀各分量觀測(cè)數(shù)據(jù)與紅山臺(tái)數(shù)據(jù)變化一致性較好，D分量和H分量的記錄曲線明顯變粗，毛刺較多。對(duì)2017年1至5月兩個(gè)臺(tái)站的背景噪聲與臺(tái)網(wǎng)背景噪聲平均值進(jìn)行比較(見(jiàn)表1)。

表1 2017年1月至5月臺(tái)站背景噪聲值

由表1可見(jiàn)，紅山臺(tái)各分量背景噪聲與臺(tái)網(wǎng)背景噪聲平均值大小相當(dāng)，豐寧臺(tái)總強(qiáng)度F的背景噪聲為臺(tái)網(wǎng)背景噪聲的4倍，水平分量H和磁偏角D的參考背景噪聲為臺(tái)網(wǎng)的2倍，超出儀器本身的測(cè)量精度。

3 影響參考背景噪聲的相關(guān)干擾

影響FHD儀觀測(cè)數(shù)據(jù)背景噪聲的主要有觀測(cè)環(huán)境、交流電干擾、信號(hào)線長(zhǎng)度等。針對(duì)豐寧臺(tái)儀器背景噪聲偏大的問(wèn)題，主要從以下幾方面進(jìn)行排查。

3.1 場(chǎng)地環(huán)境分析

FHD儀是根據(jù)質(zhì)子旋進(jìn)的原理研制，探頭內(nèi)部由一對(duì)灌裝煤油的線圈構(gòu)成，如果觀測(cè)場(chǎng)地水平梯度較大，就會(huì)使得探頭里兩個(gè)線圈感應(yīng)的信號(hào)不一樣，疊加信號(hào)減弱，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)性降低，背景噪聲增大[4]。2017年4月,豐寧臺(tái)對(duì)新建探頭房?jī)?nèi)的梯度重新進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。根據(jù)地磁臺(tái)網(wǎng)建設(shè)規(guī)范要求，水平梯度應(yīng)不大于1.5 nT/m，而圖3顯示出探頭房的水平梯度小于0.5 nT/m。由此可見(jiàn)，F(xiàn)HD儀的觀測(cè)環(huán)境符合國(guó)家地磁臺(tái)站建設(shè)要求。

圖3 豐寧臺(tái)FHD儀探頭房梯度測(cè)量等值線Fig.3 Contour of gradient measurement in probe room of FHD instrument in Fengning station

3.2 供電干擾分析

觀測(cè)室內(nèi)供電線路的合理性關(guān)系到是否會(huì)產(chǎn)生交流電磁干擾，原因主要為兩方面。一方面是由于環(huán)狀線路與儀器探頭上方的交流線路，可通過(guò)探頭感應(yīng)，使測(cè)量數(shù)據(jù)背景噪聲變大；另一方面是與信號(hào)線距離較近，尤其是與信號(hào)線平行的交流供電線路，通過(guò)信號(hào)線的電磁耦合，將電磁干擾耦合至儀器，使測(cè)量數(shù)據(jù)背景噪聲增大[2，4]。

2017年6月，豐寧臺(tái)對(duì)觀測(cè)室內(nèi)供電情況進(jìn)行排查時(shí)發(fā)現(xiàn)，儀器的信號(hào)線和電源線距離較近，兩條線路捆綁在一起，同時(shí)進(jìn)入儀器觀測(cè)室。另外還發(fā)現(xiàn)主機(jī)后面的線路比較混亂，電源線已纏繞成環(huán)狀。針對(duì)上述問(wèn)題，首先對(duì)信號(hào)線和電源線進(jìn)行重新埋設(shè)，布設(shè)信號(hào)線時(shí)遠(yuǎn)離交流電線，在進(jìn)入儀器室時(shí)，電源線和信號(hào)線從不同方向進(jìn)入觀測(cè)室，保證信號(hào)線與電源線的有效分離；其次，重新整理主機(jī)后面的電源線路，解決電源線環(huán)狀纏繞問(wèn)題；最后，為避免儀器和線路之間的相互干擾，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的其他實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行停測(cè)。

3.3 信號(hào)線干擾分析

從探頭到主機(jī)之間的信號(hào)線中存在一定線阻和分布電容，如果信號(hào)線較短，線阻和分布電容對(duì)選頻的影響可以忽略；如果信號(hào)線較長(zhǎng)，信號(hào)線中的分布電容和電阻就比較大，會(huì)降低選頻共振的幅頻特性和信噪比，還會(huì)降低探頭的極化電流，從而降低質(zhì)子旋進(jìn)信號(hào)的強(qiáng)度，使得測(cè)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)背景噪聲增大[2，4]。因此，信號(hào)線長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的背景噪聲易產(chǎn)生較大影響。

豐寧臺(tái)原FHD主機(jī)安裝在臺(tái)站辦公室，距離探頭房約八十多米。2017年7月，在距離探頭房約30 m的地方，為FHD臨時(shí)搭建一個(gè)簡(jiǎn)易主機(jī)室，縮短信號(hào)線長(zhǎng)度近50 m，重新對(duì)信號(hào)放大倍數(shù)與分布電容修正值進(jìn)行調(diào)整。信號(hào)線縮短后，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線線條明顯變細(xì)。

3.4 儀器自身影響分析

FHD主機(jī)使用的電子器件具有一定的工作溫度范圍，當(dāng)溫度較高或較低時(shí)，電子器件的工作特性將產(chǎn)生一些變化，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的背景噪聲[5]。考慮到縮短信號(hào)線時(shí)，將FHD安裝在簡(jiǎn)易主機(jī)室，保溫效果較差，尤其在夏季和冬季。為了避免儀器因溫度引起背景噪聲變大，2017年10至11月，重新建設(shè)FHD主機(jī)室，于12月底完成FHD主機(jī)的安裝架設(shè)。

4 結(jié)果分析

為驗(yàn)證背景噪聲的改善效果，將紅山臺(tái)和昌黎臺(tái)FHD儀背景噪聲一并引入，對(duì)比分析。其中，昌黎臺(tái)位于河北省昌黎縣，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。對(duì)比豐寧臺(tái)、紅山臺(tái)和昌黎臺(tái)2017年1月至2018年4月各要素的背景噪聲曲線如圖4-圖6所示。

圖4 總強(qiáng)度F背景噪聲曲線圖Fig.4 Total intensity F background noise curve

由圖4可見(jiàn)，總強(qiáng)度F的背景噪聲明顯減小。2017年1月至5月的平均值為1.22 nT，經(jīng)改造后，6月至12月平均值為0.53 nT，2018年1月至4月的平均值為0.34 nT。對(duì)比改造前后，豐寧臺(tái)背景噪聲減小了近4倍，目前其數(shù)值與紅山臺(tái)相當(dāng)，略大于昌黎臺(tái)。由圖5可見(jiàn)，水平分量H的背景噪聲明顯減小。2017年1月至5月的平均值為0.87 nT，改造后，6月至12月平均值為0.68 nT，2018年1月至4月的平均值為0.52 nT。目前其數(shù)值與昌黎臺(tái)相當(dāng)，略大于紅山臺(tái)。

圖5 水平分量H背景噪聲曲線圖Fig.5 Background noise curve of horizontal component H

由圖6可見(jiàn)，磁偏角D的背景噪聲明顯減小。2017年1月至5月的平均值為1.13 nT，改造后，6月至12月平均值為0.96 nT，2018年1月至4月的平均值為0.79 nT。目前其數(shù)值與昌黎臺(tái)相當(dāng)，略大于紅山臺(tái)。由以上分析可見(jiàn)，豐寧臺(tái)FHD儀背景噪聲偏大主要受交流供電干擾和信號(hào)線過(guò)長(zhǎng)的影響。

圖6 磁偏角D背景噪聲曲線圖Fig.6 Background noise curve of magnetic declination D

5 結(jié)語(yǔ)

地磁臺(tái)站觀測(cè)的首要任務(wù)就是提供連續(xù)、完整、可靠的數(shù)據(jù)。豐寧臺(tái)從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)對(duì)背景噪聲影響因素的逐一排查，并采取改造措施，最終減小FHD儀背景噪聲，提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量。同時(shí)，還總結(jié)出一些減小背景噪聲的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的代表性和實(shí)用性，可以在其他地磁臺(tái)站進(jìn)行推廣應(yīng)用。