談 昕 張 毅 王 雷 徐如剛肖偉鵬 王韶穩(wěn) 陶 酣 黎哲君

（中國(guó)合肥230031 安徽省地震局）

GSM-19T質(zhì)子磁力儀性能測(cè)試

談 昕 張 毅 王 雷 徐如剛肖偉鵬 王韶穩(wěn) 陶 酣 黎哲君

（中國(guó)合肥230031 安徽省地震局）

以GSM-19T質(zhì)子磁力儀為研究對(duì)象，依據(jù)不同性能指標(biāo)，采用不同測(cè)試方式，對(duì)質(zhì)子磁力儀特性進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。結(jié)果表明：該磁力儀操作簡(jiǎn)單、快捷，是具有數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、精確測(cè)量自動(dòng)化和高觀測(cè)精度的便攜式磁力儀，具有良好的穩(wěn)定性和一致性，可以滿足野外地震監(jiān)測(cè)工作要求。

性能測(cè)試；觀測(cè)誤差；GSM-19T磁力儀

0 引言

觀測(cè)儀器作為地磁研究的重要物性基礎(chǔ)，在固定地震臺(tái)測(cè)量及野外數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，可以準(zhǔn)確記錄地磁場(chǎng)分布及時(shí)空變化，從而為地磁場(chǎng)研究及地震地磁研究提供豐富資料。20世紀(jì)80年代，美制G型質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀用于中國(guó)地震局流動(dòng)地震地磁監(jiān)測(cè)工作，對(duì)其主要性能指標(biāo)已開(kāi)展較為深入的性能測(cè)試與研究工作（張銀貴，1996；詹志佳等，2000；郭玉蓮等，2001；楊婕等，2008；侯志成，2011）。近年，隨著中國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究工作的深入開(kāi)展、觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及對(duì)地震地磁監(jiān)測(cè)能力要求的不斷提升，中國(guó)地震局引進(jìn)GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，用于野外流動(dòng)地磁測(cè)量工作。GSM-19T標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀是加拿大GEM公司生產(chǎn)的全自動(dòng)質(zhì)子磁力儀，靈敏度達(dá)0.05 nT，分辨率達(dá)0.01 nT，絕對(duì)精度±0.2 nT，采樣率3—3 600 s可調(diào)（加拿大GEM公司，2011）。目前，儀器的主要性能及技術(shù)指標(biāo)等相關(guān)信息僅來(lái)源于儀器附帶說(shuō)明書(shū)，若將其用于流動(dòng)地震地磁測(cè)量，為保障地磁測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，需要對(duì)其精度、穩(wěn)定性等性能進(jìn)行研究，掌握其實(shí)測(cè)性能（國(guó)家地震局，1986）。

2012年8月和11月，中國(guó)地震局地球物理研究所與安徽省地震局等單位，在十三陵地震臺(tái)進(jìn)行22臺(tái)GSM-19T標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀性能測(cè)試工作，主要依據(jù)為《中國(guó)地磁圖地磁野外觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（中國(guó)地震局地球物理研究所，2003）、《地震觀測(cè)儀器進(jìn)網(wǎng)技術(shù)要求——地磁觀測(cè)儀第2部分：質(zhì)子矢量磁力儀》（中國(guó)地震局，2008）以及儀器購(gòu)置招標(biāo)文件等。按照測(cè)試大綱與方案，對(duì)測(cè)試環(huán)境（包括軟、硬件環(huán)境）和儀器功能（包括儀器配置、基本功能檢查等）及分辨率、采樣率、一致性、穩(wěn)定性、溫漂等主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。本文基于各項(xiàng)測(cè)試的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對(duì)GSM-19T標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀主要性能進(jìn)行分析，以便對(duì)儀器性能進(jìn)行整體把握，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮作用。

1 GSM-19T磁力儀性能測(cè)試

1.1 測(cè)試方案

對(duì)22臺(tái)GSM-19T標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀在十三陵地震臺(tái)進(jìn)行性能測(cè)試，2012年8月完成對(duì)2.45 m原電纜線（短線）配置下的儀器性能測(cè)試工作，2012年11月完成附加25 m加長(zhǎng)電纜線（長(zhǎng)線）后的儀器性能測(cè)試工作。由于各探頭外觀相同，為防止探頭混用影響測(cè)試結(jié)果，設(shè)置儀器序列號(hào)與探頭編號(hào)同名，見(jiàn)表1。

表1 22臺(tái)GSM-19T質(zhì)子磁力儀序列號(hào)及探頭編號(hào)Table 1 The serial number and the probe number of 22 GSM-19T proton magnetometers

根據(jù)不同檢測(cè)目標(biāo)，采用兩種檢測(cè)方式：①在基站模式下，儀器先后采用不同采樣率同步連續(xù)觀測(cè)至最長(zhǎng)時(shí)段，以分析儀器分辨率、采樣率、穩(wěn)定性等指標(biāo)，選取日溫差較大時(shí)段，同步記錄溫度變化，分析儀器溫漂指標(biāo)；②依據(jù)《中國(guó)地磁圖地磁野外觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》，建立兩個(gè)固定測(cè)樁，對(duì)所有儀器進(jìn)行比測(cè)，考察儀器一致性指標(biāo)。

1.2 穩(wěn)定性測(cè)試

儀器穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作分兩個(gè)時(shí)間階段進(jìn)行：8月1日至3日，針對(duì)探頭及主機(jī)之間連接2.45 m連接線的穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)；11月1日至3日，針對(duì)探頭及主機(jī)之間附加25 m連接線的穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，選取距離干擾源較遠(yuǎn)的區(qū)域布設(shè)儀器，采樣周期設(shè)3 s、5 s、10 s、60 s，在不同時(shí)間段，對(duì)測(cè)試儀器同步采樣，同步采樣時(shí)間達(dá)儀器最長(zhǎng)時(shí)間。

穩(wěn)定性測(cè)試過(guò)程采用不同采樣頻率多個(gè)時(shí)段同步采樣，數(shù)據(jù)量豐富，限于篇幅，僅給出22臺(tái)儀器2012年11月02日00∶00—03∶53采樣率5 s的2 076個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)處理結(jié)果，見(jiàn)圖1。由圖1（a）可知，在相同觀測(cè)時(shí)段，儀器測(cè)試觀測(cè)值整體變化趨勢(shì)相似，無(wú)顯著差異。以22臺(tái)測(cè)試儀器同步采樣的地磁總強(qiáng)度觀測(cè)值的平均值作為觀測(cè)正常背景值參考基準(zhǔn)，將測(cè)試儀器的觀測(cè)值與對(duì)應(yīng)的參考基準(zhǔn)值進(jìn)行差值，曲線變化穩(wěn)定，無(wú)明顯趨勢(shì)性變化［圖1（b）］。由圖1（c）可知，儀器均方差較小，各臺(tái)儀器均方差范圍0.025—0.045 nT。

1.3 一致性測(cè)試

地磁儀器比測(cè)是保障地磁測(cè)量準(zhǔn)確可靠的有效手段（顧左文等，2004）。在儀器一致性測(cè)試過(guò)程中，參照《中國(guó)地磁圖地磁野外觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》，在臺(tái)站內(nèi)建立兩固定測(cè)樁，對(duì)儀器進(jìn)行比測(cè)，系統(tǒng)分析儀器一致性及儀器差指標(biāo)。比測(cè)時(shí)，將兩臺(tái)儀器分別固定于兩測(cè)樁同步記錄10個(gè)讀數(shù)，交換儀器再次同步記錄10個(gè)讀數(shù)，計(jì)算儀器差，每組結(jié)束，更換儀器，按照序列號(hào)101-102-103-… 096-101的順序?qū)x器進(jìn)行循環(huán)比測(cè)。表2給出測(cè)試的儀器差與點(diǎn)位差，可知二者變化穩(wěn)定且較小，儀器差變化范圍-0.21— +0.31 nT，點(diǎn)位差變化范圍40.45—41.64 nT。

圖1 22臺(tái)GSM-19T測(cè)試結(jié)果（a）測(cè)試觀測(cè)值空間變化圖像；（b） 觀測(cè)值與參考基準(zhǔn)差值變化；（c）測(cè)量均方差Fig.1 The test result of 22 GSM-19T proton magnetometers

表2 GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀一致性測(cè)試結(jié)果Table 2 The results of conformance test with 22 GSM-19T proton precession magnetometers

1.4 溫漂性能測(cè)試

采用60 s采樣率連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行儀器溫漂性能測(cè)試。測(cè)試儀器受實(shí)時(shí)溫度影響，同步架設(shè)GM4磁通門磁力儀，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度記錄。使用靜海地磁臺(tái)連續(xù)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試儀器60 s采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行日變通化，與GM4磁通門磁力儀溫度變化曲線進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算各臺(tái)儀器的溫漂性能。選擇8月2日至3日兩個(gè)溫度差異較大的時(shí)段，高溫時(shí)段選定北京時(shí)間15∶30—16∶30，低溫時(shí)間段選定北京時(shí)間02∶00—03∶00，計(jì)算經(jīng)日變通化后高、低溫時(shí)段的地磁場(chǎng)觀測(cè)均值，根據(jù)GM4磁通門磁力儀溫度記錄，統(tǒng)計(jì)溫差，使用統(tǒng)計(jì)平均方法，計(jì)算各測(cè)試儀器溫漂特性，見(jiàn)圖2和表3。由表3可知，22臺(tái)測(cè)試儀器的溫度漂移率變化范圍-0.0058 nT/℃ — -0.0623 nT/℃。

圖2 GM4磁通門磁力儀溫度變化曲線Fig.2 The temperature variation curve of GM4 flux-gate magnetometer

表3 GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀溫漂測(cè)試結(jié)果Table3 The results of temperature drift test of 22 GSM-19T proton precession magnetometers

2 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)GSM-197質(zhì)子磁力儀的穩(wěn)定性、一致性及漂移性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3—圖5。圖3為22臺(tái)測(cè)試儀器在長(zhǎng)短線、不同采樣周期（3 s、5 s、10 s、60 s）條件下均方差分布結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：測(cè)試GSM-19T標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，整體均方差較小且均勻，優(yōu)于0.05 nT，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。可見(jiàn)穩(wěn)定性與連接線長(zhǎng)短基本無(wú)關(guān)，且不隨采樣周期變化而變化。

圖4為循環(huán)比測(cè)法給出的儀器一致性測(cè)試分布結(jié)果，包含儀器差及點(diǎn)位差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4可見(jiàn)，儀器差變化較小，幅度為±0.31 nT，均方差約±0.13 nT。點(diǎn)位差變化范圍在40.45—41.64 nT，均方差為±0.30 nT，表現(xiàn)出良好的一致性。

圖5為儀器溫度漂移特性測(cè)試分布結(jié)果，可知：儀器溫漂變化范圍在-0.062 3 nT/℃—-0.005 8 nT/℃，總體變化較均勻，表現(xiàn)出較好的一致性。但測(cè)試所得溫漂指數(shù)大于理論值0.002 5 nT/℃（環(huán)境溫度為-40℃ — 0℃）、0.001 8 nT/℃（環(huán)境溫度為0 — +55℃）（加拿大GEM公司，2011），可能是因?yàn)闇y(cè)試環(huán)境溫度變化較小，儀器精度無(wú)法滿足溫漂測(cè)試環(huán)境，或測(cè)試過(guò)程引入一定誤差等。

圖3 不同采樣率下GSM-19T儀器均方差分布（a） 3 s均方差；（b） 5 s 均方差；（c） 10 s均方差；（d）60 s 均方差Fig.3 The histogram of the mean square error with GSM-19T at the different sampling rate

圖4 22臺(tái)GSM-19T質(zhì)子磁力儀儀器差、點(diǎn)位差Fig.4 The histogram of instrument difference and point position difference with 22 GSM-19T proton precession magnetometers

圖5 22臺(tái)GSM-19T溫漂測(cè)試結(jié)果Fig.5 The histogram of the temperature drift test results of 22 GSM-19T proton magnetometers

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)GSM-19T質(zhì)子磁力儀性能進(jìn)行測(cè)試，分析可知該類型儀器是一種操作簡(jiǎn)單、快捷、具有數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、精確測(cè)量自動(dòng)化和高觀測(cè)精度的便攜式磁力儀，具有良好的穩(wěn)定性和一致性，可為野外觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度提供保障。

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Main performance test and analysis of GSM-19T proton magnetometer

Tan Xin，Zhang Yi，Wang Lei，Xu Rugang，Xiao Weipeng，Wang Shaowen，TaoHan and Li Zhejun
（Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

GSM-19T proton precession magnetometer is widely used in seismic magnetic survey in recent years and becomes an important instrument in the area of earthquake monitoring.Taking GSM-19T proton magnetometers which are newly-purchased by China Earthquake Administration as the research objects，according to the different performance indexes，the study has conducted tests and systematical analyses for the main technical indicators of these proton magnetometers in different testing methods.The results showed that:GSM-19T proton precession magnetometer is a kind of easy-operating portable magnetometer applying skills such as the digital data acquisition，automatic measurement and higher observation precision.Besides，the good consistency stability of the instrument can also fully meet the requirements of seismic system.

performance test，observation error，GSM-19T proton precession magnetometer

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.008

談昕（1987—），女，碩士，助理工程師現(xiàn)主要從事地磁監(jiān)測(cè)及研究工作。E-mail：tanxin_only@163.com

安徽省地震局合同制課題項(xiàng)目資助（201426）

本文收到日期：2015-03-20