[摘要] 電磁擾動是一種有效的地震前兆觀測手段。感應式磁力儀作為捕捉電磁擾動的關鍵設備，具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、頻帶范圍寬的特點，得到廣泛應用。然而，各類儀器頻帶不同，觀測頻段不一致，使用的范圍也不同，能滿足地震低頻電磁擾動觀測需求的儀器較少。本文通過對自主研制的感應式磁傳感器和通用數(shù)據(jù)采集器集成設計，組成地震低頻電磁擾動監(jiān)測儀觀測系統(tǒng)。首先闡述了電磁擾動監(jiān)測儀的系統(tǒng)組成，介紹了傳感器的工作原理、靈敏度、一致性和噪聲水平的測試方法和結果，結合電磁擾動監(jiān)測儀在電磁臺站安裝調(diào)試情況和觀測運行資料，對觀測數(shù)據(jù)進行了分析研究。結果表明，磁傳感器的靈敏度優(yōu)于50 mV/nT（0.01～10 Hz），一致性測試的相關系數(shù)均大于0.95，噪聲水平測試可達0.15 pT/√Hz@1 Hz，其性能參數(shù)可以滿足地震電磁擾動觀測技術要求，日常觀測可以清晰記錄到各種電磁擾動事件，驗證了其用于臺站觀測的可行性。

[關鍵詞] 電磁擾動; 磁傳感器; 測試方法; 觀測試驗

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-112

基金項目： 江蘇省科技計劃專項資金重點研發(fā)計劃（BE2020116）和江蘇省地震局青年科學基金項目（202205）聯(lián)合資助。

0 引言

地震電磁擾動觀測是捕捉地震短臨異常的較好方法之一，受到國內(nèi)外地震學家的廣泛重視。我國地震電磁擾動觀測起始于1976年唐山7.8級地震后，在全國各地陸續(xù)建設了200余個觀測臺站，多年來積累了豐富的觀測資料和研究成果，證實了伴隨巖石破裂產(chǎn)生的電磁擾動效應的存在[1-2]。一些觀測實驗和研究報道表明，在低頻頻段電磁異常和地震活動存在較強的相關性。趙國澤和陸建勛[3]利用人工源超低頻電磁波技術進行地震監(jiān)測的可行性研究，在北京、天津等地通過接收位于俄羅斯科拉半島的超低頻發(fā)射臺信號，在觀測試驗中發(fā)現(xiàn)了地震前后的電磁異?，F(xiàn)象。雍珊珊等[4]基于多分量地震監(jiān)測預測系統(tǒng)（AETA）開展觀測實驗，分析九寨溝 MS7.0地震和宜賓長寧 MS6.0地震等事件，發(fā)現(xiàn)電磁擾動均值異常與地震具有前兆相關性。開展地震電磁擾動觀測，尤其關注低頻頻段，研究地震電磁擾動異常信號的產(chǎn)生和傳播機理，對地震預測，特別是短臨預測具有重要意義。

感應式磁力儀作為捕捉電磁擾動的關鍵設備，其磁傳感器是核心部件，具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、頻帶范圍寬的特點，廣泛應用于大地電磁（Magnetotelluric，MT）、可控源音頻大地電磁（Controlled-Sourse Audio-frequency Magnetotelluric，CSAMT）、瞬變電磁（Transient Electromagnetic Methods，TEM）等方法的研究中，在地下資源勘探、空間地球磁場觀測等領域發(fā)揮著重要作用。目前市場上常見的商用感應式磁傳感器的廠家及型號包括德國Metronix 公司的MFS-06e 、加拿大Pheonix 公司的MTC-80、俄羅斯NORD 公司的IMS-10、烏克蘭LCISR研究所的LEMI-30等，近年來國內(nèi)有中國科學院電子學研究所、吉林大學、中南大學等單位對感應式磁傳感器開展了諸多研究，傳感器的頻帶寬度、噪聲水平和靈敏度等關鍵指標已達到國外同等水平[5-7]。然而，根據(jù)地震電磁擾動觀測的行業(yè)標準要求，原有電磁擾動臺站觀測設備因設備老化、儀器故障等因素運行狀態(tài)不佳，新研制的用于地震電磁擾動觀測設備種類和型號相對較少。何春舅等[8]開展了多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)AETA的感應式磁傳感器磁棒研制，監(jiān)測的磁場強度范圍為1～1000 nT，靈敏度大于20 mV/nT@（0.1 Hz～10 kHz），在云南、四川等地布設并進行連續(xù)觀測，研究地震前后設備記錄電磁信號的異常特征。中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院研制的基于CAS-10M傳感器的感應式磁力儀應用于子午工程二期項目站點觀測，捕獲地震電磁異常等信息[9]。于向前等[10]基于磁阻傳感器、巨磁感抗傳感器和線圈傳感器研制寬頻地磁波監(jiān)測儀，通過性能測試，實現(xiàn)頻率范圍0.1 mHz～10 kHz的波動磁場探測的能力，并用于子午工程二期地磁監(jiān)測。

根據(jù)地震低頻電磁擾動的觀測需求，研究人員對感應式磁傳感器結構、材質(zhì)、信號處理電路等參數(shù)進行優(yōu)化設計[11-12]，并和數(shù)據(jù)采集器集成，研制了JSDC-1型地震電磁擾動監(jiān)測儀，并開展相關測試和試驗研究。本文闡述電磁擾動監(jiān)測儀的組成、工作原理，分析數(shù)據(jù)的一致性，計算電磁擾動數(shù)據(jù)的噪聲水平。結合電磁擾動監(jiān)測儀在江蘇連云港、鹽城、蘇州等電磁臺站的觀測資料，對觀測數(shù)據(jù)進行分析研究，驗證研制的低頻電磁擾動監(jiān)測儀用于臺站觀測的可行性。

1 電磁擾動監(jiān)測儀組成

JSDC-1型電磁擾動監(jiān)測儀主要由數(shù)據(jù)采集器和三分向感應式磁傳感器組成（圖1）。感應式磁傳感器基于法拉第電磁感應定律，將采集的交變磁場信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。3根磁傳感器分別用于東西、南北和垂直方向正交布設，經(jīng)前置信號處理單元和集線盒，最后接入數(shù)據(jù)采集器。電磁擾動監(jiān)測儀觀測的對象是磁場變化率，電磁擾動監(jiān)測儀記錄的南北向、東西向、垂直向磁感應強度分別記為Bx、By和Bz。數(shù)據(jù)采集器對輸入的模擬電壓信號進行數(shù)字化，既支持觀測數(shù)據(jù)的本地保存，又支持網(wǎng)絡實時傳輸。

數(shù)據(jù)采集器選用北京港震科技股份有限公司生產(chǎn)的EDAS-24GN型通用地震數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器的主要參數(shù)設置為：采樣率為100 Hz，量程為±10 V，線性相位，數(shù)據(jù)存儲為MiniSEED格式，輸出數(shù)據(jù)count值經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器的轉(zhuǎn)換因子換算成電壓值。

自主研發(fā)的感應式磁傳感器主要參數(shù)為：傳感器長度1000 mm，直徑70 mm；磁芯選用坡莫合金（1J85）；主線圈感應線圈匝數(shù)90000，線徑0.19 mm，分段繞制；反饋線圈、標定線圈匝數(shù)分別為54和11，線徑0.38 mm，骨架和外殼采用尼龍加工，外部采用防水套管封裝。關鍵的技術參數(shù)為：①靈敏度：優(yōu)于50 mV/nT（0.01～10 Hz）；②噪聲水平：小于0.2 pT/√Hz@1 Hz；③頻帶寬度：0.01～10 Hz平坦。

為了便于野外長期觀測的運維檢修，磁傳感器的前置信號處理單元采用外置形式。前置信號處理單元的作用是將磁傳感器微弱的磁場信號進行調(diào)理，采用斬波放大原理有效抑制了感應線圈的輸出噪聲。此外，基于磁通負反饋的原理，使感應線圈諧振頻率兩側具有平坦的幅頻特性曲線，拓寬了感應式傳感器的響應頻帶。集線盒連接3根磁傳感器的輸出信號經(jīng)主信號線匯聚后接入數(shù)據(jù)采集器的傳感器采集通道，主信號線還為磁傳感器提供供電和標定信號傳輸。

2 傳感器原理及性能測試

2.1 工作原理

磁感應線圈在交變磁場中的感應電動勢e（t）和磁感應強度B的關系可表示為：

（1）

式中，N是線圈匝數(shù)，S是磁芯的截面積，μa表示磁芯的有效磁導率。

當磁感應強度B是角頻率為ω的正弦波時，線圈的等效電路如圖2所示，輸出電壓和磁感應強度的傳遞函數(shù)可表示為：

（2）

式中，RL、C、LP分別是感應線圈的電阻、分布電容和等效電感；Rf是反饋線圈的電阻；G是放大電路的增益；M為感應線圈和反饋線圈之間的互感，二者完全耦合時。

因此，根據(jù)式（2）可以得出磁傳感器的幅頻特性、相頻特性，可以表示為：

（3）

（4）

根據(jù)式（3）和式（4）代入傳感器的主要參數(shù)，對幅頻、相頻特性進行仿真分析（圖3）。通過采用磁通負反饋結構，感應式磁傳感器輸出在諧振頻率處幅度平坦，改善了相位突變的問題。

2.2 靈敏度測試

靈敏度測試是將感應式磁傳感器放在標定螺線管中，其中標定螺線管的電流-磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)已知，采用精密電流源輸出頻率可調(diào)的正弦波電流信號，根據(jù)輸入電流計算出標定螺線管產(chǎn)生的磁場強度，同時測量感應式磁傳感器的輸出電壓。計算給定頻率fi時磁傳感器靈敏度Si，可表示為：

（5）

式中，Ui是測量的輸出電壓，Ii是輸出電流，K表示標定螺線管的電流-磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)。

靈敏度測試在電磁屏蔽室中進行，標定螺線管放在電磁屏蔽室內(nèi)，將感應式磁場傳感器放入標定螺線管中心位置（圖4）。為了降低環(huán)境對磁場干擾的影響，包括抑制工頻干擾，電磁屏蔽室外殼接地。精密電流源選用吉時利Keithley 6221，標定螺線管的轉(zhuǎn)換系數(shù)為350 nT/mA，分別對無前置信號處理單元（測試頻率范圍0.01～1000 Hz）和有前置信號處理單元（測試頻率范圍0.001～30 Hz）時測量對應頻點的輸出電壓。在測試過程中，精密電流源輸出電流大小根據(jù)被測磁傳感器的輸出電壓情況，選取適當數(shù)量的頻率點進行測量，電流幅度峰峰值設置可選擇10、1 、0.5 mA等，使磁傳感器輸出電壓在量程范圍內(nèi)（圖5）。在不接前置放大器時，磁傳感器諧振頻率在135 Hz左右。接前置信號處理單元時，通過換算計算對應的靈敏度，頻率在0.01～10 Hz 范圍內(nèi)，靈敏度為54 mV/nT。

2.3 一致性測試

為了研究磁傳感器的一致性，將3根感應式磁傳感器平行布設于實驗室內(nèi)，接入數(shù)據(jù)采集器，分別記為ch1、ch2和ch3通道，磁傳感器間隔為2 m，連續(xù)觀測24 h。計算各個通道之間（ch1和ch2、ch1和ch3、ch2和ch3）每小時數(shù)據(jù)的相關系數(shù)。由于實驗室位于南京軌道交通2號線沿線附近，周圍電磁場環(huán)境較為復雜，外部的磁場信號相當于激勵信號，如圖6所示，相關系數(shù)均高于0.98，其中白天時段相關系數(shù)稍高于晚上。由此表明，觀測系統(tǒng)3根磁傳感器具有較好的一致性。其中，磁傳感器兩兩之間也存在較小差異，造成的因素可能包括磁傳感器加工制造誤差（骨架的尺寸誤差、線圈繞制方式等）、前置信號處理單元的放大倍數(shù)差異、測試布設的位置不同等。

2.4 噪聲水平測試

噪聲水平測試應在零磁空間測試或是在性能優(yōu)良的磁屏蔽室，將感應式磁傳感器的標定線圈輸入端短路，采集傳感器輸出信號，取數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸出后的數(shù)據(jù)，計算其功率譜密度，再除以對應頻率點的靈敏度，得到磁傳感器的自噪聲。由于噪聲測試對環(huán)境條件要求較為苛刻，為了研究如何將外界環(huán)境噪聲和傳感器本底噪聲有效分離，相關學者提出平行噪聲測試方法以及信號差分處理技術[13-14]。Sleeman等提出3臺地震計同址比測完成地震計自噪聲測試[15]，該方法在地震計自噪聲水平分析中得到了較好的應用[16]。結合上述方法，在合適的實驗場地進行測試，取3個磁傳感器同一方向平行放置，假定觀測的背景電磁信號為同一信號源，傳感器自噪聲是隨機白噪聲，背景電磁信號和傳感器自噪聲互不相關。在時域上，傳感器觀測數(shù)據(jù)可表示為：

（6）

式中，i = 1，2，3，yi（t）和ni分別是第i個磁傳感器的觀測數(shù)據(jù)和自噪聲；S（t）是背景電磁信號源。

根據(jù)上述公式，同時假設3個磁傳感器具有相同的頻響特性，且觀測環(huán)境在傳感器頻帶內(nèi)具有較高的信噪比，因此磁傳感器的自噪聲計算可表示為：

（7）

式中，i ≠ j ≠ k ，i，j，k = 1，2，3；Nii是第i個磁傳感器自噪聲功率譜密度；Pii是第i個磁傳感器記錄的背景電磁信號的自功率譜密度；Pji、Pik、 Pjk分別為不同磁傳感器兩兩之間記錄的背景電磁信號互功率譜密度。

選取平行觀測的數(shù)據(jù)樣本并對其進行分段，每段樣本長度262144個數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（7）計算樣本的自功率譜密度和互功率譜密度。經(jīng)測試分析發(fā)現(xiàn)，計算結果受測試場地環(huán)境、磁傳感器平行放置間距等因素影響，需要和實驗室測試結果進行進一步對照分析。當平行放置間距為1.5 m時，測試結果如圖7所示。由圖可知，噪聲水平為0.15 pT/√Hz@1 Hz，符合電磁擾動觀測的技術要求。

3 設備安裝調(diào)試

電磁擾動監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集器安裝在臺站的標準機柜內(nèi)，感應式磁傳感器安裝在觀測室外的磁坑內(nèi)，其中磁坑距離觀測室5 m以上。為了便于磁傳感器的安裝和日常運維，在臺站觀測區(qū)域內(nèi)選擇合適的場地，如圖8所示，建2個正交的水平向磁坑和1個垂直向磁坑，磁坑之間間隔2 m以上。此外，需建檢查井用于安裝前置信號處理單元和集線盒。傳感器的信號線通過各磁坑預埋PVC管連接到檢查井，最終引入觀測室內(nèi)。同時，每個磁坑和檢查井的上部均需配備相應尺寸的大理石蓋板進行防護。

水平向磁坑內(nèi)側尺寸≥1500 mm×400 mm×500 mm（長×寬×深）。水平向設有兩個亞克力支撐底座，底座上配有水平氣泡和黃銅材質(zhì)的地腳調(diào)節(jié)螺釘，用于調(diào)整磁傳感器的水平，通過激光筆調(diào)整兩個底座使之同一高度。安裝時，先通過羅盤確定正南北、正東西的方向，將磁傳感器放置到支撐底座上，確保定向誤差小于1°。定義磁傳感器上遠離信號線端為正方向，水平向磁傳感器安裝的正方向分別為地理北和地理東。

垂直向磁坑采用直徑不小于150 mm，長度不小于1500 mm的PVC管垂直地面埋設，其中PVC管封底，上部開口。通過水泥澆筑使得PVC管和周圍地面耦合。安裝時，垂直向磁傳感器通過尼龍材料的抱箍和拉線懸掛到銅棒，其中銅棒水平安裝在PVC管口處。垂直向磁傳感器的正方向垂直向下。

4 臺站觀測試驗

4.1 臺站觀測日常數(shù)據(jù)

JSDC-1型電磁擾動監(jiān)測儀已在江蘇鹽城、蘇州、連云港等地震臺站安裝布設，開展試驗研究，實時采集觀測數(shù)據(jù)。以連云港東海黑龍?zhí)兜卣鹋_為例，分析儀器采集的數(shù)據(jù)。取2024年6月13日白天（12：00—15：00）、夜晚（00：00—3：00）以及擾動事件的事件段（21：00—次日00：00），每個時間段取連續(xù)3個小時，繪制原始時序波形，并計算功率譜密度（PSD），如圖9所示。時域上，觀測數(shù)據(jù)記錄的地磁脈動幅度為±0.25 nT。頻域上，信號分布在0.001～0.1 Hz幅值較大。白天高頻信號稍多于晚上時間段，幅值增大。對于產(chǎn)生干擾事件時，三分向通道受擾動幅值不相同，時域和頻域上均有顯著的表現(xiàn)。

4.2 磁暴電離層擾動監(jiān)測

磁暴是由于太陽能量經(jīng)過行星際空間后，通過太陽風和地球磁層相互作用所引起的短暫而強烈的擾動。這些擾動導致了地球磁層和電離層中電流系統(tǒng)的形成，進而引起地面磁場的劇烈變化，具有全球性和同時性的特征。以2024年5月10—13日發(fā)生的超大地磁暴事件為例，峰值Dst= ?412 nT，Kp=9，Ap=271。取鹽城東臺弶港臺和大豐臺的觀測數(shù)據(jù)進行分析，并和附近地磁臺站FHD質(zhì)子磁力儀進行對比（圖10）。結果表明，電磁擾動監(jiān)測儀水平分向Bx和By受干擾明顯，擾動幅度有±20 nT，垂直向Bz影響較小，影響的時間段和其他地磁儀器觀測數(shù)據(jù)一致。分別取東臺弶港臺無磁暴影響和有磁暴影響的時間段觀測數(shù)據(jù)（圖11），并計算其功率譜密度，結果可知，在0.001～0.01 Hz頻段磁暴影響對水平向觀測影響顯著，水平分向By在0.004 Hz左右時能量最大，水平分向Bx在0.002 Hz附近能量最大。

4.3 城市軌道交通電磁干擾

吳江地震臺位于蘇州市吳江區(qū)同里鎮(zhèn)肖甸湖森林公園內(nèi)，距離蘇州軌道交通4號線15 km左右，地鐵運營時間段為5：40—23：30。臺站觀測設備記錄的數(shù)據(jù)從每日4：30至次日00：00，地鐵運行時產(chǎn)生的電磁信號對吳江地震臺電磁擾動觀測影響顯著，擾動幅度約為±10 nT（圖12）。分別取吳江地震臺地鐵非運營時間段和地鐵運營時間段的觀測數(shù)據(jù)，并計算其功率譜密度（圖13），結果顯示地鐵運行對3個方向電磁擾動觀測均有影響，水平方向上頻段在0.006～0.08 Hz左右干擾信號的能量較大。由此表明，一方面通過電磁擾動觀測方法對電磁臺站勘選和建設提供依據(jù)；另一方面，加強電磁擾動臺站抗干擾措施的研究，研制新技術新方法消除城市軌道交通對電磁擾動觀測數(shù)據(jù)的影響，提取出地震電磁擾動的有效信號。

5 結論

借鑒大地電磁測深法的感應式磁傳感器相關技術，結合磁通負反饋原理和斬波放大方法，在理論計算和仿真分析的基礎上，研制出以高磁導率坡莫合金為磁芯材料的感應式磁傳感器，觀測頻帶向低頻段擴展，提高傳感器的靈敏度，降低噪聲水平。采用成熟的數(shù)據(jù)采集器，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。為了便于臺站日常運行維護，設計磁傳感器安裝固定方法，形成完整的地震低頻電磁擾動觀測裝置系統(tǒng)。

對照地震電磁擾動觀測技術要求，測量儀器的頻率范圍應包含0.1～10 Hz，靈敏度不小于1 mV/nT（0.1～10 Hz），噪聲不大于0.003 nT/√Hz（0.1～10 Hz），采樣率不小于50次每秒。通過對自研的JSDC-1型電磁擾動監(jiān)測儀開展性能測試，磁傳感器在0.01～10 Hz頻率范圍內(nèi)的靈敏度優(yōu)于50 mV/nT，噪聲水平測試可達0.15 pT/√Hz@1 Hz，儀器采樣率100 Hz，可實時連續(xù)觀測，滿足地震電磁擾動觀測的需要。通過在臺站觀測試驗，日常觀測可以清晰記錄到各種電磁擾動事件，包括磁暴、城市軌道交通等對觀測系統(tǒng)的影響，驗證了研制的地震低頻電磁擾動監(jiān)測儀用于臺站觀測的可行性。

下一步研究工作應進一步優(yōu)化裝置系統(tǒng)的性能指標，包括拓展頻帶范圍、提高靈敏度和降低噪聲水平，深入開展儀器的室內(nèi)測試、野外對比觀測實驗研究。此外，對地震低頻電磁監(jiān)測儀的觀測數(shù)據(jù)進行深入分析，探索電磁擾動信號與地震活動的相關性。

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