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试析满洲里台地磁M15仪器秒采样观测数据中的干扰

2020-07-06 208 上传者：管理员

摘要：分析2015年8月—2018年7月满洲里地震台FHDZ-M15地磁总场与分量组合观测系统记录的地磁秒采样观测数据(剔除磁暴与磁扰时间段),发现台站地磁秒采样数据资料所受干扰主要呈阶跃和尖峰形态,通过测量测区地磁场水平梯度,排查周边环境,并对设备和线路进行漏电检测,认为:阶跃形态干扰主要由高压直流输电和车辆停放引起;经逐项排查对UPS加热及输电线路漏电检测,仪器室温度过低和输电线路漏电均造成高频毛刺尖峰形态干扰,对UPS加热处理,干扰状态得到改善,但Z、F分量干扰仍在。受满洲里气候条件等因素限制,未能在2019年完成输电线路更换,当前无法确定干扰是否为输电线路漏电所致,后续将采取相应措施予以确认。

关键词：
地磁
地磁秒采样数据
地震台
尖峰
干扰因素
温度
漏电
秒采样
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地磁台站以观测地磁场的长期变化为主要任务。各级别地磁台站,观测环境的优劣直接影响观测数据的质量。根据地磁台站观测规范要求,台站周边的磁场环境不能允许有任何改变。进入21世纪,经济飞速发展,城市建设面积不断扩大,新兴技术和材料的应用不断影响着地磁台站的正常观测,全国各地的各类地磁台站(如重庆地磁台、甘肃嘉峪关地震台、福建泉州基准台、河北红山基准台等)均受到不同程度和不同类型干扰(吴乔木,2007;蒋璀等,2011;畅国平等,2015;董海龙等,2016)的影响。面对各类型干扰,邓娜等(2010)提出6种不同方法对各类明显或不明显的干扰进行辨别;谢凡(2012)提出在地磁观测中利用“智能信息处理技术”进行干扰抑制;董海龙等(2016)对地磁数字化资料所受各类型干扰和特征进行了总结,并简要提出干扰预处理方法;杨福喜(2012)对地磁台网秒采样的数据噪声的表现形式、影响因素(来源)和降低手段也进行了简要的分析说明;畅国平等(2015)提出了如何判别和处理高压直流输电干扰。

满洲里地震台(下文简称满洲里台)地处中俄蒙3国交汇地带,属国家Ⅰ类地磁台站,现有FHDZ-M15地磁总场与分量组合观测系统(以下简称M15)在内的10台套观测仪器用于地磁观测。满洲里台M15仪器安装在台站南山磁房内,2007年投入观测,秒采样数据资料质量保持稳定。然而,2017年11月以来,该套仪器秒采样记录的毛刺形态干扰数突增,记录曲线形态变粗,数据质量大幅度降低,增加了数据预处理难度。

现阶段,观测环境不断遭到破坏,观测仪器已难以满足工作需求,监测数据的准确度和精度随之降低,此为满洲里等多个地磁台所面临的严峻问题。如何准确快速地判别原始数据中的干扰因素,已成为地磁台站日常工作的重要环节。本研究将通过数据分析和对现有地磁观测设备进行局部加温、线路检测等实验手段,分析满洲里台地磁M15仪器秒采样观测数据中出现的干扰,并结合台站实际情况提出解决办法。

1、资料选取

利用“中国地震前兆数据处理系统(地磁学科版)”数据处理软件,收集2015年8月—2018年7月M15仪产出的秒采样观测数据(排除磁暴与磁扰时段)进行差值处理,得到原始数据与预处理数据的差值曲线,结合实验结果,探讨满洲里台秒采样数据干扰。

2、干扰类型及干扰源分析

2015年8月—2018年7月满洲里台M15秒采样数据质量不断下降,参考观测日志进行分析,发现该地磁仪器秒采样数据所受的干扰主要表现为阶跃形态干扰和高频毛刺形态尖峰干扰。

2.1阶跃形态干扰

满洲里台M15仪产生的阶跃形态干扰主要来自高压直流输电和车辆影响。

(1)高压直流输电干扰。

高压直流输电影响M15仪Z分量与F分量的曲线形态,有明确的时间段和干扰线路,可利用多台对比分析和网站查询等方法确定干扰时间,因台站地理位置固定,高压输电线路固定,除非进行台址搬迁,无有效解决方法。图1给出满洲里台2017年5月5日07:22至22:48所受呼辽线高压直流干扰,台阶改正量达到2.8nT。

图1满洲里台M15仪器2017年5月5日07:22—22:48所受呼辽线高压直流输电干扰记录

(2)车辆干扰。

测区周边停放车辆,对地磁监测仪器M15各分量产生干扰,曲线干扰形态以明显阶跃为主,出现时间不固定,易发现,可通过设立明显警示标识和及时提醒干扰车辆等方式进行预防,由于台站对观测环境的保护,3年来极少出现该类型的干扰。图2为2017年5月21日11:57至12:06所受到的车辆干扰。

2.2高频毛刺形态尖峰干扰

图2满洲里台2017年5月21日11:57—12:06所受车辆干扰原始记录

高频毛刺形态的尖峰干扰由某一种或某几种原因所引发,干扰幅度大,出现频繁,是满洲里台M15秒采样主要干扰形式,影响了秒采样数据资料的准确性。满洲里台典型的毛刺形态尖峰干扰见图3,由图可见,后4道数据差值曲线显示,该段数据进行了大量尖峰剔除的预处理操作,下文将重点讨论毛刺形态尖峰干扰的成因。

(1)对比分析不同年份的同月份资料,判定干扰源。

对所选资料以不同年份相同月份的原则进行对比分析,结果显示,2017年9月以来,M15仪各季节记录曲线明显较粗,尖峰数量明显增多。查阅满洲里台工作日志,发现2017年8月底该台站仪器室、配电室进行大规模优化改造。通过时间节点判断,地磁秒采样数据干扰应为改造过程中老旧供电线路漏电所致。

(2)对比分析同年度不同月份资料,判定干扰源。

分析每年不同季节秒采样数据和差值,结果显示,毛刺形态尖峰干扰多在每年的1月、2月出现,7月、8月较少,特别是2017年台站优化改造后,季节(温度)影响明显。结合满洲里地区气候特点,认为此类干扰应与观测设备所处环境温度有关。

(3)排查漏电情况,分析干扰源。

2018年9—11月,国家电网专业技术人员对测区附近变压器、仪器配电箱、避雷箱、UPS不间断电源进行检测,并对以上设备重新进行接地处理,并重点检查仪器所用UPS不间断电源。经查询,该UPS(APC公司的Smart-UPSRT系列,SURT1000UXICH,1000V·A,230V)官方网站,发现其工作温度范围为0—40℃(图4)。由于台站仪器室未配备保温采暖设备,UPS冬季工作温度低于-10℃,超出正常工作温度范围。由此判断,尖峰干扰可能由仪器室气温过低所致。

图3满洲里台M15仪器2018年1月21日秒采样数据分析

图4UPS设备型号及工作环境要求

2018年12月25日在仪器室配备加热设备,UPS环境温度由-12℃上升至-3℃,D、H、Z分量的毛刺形态尖峰干扰大幅度减少(图5)。可以确定,满洲里台M15仪秒采样记录所受干扰与仪器室气温低、UPS工作不稳定有关。

图52018年12月25日为UPS所在仪器室进行加热前后秒采样尖峰数量对比

(4)对比分析同观测室2套仪器观测资料,判定干扰源。

满洲里台M15与GM4(GM4型磁通门磁力仪)探头架设于同一记录室,因此,2套仪器记录尖峰干扰是否具有较好的一致性,可作为判断长期高频毛刺形态尖峰干扰是否来自M15仪自身噪声的重要指标。选取2018年12月23日UPS加热前及12月27日UPS加热后2套仪器秒采样预处理和差值资料进行对比分析,结果显示,2套仪器秒采样数据的尖峰干扰一致性较好,干扰时间比较一致且幅度相近,因此判定,M15仪记录的毛刺形态尖峰干扰非仪器自身噪声所致。

(5)测量磁房附近地磁场水平梯度。

测量M15仪附近区域地磁场水平梯度,以确定是否存在其他干扰源。测量结果显示,满洲里台南山仪器观测室院内存在一个磁异常区域,怀疑地下可能存在含磁物质。调查发现,磁房自建成以来,此地及周边未经历二次建设,判断该地磁异常应为建台遗留,与2017年入冬以来M15仪出现的毛刺形态尖峰干扰无关。

3、结论

结合满洲里台2015年8月—2018年7月M15仪秒采样资料(原始数据、预处理数据和差值)记录、磁房附近变压器等用电设备的排查,以及磁房附近地磁场水平梯度的测量,综合分析认为,满洲里台地磁秒采样数据所受干扰以毛刺形态尖峰为主,偶尔伴随阶跃形态干扰。阶跃形态干扰主要由高压直流输电和车辆停放造成;尖峰干扰与环境温度和台站改造有关。

通过对UPS进行保温处理,确认M15仪D、H分量以及部分Z分量干扰与仪器室温度过低,导致UPS工作不稳定,影响了观测数据质量,尤其是2017年台站改造后,数据质量下降明显,采取一定措施后,Z、F分量尖峰干扰并未完全消除,特别是F分量,变化并不明显,经排查各类影响因素,判定干扰源应主要来自供电线路,可能是供电线路存在老化漏电现象所致。受满洲里当地气候条件等因素限制,台站未能按照原定计划于2019年入冬前将线路更换完毕。因此,M15仪Z、F分量的尖峰干扰是否由线路老化漏电所致,将于2020年春季更换全部仪器供电线路后予以确认。

4、结束语

中国幅员辽阔,北方多地地磁台站位于高纬度、高海拔地区,冬季温度低,可能达不到地磁等观测仪器正常工作所需环境温度,影响观测数据质量,台站人员应实时监测并及时处理观测数据异常现象,应具备相应的职业素养,明确地磁台站记录数据干扰类型和表现形态,能快速准确地进行数据预处理,确保地磁观测仪器正常工作,保障观测数据连续、可靠,以提高地磁观测资料的准确性,为地球科学领域的相关研究提供高质量基础数据。

参考文献:

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基金:内蒙古自治区地震局局长基金(课题编号:2018JC03).