李慶武，胡秀娟，張玉林，郭亞亞，陳立強，孫彭濤

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

0 引言

地磁觀測參考背景噪聲是指固定臺站某套儀器對磁場變化相應(yīng)的靈敏程度，是臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量評比的一項重要內(nèi)容[1]。對豐寧地震臺達二營地磁觀測站(以下簡稱豐寧臺)2017年FHD儀產(chǎn)出的觀測數(shù)據(jù)進行分析時，發(fā)現(xiàn)記錄曲線毛刺較多、背景噪聲偏大，超出臺網(wǎng)背景噪聲的幾倍，嚴重影響豐寧臺觀測資料的質(zhì)量，于是開展了減小FHD儀背景噪聲的工作。首先，對觀測環(huán)境進行排查；之后，通過檢查供電干擾、縮短信號線路等方式進行逐一排查，最終減小了FHD儀背景噪聲，提高了儀器的觀測精度。

1 豐寧臺觀測環(huán)境和觀測儀器簡介

豐寧臺屬于國家基本臺，位于河北省承德市豐寧縣西山根。隨著周邊經(jīng)濟的發(fā)展，地磁觀測環(huán)境遭到破壞，2011年開始重新選址建設(shè)FHD-2B儀器探頭房。新址位于達二營村，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，觀測環(huán)境良好。依據(jù)地磁觀測規(guī)范，在施工過程中對建設(shè)材料、儀器墩等進行了嚴格篩選，2012年9月完成建設(shè)，臺址位置如圖1所示。

圖1 豐寧臺位置圖Fig.1 Location map of Fengning station

FHD-2B數(shù)字化地磁觀測系統(tǒng)于2013年8月在新址架設(shè)完畢，該系統(tǒng)觀測的對象是連續(xù)記錄地磁場中總強度F、水平分量H、磁偏角D隨時間的變化，由探頭、線圈和主機三部分構(gòu)成。測量范圍20 000～70 000 nT，分辨率<0.1 nT，總強度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 豐寧臺觀測資料情況

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

圖2 2017年2月15日豐寧臺與紅山臺FHD儀觀測數(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FHD儀各分量觀測數(shù)據(jù)與紅山臺數(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2017年1至5月兩個臺站的背景噪聲與臺網(wǎng)背景噪聲平均值進行比較(見表1)。

表1 2017年1月至5月臺站背景噪聲值

由表1可見，紅山臺各分量背景噪聲與臺網(wǎng)背景噪聲平均值大小相當，豐寧臺總強度F的背景噪聲為臺網(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網(wǎng)的2倍，超出儀器本身的測量精度。

3 影響參考背景噪聲的相關(guān)干擾

影響FHD儀觀測數(shù)據(jù)背景噪聲的主要有觀測環(huán)境、交流電干擾、信號線長度等。針對豐寧臺儀器背景噪聲偏大的問題，主要從以下幾方面進行排查。

3.1 場地環(huán)境分析

FHD儀是根據(jù)質(zhì)子旋進的原理研制，探頭內(nèi)部由一對灌裝煤油的線圈構(gòu)成，如果觀測場地水平梯度較大，就會使得探頭里兩個線圈感應(yīng)的信號不一樣，疊加信號減弱，造成觀測數(shù)據(jù)重復(fù)性降低，背景噪聲增大[4]。2017年4月,豐寧臺對新建探頭房內(nèi)的梯度重新進行測量，測量結(jié)果如圖3所示。根據(jù)地磁臺網(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，F(xiàn)HD儀的觀測環(huán)境符合國家地磁臺站建設(shè)要求。

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

3.2 供電干擾分析

觀測室內(nèi)供電線路的合理性關(guān)系到是否會產(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，可通過探頭感應(yīng)，使測量數(shù)據(jù)背景噪聲變大；另一方面是與信號線距離較近，尤其是與信號線平行的交流供電線路，通過信號線的電磁耦合，將電磁干擾耦合至儀器，使測量數(shù)據(jù)背景噪聲增大[2，4]。

2017年6月，豐寧臺對觀測室內(nèi)供電情況進行排查時發(fā)現(xiàn)，儀器的信號線和電源線距離較近，兩條線路捆綁在一起，同時進入儀器觀測室。另外還發(fā)現(xiàn)主機后面的線路比較混亂，電源線已纏繞成環(huán)狀。針對上述問題，首先對信號線和電源線進行重新埋設(shè)，布設(shè)信號線時遠離交流電線，在進入儀器室時，電源線和信號線從不同方向進入觀測室，保證信號線與電源線的有效分離；其次，重新整理主機后面的電源線路，解決電源線環(huán)狀纏繞問題；最后，為避免儀器和線路之間的相互干擾，對場地內(nèi)的其他實驗儀器進行停測。

3.3 信號線干擾分析

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

豐寧臺原FHD主機安裝在臺站辦公室，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臨時搭建一個簡易主機室，縮短信號線長度近50 m，重新對信號放大倍數(shù)與分布電容修正值進行調(diào)整。信號線縮短后，觀測數(shù)據(jù)曲線線條明顯變細。

3.4 儀器自身影響分析

FHD主機使用的電子器件具有一定的工作溫度范圍，當溫度較高或較低時，電子器件的工作特性將產(chǎn)生一些變化，影響觀測數(shù)據(jù)的背景噪聲[5]。考慮到縮短信號線時，將FHD安裝在簡易主機室，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主機室，于12月底完成FHD主機的安裝架設(shè)。

4 結(jié)果分析

為驗證背景噪聲的改善效果，將紅山臺和昌黎臺FHD儀背景噪聲一并引入，對比分析。其中，昌黎臺位于河北省昌黎縣，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。對比豐寧臺、紅山臺和昌黎臺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 總強度F背景噪聲曲線圖Fig.4 Total intensity F background noise curve

由圖4可見，總強度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。對比改造前后，豐寧臺背景噪聲減小了近4倍，目前其數(shù)值與紅山臺相當，略大于昌黎臺。由圖5可見，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)值與昌黎臺相當，略大于紅山臺。

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，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)值與昌黎臺相當，略大于紅山臺。由以上分析可見，豐寧臺FHD儀背景噪聲偏大主要受交流供電干擾和信號線過長的影響。

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

地磁臺站觀測的首要任務(wù)就是提供連續(xù)、完整、可靠的數(shù)據(jù)。豐寧臺從實際問題出發(fā)，通過對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，提高了觀測數(shù)據(jù)的精度，保證觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量。同時，還總結(jié)出一些減小背景噪聲的經(jīng)驗，具有一定的代表性和實用性，可以在其他地磁臺站進行推廣應(yīng)用。