不同型号磁通门磁力仪观测资料质量分析

胡秀娟，陈晓燕，王利兵，王 静

(1.河北省地震局红山基准地震台，河北 邢台 054000；2.河北省地震局，河北 石家庄 050022)

0 引言

提供准确可靠、连续完整的观测资料是地磁台站的首要任务。目前，磁通门磁力仪已成为地磁记录的通用观测仪器，广泛应用于地磁观测台站。磁通门磁力仪是矢量磁力仪，既可以测量磁场的方向，也可同时督视探头温度[1]。“十五”期间，地磁台网中心为地磁台站配备国产GM4型磁通门磁力仪；在2013年地磁台网仪器更新改造项目期间，配备FGM-01型磁通门磁力仪；“十一五”背景场项目期间，配置GM4-XL型磁通门磁力仪。地磁台站的相对记录一般为2套仪器并行观测，便于鉴别观测设备故障和环境干扰，确保观测数据的连续性和完整性。随着磁通门磁力仪器的升级更新改造，观测技术有明显的提高。

磁通门磁力仪受探头正交度、格值线性度、温度系数、安装定向准确度等影响[2]。胡秀娟等利用本台多套磁通门磁力仪实验得到仪器定向误差对地磁日变化记录准确度的影响[3]。

文章运用河北省3个地磁基准台站2016年的观测数据，研究3种不同型号磁通门磁力仪受温度及噪声的影响情况。温度对探头内铁芯磁性材料、模拟电路电子元器件以及线圈性能产生影响，主要表现为：如果温度漂移误差较大，直接影响探头各轴刻度因子和零偏值[4-5]，导致测量值与真实值之间的明显偏差，这些观测误差在基线值中反映出来。为更好地对比分析，将陕西省乾陵基准地震台部分观测数据一并引入。

研究结果可对台站投入运行的磁通门类仪器进行数据质量评估，为改善观测数据质量提供参考。

1 台站及观测仪器概况

红山基准地震台位于河北省隆尧县山口镇北部，始建于1966年邢台地震后，地处太行山山前断裂带—隆尧、束鹿断裂南端，台基为震旦纪石英砂岩。

昌黎地震台位于河北省昌黎县城西10 km，龙家店镇北, 始建于1969年，地处宁-昌断裂北侧，燕山山前冲积平原上，属国家基本地磁台。

涉县地震台位于河北省涉县河南店镇河二村，始建于1976年，地处涉县盆地南部边缘并靠近基岩出露的地方，是晋冀豫三省交界处重要的综合观测台站。在中国地震背景场项目中，新建地磁相对记录室和绝对观测室，属国家Ⅰ类地磁台。

乾陵地震台隶属陕西省地震局，位于乾陵东乳峰南侧，距县城约8 km，始建于1966年，地处渭河断陷盆地中段与陕北黄土高原的过渡地带，台基岩性为奥陶系石灰岩，属国家基本台。

所选的4个台站观测环境良好，均可以排除环境对仪器的影响，且观测数据在中国地震局的资料评比中均名列前茅，能为研究结果的可信度提供基本保障。每个台站相对记录室均采用地下式，同时配备两套磁通门磁力仪与地磁绝对观测仪，构成完整的地磁数字化观测系统。各仪器性能指标参数如第6页表1所示。

表1 地磁台站仪器情况列表Table 1 Instruments in geomagnetic station

2 数据处理与分析

2.1 温度的影响及计算方法

温度系数是指当磁通门磁力仪的输出随温度线性变化时，与单位温度变化对应的测量值的变化。用于地磁台站连续记录的磁通门磁力仪一般要求温度系数不大于1 nT/℃，由于各地磁台站的观测条件与实验室有一定差距，加之仪器个体差异，在实际工作中仪器的各测向不一定都能达到这一指标。

数据处理采用二元回归分析方法。根据理论分析和实践经验可知，影响基线值的主要因素是磁通门磁力仪的温度系数和滑动量(滑动是随时间单调增加或者减小的一种漂移，是时间的函数)，基线值的回归方程为：

HB(i)=a0+a1T(i)+a2t(i)+ε，(i=1,2,…N),

(1)

式(1)中：LHB(i)为某分量某一次的基线值；T代表温度；t代表时间；ε为剩余误差；N为观测次数[5]。一般情况下，可用全年剩余均方差衡量基线值质量，如式(2)所示。

(2)

式中：m为自变量个数。

选取2016年红山台GM4型、昌黎台FGM-01型、涉县台和乾陵台GM4-XL型磁通门磁力仪的基线值数据和温度数据，如图1、图2、第7页图3和图4所示。

由图1可见，红山台相对记录室内年温差≤8.0 ℃。D和H分量基线值与温度曲线呈明显的正相关性，Z分量则呈明显的负相关性；由图2可见，昌黎台相对记录室内年温差≤8.0 ℃，D、H和Z分量基线值与温度曲线均呈明显的正相关性；由第7页图3可见，涉县台相对记录室内年温差≤3.0 ℃，从外在形态上，不能看出D、H和Z分量基线值与温度曲线的相关性；由第7页图4可见，乾陵台相对记录室内年温差≤6.0 ℃，D分量与温度曲线呈明显的正相关性，H和Z分量的相关性不明显。

图1 2016年红山台各分量基线值与温度曲线图Fig.1 Baseline value of each component and temperature at Hongshan station in 2016

图2 2016年昌黎台各分量基线值与温度曲线图Fig.2 Baseline value of each component and temperature at Changli station in 2016

图3 2016年涉县台各分量基线值与温度曲线图Fig.3 Baseline value of each component and temperature at Shexian station in 2016

通过式1和式2对4个台站4套仪器2016年的基线值数据进行温度系数、滑动量和剩余均方差的计算，结果如表2所示(温度系数单位为nT/℃，滑动系数和剩余均方差单位为nT/a)。昌黎台2月27日仪器死机重启，乾陵台7月28日更换UPS，分别造成H分量和Z分量基线值产生台阶，先将台阶修正，然后进行计算。

图4 2016年乾陵台各分量基线值与温度曲线图Fig.4 Baseline value of each component and temperature at Qianling station in 2016

表2 各台站仪器的计算参数Table 2 The calculation parameters of instruments at each station

由上表看出，温度系数昌黎台FGM-01仪D和Z分量的最大，分别为2.013 1 nT/℃和2.543 0 nT/℃，红山台GM4仪和涉县台GM4-XL仪H分量的温度系数相当。对于滑动系数，昌黎台FGM-01仪Z分量的滑动系数最大，为-7.460 9 nT/a；其次是红山台GM4仪的H分量，为-4.112 7 nT/a。对于剩余均方差，昌黎台FGM-01仪各分量的较红山台GM4仪、涉县台和乾陵台GM4-XL仪稍大。总体来看，两套GM4-XL仪的温度系数和剩余均方差要小于FGM-01仪和GM4仪。

综上所述，若基线值的变化除人为误差外，主要受温度和滑动影响，剩余标准差就是观测误差。通过表2也可以看出，3类仪器个别分量滑动系数较大，但是各分量的剩余均方差较小，说明剩余均方差与温度系数和滑动系数的大小无明显的相关性。尽管仪器各分量会受温度变化的影响，但经过处理可以消除，同样保证了观测资料的质量[6]。

2.2 背景噪声

目前，国家地磁台网中心在做质量评价时，引进台站参考背景噪声指标。地磁观测参考背景噪声是指固定台站某套仪器对磁场变化响应的灵敏程度[7]。

选取红山台、昌黎台、涉县台和乾陵台4个台站2016年秒数据背景噪声值(见表3)。数据资料由国家地磁台网中心网站提供。

表3 2016年各台站仪器秒数据背景噪声值Table 3 Background noise values of second data at each station in 2016

由表3看出，河北省内3个台站的3种仪器中，涉县台GM4-XL仪每月各分量背景噪声均小于红山台和昌黎台各套仪器的。由于涉县台只配备GM4-XL仪，无法证明是仪器本身还是环境的原因所致。因此，将有该型号仪器的陕西乾陵台背景噪声一并引入。对于乾陵台同一台站同一观测室内不同型号的两套磁通门磁力仪，GM4-XL仪各分量背景噪声要明显小于GM4仪，H分量尤为明显，全年恒定值为0 nT。

将表3中GM4仪、GM4-XL仪和FGM-01仪12个月的背景噪声取平均值，作图观察不同型号仪器背景噪声的变化情况(见图5、图6和第9页图7)。

图5 2016年各仪器D分量背景噪声曲线图Fig.5 Background noise curve of D component of each instrument in 2016

图6 2016年各仪器H分量背景噪声曲线图Fig.6 Background noise curve of H component of each instrument in 2016

由图5、图6和图7可见，GM4-XL仪相比GM4仪和FGM-01仪，D、H和Z分量的背景噪声值均为最小，H分量最明显。其中，D分量和H分量各月背景噪声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；对于FGM-01型和GM4型仪，各分量背景噪声值相当。FGM-01仪D分量各月的背景噪声保持在0.04 nT左右，相比GM4仪，只有6月和7月大于GM4仪；H分量各月的背景噪声只在3月、11月和12月小于GM4仪；Z分量各月的背景噪声保持在0.07 nT左右，全年各月份均大于GM4仪。

3 结论

图7 2016年各仪器Z分量背景噪声曲线图Fig.7 Background noise curve of Z component of each instrument in 2016

基线值是相对记录仪器和绝对观测仪器工作状态的综合反映，是检验地磁观测资料内在质量的主要标准。地磁台站是通过基线值监视和控制相对记录仪器的温度特性和漂移特性，以保证测值的正确性[8]。通过对4个地磁台站3种不同型号磁通门磁力仪2016年基线值进行分析发现，FGM-01仪D分量和Z分量的温度系数值较GM4仪和GM4-XL仪稍大，GM4仪和GM4-XL仪各分量温度系数值相当。虽然3类仪器个别分量滑动系数较大，但各分量的剩余均方差较小，说明剩余均方差与温度系数和滑动系数的大小无明显的相关性，也表明观测资料的可靠性。

通过对4个地磁台站3种不同型号磁通门磁力仪2016年秒数据背景噪声进行分析表明，GM4-XL仪各分量的背景噪声均小于GM4型和FGM-01型仪；FGM-01型和GM4型仪各分量的背景噪声值相当。

对于D分量，FGM-01仪背景噪声要略小于GM4仪，H和Z分量，FGM-01仪背景噪声要略大于GM4仪。对陕西乾陵台同一台站同一观测室内不同型号的两套磁通门磁力仪的背景噪声对比，进一步排除了环境的影响，认为GM4-XL仪背景噪声小是仪器本身造成的。

综上所述，地磁台站在日常工作中，可进行温度系数、滑动系数及剩余均方差的计算，以便及时了解前两项参数对观测仪器的影响变化及基线值观测质量的好坏。通过对仪器背景噪声的计算，同样可以监控仪器的工作状态和观测环境的变化。

参考文献：

[1] 王晓美，腾云田，王喜珍，等.GM4型磁通门磁力仪性能检测方法[J].地震地磁观测与研究，2008，29(6):88-94.

[2] 张素琴，杨冬梅.地磁日变化记录准确度标定结果分析[J].地震地磁观测与研究，2011，32(5)：60-65.

[3] 胡秀娟，李西京，王静，等.仪器定向误差对地磁日变化记录准确度的影响研究[J].地震学报，2016，38(1):130-137.

[4] 李久春.三轴磁敏传感器误差分析与校正研究[J].测控技术，2008，27(8):11-16.

[5] 武修文，张松勇，薛析蒙，等.基于磁通门与加速度传感器的三分量磁力仪研究[J].现代电子技术，2013，36(22):96-98.

[6] 王利森，张云昌，边鹏飞，等.利用逐步回归分析红山地磁台观测数据质量[J].华北地震科学，2013，31(3):54-56.

[7] 胡秀娟，张素琴，何宇飞，等.地磁观测参考背景噪声分析[J].地震地磁观测与研究，2012，33(1):124-129.

[8] 高玉芬，周锦屏，赵永芬.地磁台绝对观测数据分析[J].地震地磁观测与研究，1990，11(3)：7-10.