動(dòng)態(tài)車輛對(duì)地磁場(chǎng)干擾特征的定量研究

[摘要] 近年來(lái)地磁觀測(cè)臺(tái)站受高壓直流輸電、地鐵、車輛等干擾的情況越發(fā)嚴(yán)重，全國(guó)地磁秒采樣臺(tái)站中約有35個(gè)臺(tái)站遭受到車輛干擾，影響了地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整率和有效率。本文利用3臺(tái)GM4磁通門磁力儀在紅山地磁臺(tái)對(duì)不同類型車輛在不同方向、不同距離、不同速度下開(kāi)展野外干擾試驗(yàn)，分析地磁場(chǎng)水平分量H、垂直分量Z和磁偏角D的定量變化。結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)車輛行駛方位可由地磁偏角D分量變化形態(tài)判斷，在空間上動(dòng)態(tài)車輛不同速度對(duì)地磁場(chǎng)的影響差異較小。初步建立了地磁場(chǎng)中車輛位置變化的數(shù)學(xué)模型，使用3臺(tái)磁通門磁力儀可反演地磁臺(tái)站產(chǎn)生干擾車輛行駛方向、行駛速度和相對(duì)觀測(cè)儀器位置變化。為地磁臺(tái)站識(shí)別車輛干擾影響提供參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 地磁場(chǎng); 動(dòng)態(tài)車輛; 干擾特征; 方位

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-075

基金項(xiàng)目： 中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH23006A）和河北省地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（DZ2024112200012）聯(lián)合資助。

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，地磁觀測(cè)受到車輛、輕軌等的干擾越發(fā)嚴(yán)重，受到影響的地磁臺(tái)站數(shù)量也呈快速增加的態(tài)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)地磁秒采樣臺(tái)站中約有35個(gè)臺(tái)站遭受到車輛干擾影響，占總數(shù)的65%[1]。車輛干擾對(duì)地磁各分量的影響程度不一，干擾形態(tài)各異，而且變化幅度較小，識(shí)別和處理難度較高。前人對(duì)車輛干擾的研究表明，車輛干擾在地磁觀測(cè)曲線上以尖峰形態(tài)或臺(tái)階形態(tài)出現(xiàn)，在GM4磁通門磁力儀三分量記錄曲線上不同分量的干擾形態(tài)也不一樣，有些干擾在三分量記錄曲線上同時(shí)出現(xiàn)臺(tái)階形態(tài)，有些只在垂直分量和水平分量記錄曲線上以臺(tái)階形態(tài)出現(xiàn)，在偏角記錄曲線上則以尖峰形態(tài)出現(xiàn)，也有的干擾在某一分量有明顯臺(tái)階突跳形態(tài)，而其他分量并無(wú)明顯反映，干擾形態(tài)和幅度的不同與車輛相對(duì)觀測(cè)儀器的位置有關(guān)。前人對(duì)車輛干擾的研究大多體現(xiàn)在觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化形態(tài)上，以定性研究為主。也有一些學(xué)者給出了車輛行駛方向和地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，但對(duì)于地磁臺(tái)站周邊行駛中車輛的位置與觀測(cè)數(shù)據(jù)變化之間的定量關(guān)系研究還比較少[2-6]。

有效的車輛干擾識(shí)別和處理方法可以提高地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效利用率，加強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控，為地磁臺(tái)站的選址提供依據(jù)[7]。本文旨在探索動(dòng)態(tài)車輛對(duì)地磁場(chǎng)干擾的特征研究，給出動(dòng)態(tài)車輛和觀測(cè)數(shù)據(jù)變化之間的定量關(guān)系，方便地磁觀測(cè)人員識(shí)別處理車輛干擾和開(kāi)展科學(xué)研究。

1 地磁場(chǎng)中動(dòng)態(tài)車輛檢測(cè)原理

地球本身是一個(gè)弱磁體，其磁場(chǎng)強(qiáng)度大小在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為是均勻分布的。當(dāng)任何具有導(dǎo)磁能力的鐵磁性物質(zhì)擾動(dòng)時(shí)，該區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生變化[8]。

車輛的各部件主要由鐵磁性物質(zhì)構(gòu)成，當(dāng)車輛從地磁臺(tái)站周圍經(jīng)過(guò)時(shí)，車輛的鐵磁性物體會(huì)使地磁場(chǎng)產(chǎn)生扭曲和畸變，這種變化的大小和方向可以被磁通門磁力儀記錄到。

根據(jù)《地磁測(cè)量與地磁臺(tái)站工作指南》中給出的理論公式：

（1）

式中，ΔB為鐵磁性物體產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度；M為鐵磁性物體的質(zhì)量；k為鐵磁性物體的磁化率；B0為外磁場(chǎng)強(qiáng)度，即當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)總強(qiáng)度F；d為鐵磁性物體的密度；s為鐵磁性物體幾何中心與地磁觀測(cè)點(diǎn)間的距離；N為鐵磁性物體的退磁因子[9]。

公式（1）是建立在以下3個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)上的：一是當(dāng)觀測(cè)儀器與車輛之間的距離遠(yuǎn)大于車輛本身的尺寸時(shí)，我們假設(shè)車輛產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一偶極子場(chǎng)；二是假設(shè)天然磁場(chǎng)、車輛的感應(yīng)磁場(chǎng)和剩余磁場(chǎng)全部在同一個(gè)方向上；三是假設(shè)車輛的總磁化強(qiáng)度是感應(yīng)磁化強(qiáng)度的2倍。

2 動(dòng)態(tài)車輛對(duì)地磁場(chǎng)干擾的野外試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)地點(diǎn)選在紅山基準(zhǔn)臺(tái)南部的東西向道路上，如圖1所示。試驗(yàn)道路長(zhǎng)325 m，試驗(yàn)時(shí)間選在車輛稀少的晚上，測(cè)試道路上只有測(cè)試車輛在行駛，排除其他因素干擾。將兩臺(tái)測(cè)試儀器傳感器放置在測(cè)試道路邊的農(nóng)田中，傳感器間的距離為5 m，自西向東分別標(biāo)記為測(cè)試儀器1和測(cè)試儀器2。試驗(yàn)車輛選擇小型車（速騰）和大型車（全順），詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1，其中平均磁化率數(shù)據(jù)為使用磁化率儀測(cè)量車輛鐵磁性物質(zhì)得出。將紅山臺(tái)內(nèi)正式觀測(cè)的磁通門磁力儀作為參考儀器，參考儀器距測(cè)試道路120 m以上，試驗(yàn)的兩種車輛在之前的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中不會(huì)對(duì)參考儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。

首先駕駛試驗(yàn)車輛勻速自西向東行駛（圖1中A點(diǎn)至B點(diǎn)），到達(dá)B點(diǎn)后，再勻速自東向西行駛至A點(diǎn)。A點(diǎn)和B點(diǎn)處分別有工作人員記錄車輛出發(fā)和到達(dá)的時(shí)間，將試驗(yàn)車輛的行駛時(shí)間與參考儀器、測(cè)試儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間對(duì)應(yīng)起來(lái)，也可以根據(jù)路程和行駛時(shí)間計(jì)算出車輛行駛的實(shí)際速度。

通過(guò)試驗(yàn)，得到兩種車輛自西向東行駛一組數(shù)據(jù)和自東向西行駛一組數(shù)據(jù)，共計(jì)有4組數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

將參考儀器、測(cè)試儀器1和測(cè)試儀器2記錄到的數(shù)據(jù)分別設(shè)為c、d和e，對(duì)4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理：

（1）將測(cè)試儀器1和測(cè)試儀器2的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別減去參考儀器同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，得到兩臺(tái)測(cè)試儀器受車輛干擾的數(shù)據(jù)，即Δd=d?c，Δe=e?c。

（2）將第一步得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸零處理，理論上車輛在起點(diǎn)和終點(diǎn)處對(duì)測(cè)試儀器的影響為零，以測(cè)試儀器1的數(shù)據(jù)處理為例，即

（2）

數(shù)據(jù)通過(guò)以上兩步處理后，就可以直觀的看出試驗(yàn)車輛對(duì)測(cè)試儀器產(chǎn)生的干擾。圖2a和圖3a為兩種車輛經(jīng)過(guò)測(cè)試儀器1處理后的數(shù)據(jù)，圖2b和圖3b為兩種車輛經(jīng)過(guò)測(cè)試儀器2處理后的數(shù)據(jù)。其中，小型車西向和東向的行駛速度分別為5.0 m/s和7.3 m/s，大型車西向和東向的行駛速度分別為7.7 m/s和4.7 m/s。由圖2和圖3可見(jiàn)，能明顯反應(yīng)車輛行駛方向的是D分量， H分量和Z分量對(duì)車輛行駛方向不敏感。在空間域上，不同的行駛速度對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響基本沒(méi)有差異。

由于試驗(yàn)車輛在測(cè)試儀器較近時(shí)產(chǎn)生的干擾可達(dá)上千納特，將會(huì)嚴(yán)重壓制地磁場(chǎng)曲線的變化形態(tài)，圖2和圖3中車輛對(duì)地磁場(chǎng)的干擾在30～100 m階段被壓制為一條近乎為零的直線。為了能更明顯看出動(dòng)態(tài)車輛對(duì)地磁場(chǎng)干擾初始階段的變化，圖4和圖5將展示觀測(cè)數(shù)據(jù)在±1之間的變化形態(tài)。

圖4a和圖5a為兩種車輛經(jīng)過(guò)測(cè)試儀器1處理后的數(shù)據(jù)，圖4b和圖5b為兩種車輛經(jīng)過(guò)測(cè)試儀器2處理后的數(shù)據(jù)。由圖4和圖5可以看出，小型車在距離測(cè)試儀器約50 m以內(nèi)產(chǎn)生的地磁場(chǎng)干擾開(kāi)始被記錄到，大型車在距離測(cè)試儀器約70 m以內(nèi)產(chǎn)生的地磁場(chǎng)干擾開(kāi)始被記錄到，且相同距離大型車比小型車產(chǎn)生的干擾幅度更大。由表1可知，小型車和大型車的平均磁化率一樣，大型車的質(zhì)量要比小型車大，是造成上述現(xiàn)象的原因所在。在干擾的初始階段，D分量反應(yīng)出車輛行駛方向的特征為：向西行駛曲線呈“凹”形，即觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始為下降變化，最后為上升變化；向東行駛曲線呈“凸”形，即觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始為上升變化，最后為下降變化。

在以上基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（3）根據(jù)公式（1），將車輛幾何中心與測(cè)試儀器1和測(cè)試儀器2間的距離分別記作sd和se。我們將sd和se相比，即可推導(dǎo)出如下公式：

（3）

因?yàn)閮膳_(tái)測(cè)試儀器間的距離為5 m，故而se=（sd+5），帶入式（3）中，得到：

（4）

根據(jù)公式（4），即可通過(guò)兩臺(tái)測(cè)試儀器記錄到的數(shù)據(jù)反演出測(cè)試車輛距離測(cè)試儀器1的理論距離。

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上述處理后，可通過(guò)地磁D、H和Z分量分別反演出車輛理論位置和車輛實(shí)際位置，并進(jìn)行繪圖（圖6和圖7）。本文試驗(yàn)中測(cè)試車輛為勻速行駛，車輛的實(shí)際位置在圖中反映為一條直線。

由圖6和圖7可見(jiàn)，通過(guò)地磁D、H、Z分量分別反演出的理論車輛位置和實(shí)際車輛位置大體上是相符的。如果將反演出的車輛位置進(jìn)行一階擬合，擬合出直線的斜率即為車輛的行駛速度，速度為正代表行駛方向向東，速度為負(fù)代表行駛方向向西。從數(shù)據(jù)的可靠性來(lái)看，小型車在距離觀測(cè)儀器大約30 m以內(nèi)的數(shù)據(jù)才較為準(zhǔn)確，大型車在距離觀測(cè)儀器大約50 m以內(nèi)的數(shù)據(jù)才較為準(zhǔn)確，車輛行駛速度越快可以進(jìn)行反演的可靠數(shù)據(jù)就越少。從反演的準(zhǔn)確性來(lái)看，通過(guò)地磁D分量和Z分量反演出的理論車輛位置和實(shí)際車輛位置最為接近。

4 討論

針對(duì)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)受車輛干擾的現(xiàn)象，本文通過(guò)理論公式推導(dǎo)和野外實(shí)驗(yàn)，在紅山臺(tái)使用3臺(tái)GM4磁通門磁力儀對(duì)兩種車輛進(jìn)行了試驗(yàn)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）兩種類型車輛在平均磁化率基本相當(dāng)?shù)那闆r下，車輛的質(zhì)量越大，對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾越大，觀測(cè)數(shù)據(jù)受影響的幅度越大。本文試驗(yàn)中，小型車在距離測(cè)試儀器約50 m開(kāi)始產(chǎn)生影響，大型車在距離測(cè)試儀器約70 m開(kāi)始產(chǎn)生影響。

（2）動(dòng)態(tài)車輛的行駛方位可由地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)D分量的變化形態(tài)來(lái)判斷。車輛由觀測(cè)儀器以東行駛至觀測(cè)儀器以西，數(shù)據(jù)曲線呈“凹”形；車輛由觀測(cè)儀器以西行駛至觀測(cè)儀器以東，數(shù)據(jù)曲線呈“凸”形。在空間域上，動(dòng)態(tài)車輛的不同行駛速度對(duì)地磁場(chǎng)的影響基本沒(méi)有差異。

（3）使用3臺(tái)GM4磁通門磁力儀即可反演出對(duì)地磁臺(tái)站產(chǎn)生干擾車輛的行駛方向、行駛速度和相對(duì)觀測(cè)儀器的位置變化，反演出的車輛行駛速度為正則代表行駛方向向東、速度為負(fù)代表行駛方向向西，在距離觀測(cè)儀器一定距離以內(nèi)反演出的車輛位置才較為準(zhǔn)確，車輛的磁化率和質(zhì)量越大反演距離也就越遠(yuǎn)。相對(duì)而言，通過(guò)地磁D分量和Z分量反演出的車輛位置更為接近車輛的實(shí)際位置。

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