彭澎　孫煜杰　張榮杉　張朋　夏忠

摘要針對(duì)宿遷臺(tái) FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)從2020年4月28日出現(xiàn)噪聲增大問(wèn)題，我們通過(guò)對(duì)儀器參數(shù)設(shè)置、觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)儀器、運(yùn)行狀況分類逐一進(jìn)行檢查、排查與分析，確認(rèn) FHD 儀器主機(jī)發(fā)生故障。故障原因?yàn)閮x器補(bǔ)償電流電路中的電容器件老化被擊穿，檢修更換器件得以解決。經(jīng)檢修后，該儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)磁偏角 D 、水平分量 H 和垂直分量 Z 的計(jì)算平均噪聲由故障時(shí)的1.19′、1.45 nT、1.58 nT降低為0.82′、0.32 nT、0.50 nT，各分量噪聲水平獲得了明顯的改善。通過(guò)對(duì)地磁儀器和外部觀測(cè)環(huán)境問(wèn)題的分類檢查、檢測(cè)與判斷，并對(duì)查明引起數(shù)據(jù)噪聲增大原因歸類總結(jié)，為地磁臺(tái)站查找分析數(shù)據(jù)噪聲變大主要原因提供一種科學(xué)有效的檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞地磁觀測(cè)；FHD 儀器；數(shù)據(jù)噪聲；故障分析

中圖分類號(hào)： P315.62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：2096-7780（2023）04-0153-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-059

Noise fault analysis ofFHD proton vector magnetometer： Taking Suqian geomagnetic station as an example

Peng Peng，Sun Yujie，Zhang Rongshan，Zhang Peng，Xia Zhong

（Suqian Seismic Monitoring Center Station， Jiangsu Suqian 223800， China）

AbstractIn this paper we analyzed the increased noise in the observation data ofFHD proton vector magnetometer at Suqian station from April 28，2020. After we checked and analyzed the instrument parameter settings，observation environment，instrument and operation conditions，the failure of FHD instrument is confirmed. The capacitor in the instrument compensation current circuit was broken down due to aging，and we solved the problem by replacing the faulty capacitor. After the repairmen，the calculated background noise of magnetic declination D，horizontal component Hand vertical component Z decreased from 1.19′，1.45 nT，1.58 nT to 0.82′，0.32 nT，0.50 nT，and the noise quality of each component had been significantly improved. Through the inspection，detection and judgment of geomagnetic instruments and external observation environmental problems，we summarize the reasons for the noise fault. This paper provides a scientific and effective detection method for geomagnetic stations to find and analyze the main reason for thedata noise problems.

Keywordsgeomagnetic observation; FHD instrument; data noise; failure analysis

引言

宿遷地震臺(tái)地磁數(shù)據(jù)從2020年4月28日下午開(kāi)始，出現(xiàn)磁偏角 D 數(shù)據(jù)噪聲明顯變大現(xiàn)象，4月 30日水平分量 H 與垂直分量 Z 數(shù)據(jù)噪聲也開(kāi)始變大，嚴(yán)重影響到了宿遷臺(tái)地磁觀測(cè)資料質(zhì)量和在震情會(huì)商中的數(shù)據(jù)應(yīng)用。為快速查明原因、排除故障、降低數(shù)據(jù)噪聲，臺(tái)站采取查看儀器設(shè)置參數(shù)、檢測(cè)儀器狀況、觀察磁房周邊觀測(cè)環(huán)境、測(cè)量交直流供電及信號(hào)線路、檢查傳感器線圈及探頭安裝方位角和測(cè)試接地電阻等環(huán)節(jié)，逐一進(jìn)行分析、判斷，最后確認(rèn)是 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀補(bǔ)償電流電路中的電容器件老化漏電所致，經(jīng)更換電容器件，臺(tái)站 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲恢復(fù)正常。

1 宿遷臺(tái)地磁環(huán)境和儀器簡(jiǎn)介

宿遷地震臺(tái)位于宿遷市嶂山森林公園內(nèi)（圖1），地處馬陵山郯廬大斷裂帶 F1和 F2斷層之間，海拔高度66.9 m，臺(tái)基為上白堊統(tǒng)王氏組紫紅色礫巖，土層覆蓋較淺。臺(tái)站對(duì)監(jiān)測(cè)郯廬斷裂帶中南端及我省蘇中、蘇北地區(qū)的中、小地震活動(dòng)具有重要意義。

宿遷地震臺(tái)地磁觀測(cè)系統(tǒng)于2012年12月入網(wǎng)投入觀測(cè)，配置 FHD-2B 型質(zhì)子矢量磁力儀及傳感器線圈、探頭。原始數(shù)據(jù)主要有地磁準(zhǔn)絕對(duì)觀測(cè)總場(chǎng)強(qiáng)度 F、水平分量 H 和相對(duì)觀測(cè)磁偏角 D 的變化量，然后計(jì)算出地磁垂直分量 Z 分鐘數(shù)據(jù)值。采樣率為分鐘值，分辨率＜0.1 nT，測(cè)量范圍20000—70000 nT。主機(jī)、探頭和線圈均安裝在地磁觀測(cè)室內(nèi)，相距 20 m，供電線路和信號(hào)線路采用平行方式連接。地磁儀器墩坐落在王氏組底部的紫紅色礫巖上，臺(tái)基較穩(wěn)定。臺(tái)站西北約400 m 處有曉店110 kV 變電所，東側(cè)300 m處是30 kV 高壓線，但這些對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)影響都較小，正常條件下，觀測(cè)場(chǎng)測(cè)量地磁平均梯度＜2 nT/m。自地磁觀測(cè)系統(tǒng)投入觀測(cè)運(yùn)行以來(lái)，為臺(tái)站地磁觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析研究提供了準(zhǔn)確、可靠、連續(xù)、可信、完整的地磁資料。觀測(cè)儀器設(shè)備基本信息

2 宿遷臺(tái)地磁背景噪聲

自2012年12月 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀投入運(yùn)行以來(lái)，宿遷臺(tái)地磁觀測(cè)環(huán)境保護(hù)工作做得較好，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，在全國(guó)與江蘇省地磁監(jiān)測(cè)資料評(píng)比中多次獲得前三名的好成績(jī)，在省、市局震情會(huì)商資料應(yīng)用中也發(fā)揮了較好的作用。

地磁數(shù)據(jù)背景噪聲是判斷觀測(cè)資料質(zhì)量的一個(gè)重要依據(jù)。因此，定期地選擇特定時(shí)段，計(jì)算臺(tái)站地磁觀測(cè)4分量在相應(yīng)時(shí)段的數(shù)據(jù)噪聲來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)質(zhì)量是臺(tái)站一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作（表2）。宿遷臺(tái) FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀在2020年1—4月期間突然出現(xiàn)數(shù)據(jù)噪聲相對(duì)臺(tái)網(wǎng)背景噪聲略有增大現(xiàn)象，經(jīng)初步計(jì)算分析可能是儀器主機(jī)開(kāi)始老化原因，但地磁背景觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量是合格的，計(jì)算參數(shù)值也符合要求。

但從2020年5月開(kāi)始，宿遷臺(tái)地磁儀器數(shù)據(jù)噪聲除了總場(chǎng) F 正常外，其他數(shù)據(jù)噪聲出現(xiàn)明顯變大情況，其中水平分量 H 數(shù)據(jù)噪聲和垂直分量 Z 數(shù)據(jù)噪聲較歷史數(shù)據(jù)噪聲增大3倍以上，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯下降。

3 宿遷臺(tái)地磁噪聲問(wèn)題的解決過(guò)程

從2020年4月28日開(kāi)始，宿遷臺(tái)地磁儀器磁偏角 D 記錄數(shù)據(jù)就出現(xiàn)毛刺增大情況，計(jì)算一階差分值明顯變大；到4月30日，除總場(chǎng) F 數(shù)據(jù)正常，其他各分量噪聲變大，造成水平分量 H、垂直分量 Z 數(shù)據(jù)不可用；各測(cè)項(xiàng)由于干擾造成計(jì)算平均噪聲值（表2）出現(xiàn) D、H、Z 三分量數(shù)據(jù)噪聲都明顯變大情況：由故障前的0.71′、0.42 nT、0.4 nT變大為故障時(shí)的1.19′、1.45 nT、1.58 nT。

地磁場(chǎng)活動(dòng)在特選時(shí)段的變化相對(duì)緩慢，觀測(cè)數(shù)據(jù)的一階差分相當(dāng)于噪聲數(shù)據(jù)的峰值，因此，可用數(shù)據(jù)的一階差分來(lái)表征噪聲水平[1]。圖2為宿遷臺(tái)噪聲故障出現(xiàn)前后 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測(cè)各分量一階差分曲線，可以看出，出現(xiàn)故障后地磁數(shù)據(jù)噪聲明顯變大。

為了準(zhǔn)確分析判斷宿遷臺(tái)地磁觀測(cè)背景噪聲變大、曲線變粗的原因，臺(tái)站開(kāi)始逐一檢查儀器參數(shù)設(shè)置、儀器運(yùn)行狀態(tài)、地磁房室內(nèi)及周邊觀測(cè)環(huán)境、測(cè)試儀器交直流供電及信號(hào)線路、傳感器線圈及探頭安裝方位角、檢測(cè)接地電阻值等。

3.1 具體檢查步驟

3.1.1 儀器參數(shù)檢查

通過(guò)網(wǎng)頁(yè)登錄調(diào)取 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀設(shè)置參數(shù)，確認(rèn)儀器調(diào)諧值是否正常。

參考背景噪聲存在季節(jié)變化特征，夏季高而冬季低[2]。因時(shí)間正處春末夏初，為排除溫度變化原因造成噪聲變大，多次調(diào)整儀器探頭電感量，數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)改善，排除儀器設(shè)置參數(shù)和環(huán)境溫度變化影響。

3.1.2 觀測(cè)環(huán)境檢查

通過(guò)調(diào)取臺(tái)站監(jiān)控錄像，反復(fù)察看儀器噪聲變化時(shí)段觀測(cè)環(huán)境狀態(tài)。分析數(shù)據(jù)噪聲變大原因時(shí)，對(duì)臺(tái)站周邊鐵磁性物質(zhì)、線路接觸不良進(jìn)行調(diào)試檢查，排除觀測(cè)場(chǎng)地環(huán)境變化引起儀器噪聲變大因素。

江蘇境內(nèi)共有12個(gè)地磁臺(tái)：南京、高淳、無(wú)錫、溧陽(yáng)、海安、高郵、淮安、連云港、新沂、宿遷、鹽城和大豐，圖1是江蘇地磁臺(tái)站分布情況。臺(tái)站地磁觀測(cè)儀器均為質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀（ FHD-2B），數(shù)據(jù)采樣率為分鐘值。從2003年起，江蘇省地磁觀測(cè)就受到了高壓直流輸電的影響[3]。2020年4月28日噪聲增大現(xiàn)象出現(xiàn)前的5日內(nèi)，都未受到外界高壓直流輸電干擾，因此，初步判定宿遷臺(tái)地磁數(shù)據(jù)噪聲變化與外界高壓直流輸電干擾無(wú)關(guān)。

3.1.3 探頭觀測(cè)方位角檢查

接入外接電池盒，觀察儀器傳感器線圈與探頭觀測(cè)方位角改變是否影響數(shù)據(jù)噪聲，確認(rèn)儀器觀測(cè)方位角變化對(duì)數(shù)據(jù)噪聲增大無(wú)影響。

3.1.4 線路整理及接地電阻檢查

進(jìn)行儀器觀測(cè)室內(nèi)部線路整理。將儀器主機(jī)到探頭的信號(hào)線與電源線盡量分開(kāi)。并仔細(xì)檢查和梳理儀器主機(jī)后面板連接信號(hào)線、補(bǔ)償電流輸出線、偏置電流輸出線、電源線、信號(hào)線、接地線，確認(rèn)相互不交叉。各類線頭接入儀器部分重接擰緊，排除接觸不良造成噪聲變大情況。

采用 ZC29B-2型接地電阻儀對(duì)儀器接地情況進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果接地電阻2.2Ω ， 符合規(guī)范要求。

各類線路經(jīng)整理后，磁偏角 D 數(shù)據(jù)噪聲有明顯改善，證明線路中存在有工頻信號(hào)干擾，但水平分量 H、垂直分量 Z 數(shù)據(jù)噪聲沒(méi)有改善（圖3）。

3.1.5 遠(yuǎn)程指導(dǎo)下更換電容元件

在排除儀器設(shè)置參數(shù)、觀測(cè)環(huán)境、交直流供電及信號(hào)線路、傳感器方位角、接地電阻等故障原因無(wú)果的情況下，臺(tái)站遠(yuǎn)程求助了省局 FHD 儀器專家。根據(jù)宿遷臺(tái)前面逐一排障過(guò)程分析，結(jié)合宿遷臺(tái)數(shù)據(jù)噪聲問(wèn)題是總場(chǎng)正常而水平分量和磁偏角數(shù)據(jù)不正常的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，初步判斷 FHD 儀器主機(jī)存在故障。

通過(guò)遠(yuǎn)程視頻的方式獲悉儀器運(yùn)行狀態(tài)前面板的指示燈狀態(tài)和信號(hào)處理單元電路板的狀態(tài)，最終確認(rèn)儀器補(bǔ)償電流電路中一個(gè)電解電容器件被擊穿從而出現(xiàn)漏電故障。通過(guò)更換相應(yīng)的電容器件，并確認(rèn)電容正負(fù)極無(wú)誤，重新安裝儀器上位機(jī)并恢復(fù)供電。

FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀采用數(shù)字化選頻與自動(dòng)跟蹤技術(shù)，在進(jìn)行水平分量 H 的測(cè)量和計(jì)算磁偏角 D 時(shí)，需要主機(jī)提供補(bǔ)償電流為赫姆霍茨線圈產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)。儀器補(bǔ)償電流電路電容器件故障會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)選頻的調(diào)諧值參數(shù)和實(shí)際測(cè)量的磁場(chǎng)相差較大，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量精度下降。在更換故障電容后，再次檢查儀器面板補(bǔ)償電流輸出情況，確認(rèn)儀器輸出補(bǔ)償電流與參數(shù)設(shè)置的電流值一致，故障得到排除。

3.2 維修結(jié)果驗(yàn)證

儀器檢修完畢開(kāi)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，需要驗(yàn)證維修結(jié)果的正確性。根據(jù)地磁學(xué)科記錄數(shù)據(jù)噪聲計(jì)算公式如下：

式中，S 表示某分量記錄數(shù)據(jù)的一階差分的絕對(duì)值； C 表示相應(yīng)一階差分絕對(duì)值出現(xiàn)的頻度（即各個(gè)一階差分值出現(xiàn)次數(shù)/總數(shù)）；n 為滿足某個(gè)絕對(duì)值頻度大于80%所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

出現(xiàn)故障時(shí)，計(jì)算各測(cè)項(xiàng)干擾平均噪聲值為： D（故障時(shí)）1.19′，H（故障時(shí)）1.45 nT，Z（故障時(shí)）1.58 nT。

經(jīng)檢修后，計(jì)算各測(cè)項(xiàng)的平均噪聲值為：D（維修后）0.82′，H（維修后）0.32 nT，Z（維修后）0.50 nT，各分量噪聲水平得到明顯改善。雖然，平均噪聲值仍高于故障前平均噪聲水平，但儀器穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間（一星期）后，再觀察記錄數(shù)據(jù)和噪聲計(jì)算分析，數(shù)據(jù)正常，確認(rèn)儀器運(yùn)行恢復(fù)正常。

4 思考與結(jié)論

宿遷臺(tái) FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲變大因儀器故障導(dǎo)致，最后在省局儀器專家的遠(yuǎn)程指導(dǎo)下解決，前期檢查花費(fèi)時(shí)間較多，以致造成地磁數(shù)據(jù)較長(zhǎng)一段時(shí)間不可用，使臺(tái)站地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量和分析預(yù)報(bào)研究工作受到較大影響。顯然，盡快提高臺(tái)站儀器運(yùn)維水平十分必要，因此，很有必要對(duì)這次儀器維修進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)和提高認(rèn)知。

為此，我們歸類總結(jié)了 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲問(wèn)題及一般排查解決方法，并列表如下（表3）。

宿遷臺(tái)地磁數(shù)據(jù)噪聲前期問(wèn)題主要是總場(chǎng)正常，而其他測(cè)項(xiàng)不正常；如能通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)變化迅速判斷數(shù)據(jù)異常表現(xiàn)，分析原因，尋求解決辦法，這樣可以大幅縮短排查故障時(shí)間，提高臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率。

目前，全國(guó)地球物理監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行 FHD 型質(zhì)子矢量磁力儀有近百套，大部分運(yùn)行時(shí)間已有10年左右，積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)[4]，為我國(guó)的地震分析預(yù)報(bào)研究和地球磁場(chǎng)科學(xué)研究發(fā)揮了積極作用，但數(shù)據(jù)噪聲問(wèn)題也在逐年增多。造成噪聲變大的原因有觀測(cè)系統(tǒng)問(wèn)題也有外部觀測(cè)環(huán)境變化問(wèn)題。地磁臺(tái)站業(yè)務(wù)人員亟待了解不同干擾類型在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)中的具體表現(xiàn)，以提高儀器與數(shù)據(jù)故障排查效率。

通過(guò)對(duì)江蘇地區(qū)12個(gè)地磁臺(tái)站2014年12月— 2022年4月儀器故障歸類總結(jié)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，維修儀器共計(jì)61次，其中采用重啟儀器和調(diào)整儀器參數(shù)排除故障24次，更換電路老化器件解決故障28次，更換儀器主機(jī)8次。在維修更換電路老化器件中，有存儲(chǔ)卡出現(xiàn)故障13次，主機(jī)內(nèi)部電源故障4次，探頭及線圈故障3次，通信單元故障3次，補(bǔ)償電路故障3次。初步估計(jì)，平均每個(gè)臺(tái)站每?jī)赡昕赡苡龅絻x器故障1次，但有80%的故障可以通過(guò)重啟、調(diào)整儀器參數(shù)和更換部分元器件解決。地磁臺(tái)可以根據(jù)常見(jiàn)故障分類，備份如存儲(chǔ)卡、主機(jī)內(nèi)部電源等出現(xiàn)故障頻率較高的元器件。只要能夠準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)，大部分故障可以在廠家或?qū)＜壹夹g(shù)指導(dǎo)下解決，有效縮短維修時(shí)間，從而提高臺(tái)站觀測(cè)資料的連續(xù)率[5-6]。

參考文獻(xiàn)

［1］何宇飛，趙旭東，楊冬梅，等.地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)參考背景噪聲指標(biāo)及應(yīng)用[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2019，40（4）：65-73

HeYF， ZhaoXD， YangDM， etal. ThereferencebackgroundnoiseindexofGeomagneticNetworkofChinaandits application[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2019，40（4）：65-73

［2］彭玉柱，何宇飛，夏忠，等.溫度對(duì) FHD 磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲影響[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2015，36（2）：103-107

PengYZ， HeYF， XiaZ， etal. ThetemperatureinfluenceondatanoiseoftheFHDmagnetometer[J]. Seismologicaland Geomagnetic Observation and Research，2015，36（2）：103-107

［3］陳健，張秀霞，劉江斌，等.江蘇地磁觀測(cè)受高壓直流輸電干擾現(xiàn)狀及預(yù)處理[J].四川地震，2016，161（4）：27-30

Chen J，Zhang X X，Liu J B，et al. Present situation and data pre-processing of the geomagnetism observation interfered by high voltage direct current transmission lines in Jiangsu Province[J]. Earthquake Research in Sichuan，2016，161（4）：27-30

［4］何宇飛，夏忠，李軍，等. FHD 質(zhì)子磁力儀改進(jìn)研究進(jìn)展[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2019（11）：20-26

He Y F，Xia Z，Li J，et al. Progress of the improved FHD proton magnetometer[J]. Recent Developments in World Seismology，2019（11）：20-26

［5］居海華，夏忠. FHD-2B 分量質(zhì)子磁力儀維護(hù)技術(shù)[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2012，33（5）：135-141

JuHH， XiaZ. MaintenancetechnologyforFHD-2Btypecomponentprotonmagnetometer[J]. SeismologicalandGeomagnetic Observation and Research，2012，33（5）：135-141

［6］林苗祿，方傳極，梁凱，等.邵武臺(tái) FHD-2B磁力儀性能綜合分析經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)滴[J].地震科學(xué)進(jìn)展，2022，52（12）：574-580

Lin M L，F(xiàn)ang C J，Liang K，et al. Experience in comprehensive performance analysis of FHD-2B proton magnetometer at Shaowu seismic station[J]. Progress in Earthquake Sciences，2022，52（12）：574-580