文安地震臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀噪聲干擾分析

王秋根　吝利民　張聰聰　張慶揚(yáng)

摘要文安臺(tái) FHD-2B 質(zhì)子磁力儀噪聲值在2020—2021年出現(xiàn)地磁 F 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲偏大。其噪聲與環(huán)境溫度存在高相關(guān)性，表現(xiàn)為冬季噪聲大，夏季噪聲小的現(xiàn)象。我們依次對(duì)磁房周?chē)h(huán)境、供電電壓、接地電阻、供電線路是否漏電、探頭是否漏油、工頻干擾等進(jìn)行排查，未能發(fā)現(xiàn)明顯干擾源。通過(guò)研究 FHD 質(zhì)子磁力儀的原理發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)HD 質(zhì)子磁力儀的配諧電容 C 容量會(huì)隨溫度變化，溫度低時(shí)容量小，溫度高時(shí)容量大。配諧電容 C 容量變化會(huì)影響振蕩回路中心頻率f0，導(dǎo)致噪聲增大。由于文安臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀噪聲與溫度有關(guān)聯(lián)，我們推測(cè) FHD 噪聲增大可能與儀器配諧電容 C 容量變化有關(guān)。通過(guò)調(diào)節(jié)探頭電感量 L 可修正配諧電容容量變化對(duì)回路中心頻率f0的影響。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，精細(xì)調(diào)整探頭電感量 L，當(dāng)選定34.4 mH為探頭電感量值時(shí)，發(fā)現(xiàn)地磁 F 分量的噪聲值明顯下降，數(shù)據(jù)曲線變光滑，噪聲干擾排除。

關(guān)鍵詞 FHD-2B 質(zhì)子磁力儀；數(shù)據(jù)噪聲；電感量

中圖分類(lèi)號(hào)： P315.62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：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 質(zhì)子磁力儀是“九五”期間江蘇省地震局研制的分量質(zhì)子磁力儀，具有自動(dòng)化、智能化和精度高的特點(diǎn)，該儀器自研發(fā)以來(lái)，已在全國(guó)多個(gè)地磁臺(tái)站成功運(yùn)行[1]。噪聲可以有效監(jiān)測(cè) FHD 質(zhì)子磁力儀的工作狀態(tài)，當(dāng)儀器在觀測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，噪聲會(huì)有很好的響應(yīng)。彭玉柱等[2]對(duì)地磁臺(tái)網(wǎng)2009—2014年的 FHD 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)參考背景噪聲冬季低夏季高，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征。通過(guò)與基準(zhǔn)站磁通門(mén)磁力儀噪聲對(duì)比，發(fā)現(xiàn)季節(jié)交替產(chǎn)生的溫度變化是引起儀器噪聲變化的主要原因。溫度變化或儀器老化對(duì)儀器配諧電容和探頭電感量產(chǎn)生影響，致使噪聲增大。張聰聰和靳寶萍[3]通過(guò)對(duì)臨汾中心地震臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)選擇合適的探頭電感量可以有效降低噪聲。張秀霞等[4]通過(guò)對(duì)比高郵臺(tái)質(zhì)子磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)貧鉁匕l(fā)現(xiàn)，氣溫變化會(huì)對(duì)質(zhì)子磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，在氣溫高于35°和晝夜溫差變化較大時(shí)尤為明顯。董海龍等[5]通過(guò)分析嘉峪關(guān)臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲，發(fā)現(xiàn)多臺(tái)儀器或多天線路間隔太小時(shí)，會(huì)在儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)中疊加交流電磁干擾，致使地磁儀器噪聲增大。此外，F(xiàn)HD 質(zhì)子磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量也會(huì)受信號(hào)線的屏蔽性和長(zhǎng)度的影響。

2020年文安臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀供電線路經(jīng)改造后，數(shù)據(jù)質(zhì)量較之前有了很大改善，能產(chǎn)出連續(xù)完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。但每當(dāng)進(jìn)入冬季，地磁 F 分量數(shù)據(jù)噪聲就會(huì)偏大。為解決這一問(wèn)題，有效降低噪聲，改善文安臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文從 FHD 數(shù)據(jù)噪聲產(chǎn)生原因入手分析研究。

1 文安臺(tái)概述

1.1 臺(tái)站地質(zhì)構(gòu)造

文安臺(tái)地處河北平原地震構(gòu)造帶北部，冀中拗陷中部，地殼厚度小于35 km，臺(tái)基為3000 m 第四系黃土覆蓋層。臺(tái)站位于勝芳—柳河—董村活動(dòng)斷層西側(cè)，周邊有發(fā)育北東向牛東斷裂、任丘斷裂、大城斷裂和北西向徐水?dāng)嗔?，縱橫交錯(cuò)。氣候?qū)贉貛Ц蔁犷?lèi)型，四季分明，7月最熱，平均氣溫26.7℃;1 月最冷，平均氣溫?4.3℃ ， 年降水約300 mm。臺(tái)站附近先后于1967年發(fā)生河間 M6.3地震；1973年發(fā)生里坦 M5.4地震；2006年發(fā)生文安 M5.1地震。

1.2 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境

文安地震臺(tái)位于縣城郊南部，距縣城區(qū)僅700 m，占地約10畝?，F(xiàn)有觀測(cè)手段包括：FHD-2B 質(zhì)子磁力儀、氡釷分析儀、極低頻電磁測(cè)量?jī)x、電磁擾動(dòng)儀等。其中 FHD-2B 質(zhì)子磁力儀是 FHD 改進(jìn)型質(zhì)子磁力儀，儀器安裝在臺(tái)站院內(nèi)西南拐角觀測(cè)房?jī)?nèi)。臺(tái)站西側(cè)主要為農(nóng)田，南側(cè)與養(yǎng)老院為鄰，東側(cè)緊靠毛絨玩具廠，東面距縣氣象站約150 m，其余建筑以民房為主，無(wú)大型工礦企業(yè)，臺(tái)站 FHD-2B 型質(zhì)子磁力儀觀測(cè)環(huán)境良好（圖1）。地磁觀測(cè)室為磚混結(jié)構(gòu)，墻體較薄，保溫措施較差，室內(nèi)溫度隨季節(jié)變化顯著。

2 存在問(wèn)題

文安臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀數(shù)據(jù)噪聲偏大問(wèn)題出現(xiàn)在地磁 Z 分量和 F 分量數(shù)據(jù)中。從時(shí)間變化軸上看，集中在秋冬天氣偏冷月份，數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)尖峰脈沖，偶然有小臺(tái)階。圖2為文安臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀數(shù)據(jù)噪聲與臺(tái)網(wǎng)均值對(duì)比圖，2020年春季氣溫低時(shí)，地磁 Z 分量和 F 分量數(shù)據(jù)質(zhì)量較差；數(shù)據(jù)質(zhì)量隨氣溫升高逐漸變好，至夏季天氣最熱時(shí)，噪聲干擾最??；氣溫降低后，數(shù)據(jù)質(zhì)量變差；2021年1月和2月天氣最冷時(shí)，噪聲干擾達(dá)到最大；隨著氣溫逐漸升高，噪聲干擾逐漸減小；10月份氣溫降低后，噪聲干擾又隨溫度減低逐漸增大。趨勢(shì)上顯示，文安臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀數(shù)據(jù)噪聲干擾與季節(jié)溫度有較高的相關(guān)度，總體上表現(xiàn)為冬季噪聲干擾大，夏季噪聲干擾小。

3 噪聲干擾分析

我們知道，造成數(shù)據(jù)噪聲增大的原因主要分兩類(lèi)：儀器內(nèi)部噪聲和環(huán)境條件變化產(chǎn)生的噪聲。儀器噪聲主要為配諧不精確或設(shè)備老化所致。環(huán)境條件變化產(chǎn)生的噪聲主要有：磁性物質(zhì)干擾、磁房溫度變化、墩基不穩(wěn)、供電干擾等因素。

3.1FHD 質(zhì)子磁力儀原理

在地磁場(chǎng)中，具有自旋角動(dòng)量和自旋磁矩的質(zhì)子會(huì)產(chǎn)生拉莫爾旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)，地磁場(chǎng)方向?yàn)榇诵M(jìn)的軸向，地磁場(chǎng)總強(qiáng)度 F 與旋進(jìn)頻率f成正比：

式中，F(xiàn) 為地磁場(chǎng)總強(qiáng)度，單位nT；f 為質(zhì)子旋進(jìn)頻率，單位 Hz；γp 為質(zhì)子旋磁比，γp=2.6751513×108 T · s ， 是推薦常數(shù)；π為圓周率，取值3.141592653。

磁力儀的探頭由線圈和無(wú)磁性外殼組成，線圈內(nèi)充滿高純度的煤油，油中含大量氫質(zhì)子，測(cè)量時(shí)，線圈中質(zhì)子旋進(jìn)產(chǎn)生與旋進(jìn)頻率相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于線圈中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)僅在μV 級(jí)，非常微弱，需要進(jìn)行選頻放大[6]。

質(zhì)子磁力儀使用 LC 并聯(lián)諧振電路選頻放大。中心頻率f0諧振電路關(guān)系式為：

式中，f0為振蕩回路中心頻率；L 為線圈電感量； C 為儀器配諧電容[7]；π與公式（1）相同。

只有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的旋進(jìn)頻率 f 在振蕩回路的中心頻率f0附近時(shí)，質(zhì)子磁力儀才可選出需要的頻率信號(hào)進(jìn)行放大測(cè)量。中心頻率f0越接近質(zhì)子旋進(jìn)頻率 f，選出的頻率信號(hào)越準(zhǔn)確，噪聲也越小。在實(shí)際電路中存在分布電阻和分布電容，同樣會(huì)對(duì)中心頻率f0產(chǎn)生影響。

儀器在長(zhǎng)期觀測(cè)中，受環(huán)境溫度或儀器老化影響，儀器配諧電容 C 發(fā)生變化，導(dǎo)致實(shí)際質(zhì)子旋進(jìn)頻率偏離振蕩回路的中心頻率，使觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲增大。由公式（2）可知，當(dāng)儀器配諧電容 C 發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)整探頭電感量 L 可修正振蕩回路的中心頻率f0，使其保持始終接近質(zhì)子旋進(jìn)頻率f。

3.2 噪聲干擾排查

通常情況下，儀器工作電壓過(guò)低、環(huán)境磁性物質(zhì)影響、接地不良、探頭漏油和外界工頻干擾都會(huì)影響到 FHD 質(zhì)子磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。噪聲偏大可能是以上單個(gè)或多個(gè)原因疊加造成，如果臺(tái)站存在噪聲干擾，需對(duì)上述問(wèn)題現(xiàn)象逐一排查。從磁房周?chē)h(huán)境進(jìn)行排查，是否存在干擾源；檢查 FHD質(zhì)子磁力儀主機(jī)供電線路和信號(hào)線屏蔽在不同線槽內(nèi)，是否存在工頻干擾；測(cè)量?jī)x器工作電壓和接地電阻值是否正常，符合要求；檢查供電外線路是否有漏電，儀器探頭是否有漏油情況。

FHD 質(zhì)子磁力儀配諧電容值變化會(huì)受環(huán)境溫度影響，冬季比夏季低5%左右。儀器的配諧電容值變化會(huì)影響儀器配諧頻率，導(dǎo)致儀器輸出噪聲增大。FHD 質(zhì)子磁力儀配諧電感量 L 是可調(diào)的，通過(guò)調(diào)節(jié)電感量 L 來(lái)修正配諧電路電容 C 變化量達(dá)到精確配諧中心頻率f0的目的。通常，冬季電感量 L 增大約0.2 mH，夏季減小約0.2 mH[8]。文安臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀噪聲干擾與環(huán)境溫度變化有很高的相關(guān)性，初步判斷噪聲偏大與儀器探頭電感量配選值是否合適有關(guān)。

4 調(diào)整探頭電感量實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)時(shí)間段選取

地磁日變化分為磁擾日變化和磁靜日變化。磁擾包括地磁脈動(dòng)、磁暴、灣擾和鉤擾等，發(fā)生磁擾時(shí)地磁場(chǎng)變化幅度很大。磁靜日地磁場(chǎng)變化較小。其一般變化規(guī)律為白天變化大，晚上變化小。實(shí)驗(yàn)時(shí)段選在磁靜日晚上進(jìn)行，這個(gè)時(shí)段 Z 分量變化比較平緩，有利于監(jiān)控調(diào)整過(guò)程中 Z 分量的前后變化，避開(kāi)下午極值變化。本次實(shí)驗(yàn)選在2021年11月26日晚上6點(diǎn)鐘以后進(jìn)行，該時(shí)間段磁場(chǎng)環(huán)境較為穩(wěn)定，具有較好的儀器背景噪聲水平。

4.2 調(diào)整探頭電感量

每次調(diào)整儀器探頭電感量后，即對(duì)儀器工作2小時(shí)左右測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)觀察記錄數(shù)據(jù)曲線光滑度和計(jì)算數(shù)據(jù)一階差分均方差，粗略判斷每次調(diào)整探頭電感量后觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲變化水平（表1和圖3）。一階差分均方差公式為：

式中，D 表示觀測(cè)數(shù)據(jù)一階差分均方差；x 表示記錄數(shù)據(jù)一階差分；E 表示測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。

實(shí)驗(yàn)前文安臺(tái) FHD 探頭電感量34.1 mH。最初調(diào)節(jié)電感量 L 微調(diào)增加0.2 mH至34.3 mH，計(jì)算一階差分均方差值時(shí)，發(fā)現(xiàn)儀器輸出噪聲值有所減??；然后，將調(diào)節(jié)電感量 L 減小0.2 mH至33.9 mH，計(jì)算一階差分均方差值發(fā)現(xiàn)儀器輸出噪聲有所增加。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，得出儀器探頭電感量 L 真實(shí)值比實(shí)驗(yàn)前設(shè)定電感量值大些。最后我們將電感量 L 調(diào)至34.5 mH，計(jì)算一階差分均方差減小，但儀器輸出噪聲比電感量 L 調(diào)至34.3 mH時(shí)要大。儀器探頭電感量 L 應(yīng)在34.2 mH、34.3 mH和34.4 mH其中選擇一個(gè)合適值，之后再將電感量 L 分別調(diào)到34.2 mH和 34.4 mH，計(jì)算一階差分均方差值差別不大，由于儀器噪聲干擾主要出現(xiàn)在 F 分量，故選定 F 分量噪聲值較小的34.4 mH為文安臺(tái) FHD 儀器探頭電感量值。

經(jīng)調(diào)整電感量 L 實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，F(xiàn) 分量一階差分曲線明顯變細(xì)，F(xiàn) 分量噪聲從0.32 nT降到0.20 nT； Z 分量噪聲從0.36 nT降到0.27 nT，F(xiàn) 分量和 Z 分量噪聲明顯降低。圖4為文安臺(tái) FHD 質(zhì)子磁力儀修正探頭電感量 L 前后 F 分量數(shù)據(jù)比較曲線，F(xiàn) 分量數(shù)據(jù)突跳幅度明顯降低，曲線變光滑。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 FHD 質(zhì)子磁力儀通過(guò)適當(dāng)修正儀器探頭電感量 L 可有效減少儀器輸出噪聲水平，改善輸出數(shù)據(jù)質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)文安臺(tái) FHD 儀器噪聲增大存在的各種可能干擾原因逐一排查和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)文安臺(tái) FHD 噪聲增大原因是臺(tái)站儀器未能選擇合適儀器探頭電感量 L 造成的。作者通過(guò)反復(fù)修正儀器探頭電感量 L 參數(shù)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線光滑度和計(jì)算數(shù)據(jù)一階差分均方差的分析，發(fā)現(xiàn)合適選擇儀器探頭電感量 L 參數(shù)可有效降低儀器輸出噪聲水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終選定儀器探頭電感量為34.4 mH。使得 FHD 儀器 F 分量曲線變光滑、一階差分均方差減小，儀器輸出噪聲明顯降低。噪聲問(wèn)題在臺(tái)站 FHD 質(zhì)子磁力儀觀測(cè)運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)遇到，本次噪聲問(wèn)題解決經(jīng)驗(yàn)可為其他地磁臺(tái)站提供借鑒和參考。

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