GSM-19T質(zhì)子磁力儀性能測試

談 昕 張 毅 王 雷 徐如剛肖偉鵬 王韶穩(wěn) 陶 酣 黎哲君

（中國合肥230031 安徽省地震局）

GSM-19T質(zhì)子磁力儀性能測試

談 昕 張 毅 王 雷 徐如剛肖偉鵬 王韶穩(wěn) 陶 酣 黎哲君

（中國合肥230031 安徽省地震局）

以GSM-19T質(zhì)子磁力儀為研究對象，依據(jù)不同性能指標(biāo)，采用不同測試方式，對質(zhì)子磁力儀特性進(jìn)行系統(tǒng)測試。結(jié)果表明：該磁力儀操作簡單、快捷，是具有數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、精確測量自動(dòng)化和高觀測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)測工作要求。

性能測試；觀測誤差；GSM-19T磁力儀

0 引言

觀測儀器作為地磁研究的重要物性基礎(chǔ)，在固定地震臺(tái)測量及野外數(shù)據(jù)收集過程中，可以準(zhǔn)確記錄地磁場分布及時(shí)空變化，從而為地磁場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)磁力儀用于中國地震局流動(dòng)地震地磁監(jiān)測工作，對其主要性能指標(biāo)已開展較為深入的性能測試與研究工作（張銀貴，1996；詹志佳等，2000；郭玉蓮等，2001；楊婕等，2008；侯志成，2011）。近年，隨著中國地震監(jiān)測預(yù)報(bào)研究工作的深入開展、觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，以及對地震地磁監(jiān)測能力要求的不斷提升，中國地震局引進(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)信息僅來源于儀器附帶說明書，若將其用于流動(dòng)地震地磁測量，為保障地磁測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，需要對其精度、穩(wěn)定性等性能進(jìn)行研究，掌握其實(shí)測性能（國家地震局，1986）。

2012年8月和11月，中國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)磁力儀性能測試工作，主要依據(jù)為《中國地磁圖地磁野外觀測技術(shù)規(guī)范》（中國地震局地球物理研究所，2003）、《地震觀測儀器進(jìn)網(wǎng)技術(shù)要求——地磁觀測儀第2部分：質(zhì)子矢量磁力儀》（中國地震局，2008）以及儀器購置招標(biāo)文件等。按照測試大綱與方案，對測試環(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)行測試。本文基于各項(xiàng)測試的觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對GSM-19T標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀主要性能進(jìn)行分析，以便對儀器性能進(jìn)行整體把握，在地震監(jiān)測預(yù)報(bào)中發(fā)揮作用。

1 GSM-19T磁力儀性能測試

1.1 測試方案

對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)行性能測試，2012年8月完成對2.45 m原電纜線（短線）配置下的儀器性能測試工作，2012年11月完成附加25 m加長電纜線（長線）后的儀器性能測試工作。由于各探頭外觀相同，為防止探頭混用影響測試結(jié)果，設(shè)置儀器序列號(hào)與探頭編號(hào)同名，見表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)不同檢測目標(biāo)，采用兩種檢測方式：①在基站模式下，儀器先后采用不同采樣率同步連續(xù)觀測至最長時(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)《中國地磁圖地磁野外觀測技術(shù)規(guī)范》，建立兩個(gè)固定測樁，對所有儀器進(jìn)行比測，考察儀器一致性指標(biāo)。

1.2 穩(wěn)定性測試

儀器穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測試工作分兩個(gè)時(shí)間階段進(jìn)行：8月1日至3日，針對探頭及主機(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，對測試儀器同步采樣，同步采樣時(shí)間達(dá)儀器最長時(shí)間。

穩(wěn)定性測試過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)測試數(shù)據(jù)處理結(jié)果，見圖1。由圖1（a）可知，在相同觀測時(shí)段，儀器測試觀測值整體變化趨勢相似，無顯著差異。以22臺(tái)測試儀器同步采樣的地磁總強(qiáng)度觀測值的平均值作為觀測正常背景值參考基準(zhǔn)，將測試儀器的觀測值與對應(yīng)的參考基準(zhǔn)值進(jìn)行差值，曲線變化穩(wěn)定，無明顯趨勢性變化［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 一致性測試

地磁儀器比測是保障地磁測量準(zhǔn)確可靠的有效手段（顧左文等，2004）。在儀器一致性測試過程中，參照《中國地磁圖地磁野外觀測技術(shù)規(guī)范》，在臺(tái)站內(nèi)建立兩固定測樁，對儀器進(jìn)行比測，系統(tǒng)分析儀器一致性及儀器差指標(biāo)。比測時(shí)，將兩臺(tái)儀器分別固定于兩測樁同步記錄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。表2給出測試的儀器差與點(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測試結(jié)果（a）測試觀測值空間變化圖像；（b） 觀測值與參考基準(zhǔn)差值變化；（c）測量均方差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 溫漂性能測試

采用60 s采樣率連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行儀器溫漂性能測試。測試儀器受實(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)秒采樣觀測數(shù)據(jù)，對測試儀器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)段的地磁場觀測均值，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)算各測試儀器溫漂特性，見圖2和表3。由表3可知，22臺(tái)測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GSM-197質(zhì)子磁力儀的穩(wěn)定性、一致性及漂移性進(jìn)行測試，測試結(jié)果見圖3—圖5。圖3為22臺(tái)測試儀器在長短線、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。可見穩(wěn)定性與連接線長短基本無關(guān)，且不隨采樣周期變化而變化。

圖4為循環(huán)比測法給出的儀器一致性測試分布結(jié)果，包含儀器差及點(diǎn)位差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4可見，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試環(huán)境溫度變化較小，儀器精度無法滿足溫漂測試環(huán)境，或測試過程引入一定誤差等。

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

通過對GSM-19T質(zhì)子磁力儀性能進(jìn)行測試，分析可知該類型儀器是一種操作簡單、快捷、具有數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、精確測量自動(dòng)化和高觀測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