不同型號(hào)磁通門磁力儀觀測(cè)資料質(zhì)量分析

胡秀娟，陳曉燕，王利兵，王 靜

(1.河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省地震局，河北 石家莊 050022)

0 引言

提供準(zhǔn)確可靠、連續(xù)完整的觀測(cè)資料是地磁臺(tái)站的首要任務(wù)。目前，磁通門磁力儀已成為地磁記錄的通用觀測(cè)儀器，廣泛應(yīng)用于地磁觀測(cè)臺(tái)站。磁通門磁力儀是矢量磁力儀，既可以測(cè)量磁場(chǎng)的方向，也可同時(shí)督視探頭溫度[1]?！笆濉逼陂g，地磁臺(tái)網(wǎng)中心為地磁臺(tái)站配備國(guó)產(chǎn)GM4型磁通門磁力儀；在2013年地磁臺(tái)網(wǎng)儀器更新改造項(xiàng)目期間，配備FGM-01型磁通門磁力儀；“十一五”背景場(chǎng)項(xiàng)目期間，配置GM4-XL型磁通門磁力儀。地磁臺(tái)站的相對(duì)記錄一般為2套儀器并行觀測(cè)，便于鑒別觀測(cè)設(shè)備故障和環(huán)境干擾，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。隨著磁通門磁力儀器的升級(jí)更新改造，觀測(cè)技術(shù)有明顯的提高。

磁通門磁力儀受探頭正交度、格值線性度、溫度系數(shù)、安裝定向準(zhǔn)確度等影響[2]。胡秀娟等利用本臺(tái)多套磁通門磁力儀實(shí)驗(yàn)得到儀器定向誤差對(duì)地磁日變化記錄準(zhǔn)確度的影響[3]。

文章運(yùn)用河北省3個(gè)地磁基準(zhǔn)臺(tái)站2016年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究3種不同型號(hào)磁通門磁力儀受溫度及噪聲的影響情況。溫度對(duì)探頭內(nèi)鐵芯磁性材料、模擬電路電子元器件以及線圈性能產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為：如果溫度漂移誤差較大，直接影響探頭各軸刻度因子和零偏值[4-5]，導(dǎo)致測(cè)量值與真實(shí)值之間的明顯偏差，這些觀測(cè)誤差在基線值中反映出來。為更好地對(duì)比分析，將陜西省乾陵基準(zhǔn)地震臺(tái)部分觀測(cè)數(shù)據(jù)一并引入。

研究結(jié)果可對(duì)臺(tái)站投入運(yùn)行的磁通門類儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估，為改善觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量提供參考。

1 臺(tái)站及觀測(cè)儀器概況

紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)位于河北省隆堯縣山口鎮(zhèn)北部，始建于1966年邢臺(tái)地震后，地處太行山山前斷裂帶—隆堯、束鹿斷裂南端，臺(tái)基為震旦紀(jì)石英砂巖。

昌黎地震臺(tái)位于河北省昌黎縣城西10 km，龍家店鎮(zhèn)北, 始建于1969年，地處寧-昌斷裂北側(cè)，燕山山前沖積平原上，屬國(guó)家基本地磁臺(tái)。

涉縣地震臺(tái)位于河北省涉縣河南店鎮(zhèn)河二村，始建于1976年，地處涉縣盆地南部邊緣并靠近基巖出露的地方，是晉冀豫三省交界處重要的綜合觀測(cè)臺(tái)站。在中國(guó)地震背景場(chǎng)項(xiàng)目中，新建地磁相對(duì)記錄室和絕對(duì)觀測(cè)室，屬國(guó)家Ⅰ類地磁臺(tái)。

乾陵地震臺(tái)隸屬陜西省地震局，位于乾陵東乳峰南側(cè)，距縣城約8 km，始建于1966年，地處渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原的過渡地帶，臺(tái)基巖性為奧陶系石灰?guī)r，屬國(guó)家基本臺(tái)。

所選的4個(gè)臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境良好，均可以排除環(huán)境對(duì)儀器的影響，且觀測(cè)數(shù)據(jù)在中國(guó)地震局的資料評(píng)比中均名列前茅，能為研究結(jié)果的可信度提供基本保障。每個(gè)臺(tái)站相對(duì)記錄室均采用地下式，同時(shí)配備兩套磁通門磁力儀與地磁絕對(duì)觀測(cè)儀，構(gòu)成完整的地磁數(shù)字化觀測(cè)系統(tǒng)。各儀器性能指標(biāo)參數(shù)如第6頁表1所示。

表1 地磁臺(tái)站儀器情況列表Table 1 Instruments in geomagnetic station

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 溫度的影響及計(jì)算方法

溫度系數(shù)是指當(dāng)磁通門磁力儀的輸出隨溫度線性變化時(shí)，與單位溫度變化對(duì)應(yīng)的測(cè)量值的變化。用于地磁臺(tái)站連續(xù)記錄的磁通門磁力儀一般要求溫度系數(shù)不大于1 nT/℃，由于各地磁臺(tái)站的觀測(cè)條件與實(shí)驗(yàn)室有一定差距，加之儀器個(gè)體差異，在實(shí)際工作中儀器的各測(cè)向不一定都能達(dá)到這一指標(biāo)。

數(shù)據(jù)處理采用二元回歸分析方法。根據(jù)理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，影響基線值的主要因素是磁通門磁力儀的溫度系數(shù)和滑動(dòng)量(滑動(dòng)是隨時(shí)間單調(diào)增加或者減小的一種漂移，是時(shí)間的函數(shù))，基線值的回歸方程為：

HB(i)=a0+a1T(i)+a2t(i)+ε，(i=1,2,…N),

(1)

式(1)中：LHB(i)為某分量某一次的基線值；T代表溫度；t代表時(shí)間；ε為剩余誤差；N為觀測(cè)次數(shù)[5]。一般情況下，可用全年剩余均方差衡量基線值質(zhì)量，如式(2)所示。

(2)

式中：m為自變量個(gè)數(shù)。

選取2016年紅山臺(tái)GM4型、昌黎臺(tái)FGM-01型、涉縣臺(tái)和乾陵臺(tái)GM4-XL型磁通門磁力儀的基線值數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，如圖1、圖2、第7頁圖3和圖4所示。

由圖1可見，紅山臺(tái)相對(duì)記錄室內(nèi)年溫差≤8.0 ℃。D和H分量基線值與溫度曲線呈明顯的正相關(guān)性，Z分量則呈明顯的負(fù)相關(guān)性；由圖2可見，昌黎臺(tái)相對(duì)記錄室內(nèi)年溫差≤8.0 ℃，D、H和Z分量基線值與溫度曲線均呈明顯的正相關(guān)性；由第7頁圖3可見，涉縣臺(tái)相對(duì)記錄室內(nèi)年溫差≤3.0 ℃，從外在形態(tài)上，不能看出D、H和Z分量基線值與溫度曲線的相關(guān)性；由第7頁圖4可見，乾陵臺(tái)相對(duì)記錄室內(nèi)年溫差≤6.0 ℃，D分量與溫度曲線呈明顯的正相關(guān)性，H和Z分量的相關(guān)性不明顯。

圖1 2016年紅山臺(tái)各分量基線值與溫度曲線圖Fig.1 Baseline value of each component and temperature at Hongshan station in 2016

圖2 2016年昌黎臺(tái)各分量基線值與溫度曲線圖Fig.2 Baseline value of each component and temperature at Changli station in 2016

圖3 2016年涉縣臺(tái)各分量基線值與溫度曲線圖Fig.3 Baseline value of each component and temperature at Shexian station in 2016

通過式1和式2對(duì)4個(gè)臺(tái)站4套儀器2016年的基線值數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度系數(shù)、滑動(dòng)量和剩余均方差的計(jì)算，結(jié)果如表2所示(溫度系數(shù)單位為nT/℃，滑動(dòng)系數(shù)和剩余均方差單位為nT/a)。昌黎臺(tái)2月27日儀器死機(jī)重啟，乾陵臺(tái)7月28日更換UPS，分別造成H分量和Z分量基線值產(chǎn)生臺(tái)階，先將臺(tái)階修正，然后進(jìn)行計(jì)算。

圖4 2016年乾陵臺(tái)各分量基線值與溫度曲線圖Fig.4 Baseline value of each component and temperature at Qianling station in 2016

表2 各臺(tái)站儀器的計(jì)算參數(shù)Table 2 The calculation parameters of instruments at each station

由上表看出，溫度系數(shù)昌黎臺(tái)FGM-01儀D和Z分量的最大，分別為2.013 1 nT/℃和2.543 0 nT/℃，紅山臺(tái)GM4儀和涉縣臺(tái)GM4-XL儀H分量的溫度系數(shù)相當(dāng)。對(duì)于滑動(dòng)系數(shù)，昌黎臺(tái)FGM-01儀Z分量的滑動(dòng)系數(shù)最大，為-7.460 9 nT/a；其次是紅山臺(tái)GM4儀的H分量，為-4.112 7 nT/a。對(duì)于剩余均方差，昌黎臺(tái)FGM-01儀各分量的較紅山臺(tái)GM4儀、涉縣臺(tái)和乾陵臺(tái)GM4-XL儀稍大?？傮w來看，兩套GM4-XL儀的溫度系數(shù)和剩余均方差要小于FGM-01儀和GM4儀。

綜上所述，若基線值的變化除人為誤差外，主要受溫度和滑動(dòng)影響，剩余標(biāo)準(zhǔn)差就是觀測(cè)誤差。通過表2也可以看出，3類儀器個(gè)別分量滑動(dòng)系數(shù)較大，但是各分量的剩余均方差較小，說明剩余均方差與溫度系數(shù)和滑動(dòng)系數(shù)的大小無明顯的相關(guān)性。盡管儀器各分量會(huì)受溫度變化的影響，但經(jīng)過處理可以消除，同樣保證了觀測(cè)資料的質(zhì)量[6]。

2.2 背景噪聲

目前，國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心在做質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，引進(jìn)臺(tái)站參考背景噪聲指標(biāo)。地磁觀測(cè)參考背景噪聲是指固定臺(tái)站某套儀器對(duì)磁場(chǎng)變化響應(yīng)的靈敏程度[7]。

選取紅山臺(tái)、昌黎臺(tái)、涉縣臺(tái)和乾陵臺(tái)4個(gè)臺(tái)站2016年秒數(shù)據(jù)背景噪聲值(見表3)。數(shù)據(jù)資料由國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心網(wǎng)站提供。

表3 2016年各臺(tái)站儀器秒數(shù)據(jù)背景噪聲值Table 3 Background noise values of second data at each station in 2016

由表3看出，河北省內(nèi)3個(gè)臺(tái)站的3種儀器中，涉縣臺(tái)GM4-XL儀每月各分量背景噪聲均小于紅山臺(tái)和昌黎臺(tái)各套儀器的。由于涉縣臺(tái)只配備GM4-XL儀，無法證明是儀器本身還是環(huán)境的原因所致。因此，將有該型號(hào)儀器的陜西乾陵臺(tái)背景噪聲一并引入。對(duì)于乾陵臺(tái)同一臺(tái)站同一觀測(cè)室內(nèi)不同型號(hào)的兩套磁通門磁力儀，GM4-XL儀各分量背景噪聲要明顯小于GM4儀，H分量尤為明顯，全年恒定值為0 nT。

將表3中GM4儀、GM4-XL儀和FGM-01儀12個(gè)月的背景噪聲取平均值，作圖觀察不同型號(hào)儀器背景噪聲的變化情況(見圖5、圖6和第9頁圖7)。

圖5 2016年各儀器D分量背景噪聲曲線圖Fig.5 Background noise curve of D component of each instrument in 2016

圖6 2016年各儀器H分量背景噪聲曲線圖Fig.6 Background noise curve of H component of each instrument in 2016

由圖5、圖6和圖7可見，GM4-XL儀相比GM4儀和FGM-01儀，D、H和Z分量的背景噪聲值均為最小，H分量最明顯。其中，D分量和H分量各月背景噪聲的平均值大多保持在0.03 nT左右，Z分量的平均值大多保持在0.05 nT左右；對(duì)于FGM-01型和GM4型儀，各分量背景噪聲值相當(dāng)。FGM-01儀D分量各月的背景噪聲保持在0.04 nT左右，相比GM4儀，只有6月和7月大于GM4儀；H分量各月的背景噪聲只在3月、11月和12月小于GM4儀；Z分量各月的背景噪聲保持在0.07 nT左右，全年各月份均大于GM4儀。

3 結(jié)論

圖7 2016年各儀器Z分量背景噪聲曲線圖Fig.7 Background noise curve of Z component of each instrument in 2016

基線值是相對(duì)記錄儀器和絕對(duì)觀測(cè)儀器工作狀態(tài)的綜合反映，是檢驗(yàn)地磁觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)。地磁臺(tái)站是通過基線值監(jiān)視和控制相對(duì)記錄儀器的溫度特性和漂移特性，以保證測(cè)值的正確性[8]。通過對(duì)4個(gè)地磁臺(tái)站3種不同型號(hào)磁通門磁力儀2016年基線值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GM-01儀D分量和Z分量的溫度系數(shù)值較GM4儀和GM4-XL儀稍大，GM4儀和GM4-XL儀各分量溫度系數(shù)值相當(dāng)。雖然3類儀器個(gè)別分量滑動(dòng)系數(shù)較大，但各分量的剩余均方差較小，說明剩余均方差與溫度系數(shù)和滑動(dòng)系數(shù)的大小無明顯的相關(guān)性，也表明觀測(cè)資料的可靠性。

通過對(duì)4個(gè)地磁臺(tái)站3種不同型號(hào)磁通門磁力儀2016年秒數(shù)據(jù)背景噪聲進(jìn)行分析表明，GM4-XL儀各分量的背景噪聲均小于GM4型和FGM-01型儀；FGM-01型和GM4型儀各分量的背景噪聲值相當(dāng)。

對(duì)于D分量，F(xiàn)GM-01儀背景噪聲要略小于GM4儀，H和Z分量，F(xiàn)GM-01儀背景噪聲要略大于GM4儀。對(duì)陜西乾陵臺(tái)同一臺(tái)站同一觀測(cè)室內(nèi)不同型號(hào)的兩套磁通門磁力儀的背景噪聲對(duì)比，進(jìn)一步排除了環(huán)境的影響，認(rèn)為GM4-XL儀背景噪聲小是儀器本身造成的。

綜上所述，地磁臺(tái)站在日常工作中，可進(jìn)行溫度系數(shù)、滑動(dòng)系數(shù)及剩余均方差的計(jì)算，以便及時(shí)了解前兩項(xiàng)參數(shù)對(duì)觀測(cè)儀器的影響變化及基線值觀測(cè)質(zhì)量的好壞。通過對(duì)儀器背景噪聲的計(jì)算，同樣可以監(jiān)控儀器的工作狀態(tài)和觀測(cè)環(huán)境的變化。

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