紅格地震臺PS200電法儀抗干擾能力測試

顏曉曄,李紹坤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

1966年邢臺地震后，地震觀測臺站的地電阻率觀測至今已近40年，是較為成熟的地震前兆觀測手段之一。隨著國民經濟的不斷發展，城鄉、工礦民用設備大量增加，部分地震臺站地電觀測面臨較為嚴重的人類活動干擾，觀測環境日漸惡劣，迫切需要有抗干擾能力強、數據精度更高的觀測設備，為震情判斷，特別是為強地震前震情判斷提供可靠的區域地球物理場的信息。目前國內地電阻率觀測儀器大多使用中國地震局地殼研究所研制的ZD8M地電儀，ZD8M地電儀工作穩定、性能可靠，儀器的基礎觀測資料的積累相對完整，可以將其作為評價其他觀測儀器抗干擾能力的依據。2016年，在四川省紅格地震臺、冕寧地震臺架設的PS200電法儀開始了日常觀測，為檢測PS200電法儀器的抗干擾能力，評價和驗證其是否達到地震前兆臺站的觀測規范要求，我們在紅格地震臺開展了相關測試，并對試驗結果進行討論。對兩個臺站2016年PS200電法儀觀測數據對比分析后發現，紅格地震臺由于改用井下電阻率觀測，供電、測量電極埋設深度較深，觀測極距較短，受到的外界人為干擾小，觀測數據較為穩定；而冕寧地震臺觀測場地環境復雜，測區內民房、街道等建筑密集，觀測數據相對較差。因此選取紅格地震臺進行臺站抗干擾能力測試比較好。

1 儀器測試原理、方法、內容和結果

1.1 原理

在地震研究中地球電磁物理量的觀測主要分為電場的觀測、磁場的觀測、電磁輻射場的觀測和視電阻率的觀測。對于地球這樣的連續而又不均勻的介質材料而言，直接測量電阻率的方法很不現實，間接測量電阻率的方法則應運而生，儀器所測到的具有電阻率量綱的物理量可稱為視電阻率。紅格地震臺現ZD8M地電儀和PS200電法儀觀測所采用的均是直流電法四極方法。簡單來講，在介質的表面或內部埋設4個電極,其中兩個(A、B)分別與供電電源正、負極相連，電流通過它們流入介質中；另外兩個(M、N)與測量電位差的儀器兩端相連，用儀器測定M、N兩電極間的電位差△V,將△V與I的比值乘以與四極裝置系統電極相對位置有關的常數K，即可求出一個具有電阻率量綱的物理量ρs。

(1)

公式(1)中，常數K具有長度量綱，稱之為裝置系數，AM、AN、BM、BN為電極間距離，單位為米，具體K為：

(2)

冕寧地震臺PS200電法儀2016年觀測數據和紅格地震臺PS200電法儀2016年觀測數據曲線參見圖1～2。

圖1 冕寧地震臺PS200電法儀2016年觀測數據

圖2 紅格地震臺PS200電法儀2016年觀測數據

在向大地提供穩定直流電時，電流通過電極送入大地，當供電電源電壓不變時，供電回路中的電流是個常數，這樣在供電回路中有一個穩定的電流在流動，存在一個穩定電流場。如果大地介質內部所有可能積存的與供電過程有關的電荷，是由于電源通過電極向大地供電的結果,那么電極與大地接觸處的電荷簡稱為“源”電荷。在大地中電流處于穩定狀態時,源電荷的大小可以根據《電動力學》的理論求出(錢家棟，1985):

(3)

公式(3)中I為電源提供的總電流強度,ρ為包圍電極的大地介質的電阻率,Q為源電荷的大小。在實際的地電觀測中,因為測量電位的電極與供電電極的距離比電極本身的尺寸大得多，在電極與大地接觸面上所積存的面電荷在遠處所產生的電場,可以被看作與一個位于供電電極中心的點電荷場相當,因此供電電極又稱為點電源,其電荷又稱為點電源電荷,大小由公式(3)所決定(錢家棟，1985)。ZD8M地電儀和PS200電法儀就是使用直流電源DC通過供電極AB向地下輸入電流I，電流I通過測定標準電阻R上的電壓V1來確定，在測量極MN上可測得人工供電電位差V2，視電阻率ρs的單位為Ω·m，V1、V2的單位為伏特，標準電阻的單位為歐姆，視電阻率ρs的計算公式為：

(4)

因測得人工供電電位差V2中還包含了儀器自身的漂移、大地極化效應以及自然電位VSP，所以采用正反向進行供電，求其平均值可以消除漂移。那么理論上觀測時間越長，次數越多，其觀測的數據精度就越高，受外界因素影響就越小。紅格臺ZD8M地電儀為每小時測量1次，每次5分鐘，產出1組觀測數據(2017年6月24日更改為每小時測量3次，每次5分鐘，產出3組觀測數據)；PS200電法儀每小時觀測時間25分鐘，產出觀測數據3組。(參見圖3)

PS200電法儀采用了正反向供電的測量模式，為了消除人工電位差中存在的無規則的隨機人工干擾，采用了CDMA測量地電阻率原理。通過對供入地下的電流I進行編碼調制，在測量端(接收端)同時對V2和V1(I)進行相關檢測并解碼測量，由于輸入電流I與輸出V2和V1(I)具有相關性，而其它干擾與電流I不相關，因此最終測量到的V2和V1(I)就是由于輸入電流I引起的。CDMA測量之所以能提高測量的精確性，其原理就是通過可控源對供電電流I編碼和相關計算，在一段時間內，精確地把V2和干擾區分出來，在輸出端有效抑制干擾，提高了測量時的信噪比(趙璧如，2006)(參見圖4)。

圖3 ZD8地電儀測量時序示意

圖4 PS200電法儀監控軟件顯示測量供電時序

1.2 方法和設備

PS200電法儀臺站抗干擾能力測試的目的是測試儀器對不同頻率，不同幅度的干擾信號抑制能力。通過信號發生器，在PS200電法儀測量線路上加載正弦波、方波等干擾信號，干擾信號頻率采用100 Hz至200 s，幅度采用信噪比0 dB、-20 dB、-40 dB進行。測試設備采用信號發生器和示波器，信號發生器用于干擾信號的輸出，示波器用于檢測輸出信號是否正確。測試設備采用安捷倫Agilent 33220A信號發生器和泰克Tektronix TDS1012示波器。安捷倫Agilent 33220A用于干擾信號的輸出，泰克Tektronix TDS1012示波器用于檢測輸出信號是否正確。

1.3 測試數據

ZD8M地電儀每小時產出1組數據，且保存的數據有效數字為4位；PS200電法儀每小時產出3組數據，保存的數據有效數字為5位。使得在對PS200電法儀進行抗干擾能力測試的時候不能使用ZD8M地電儀數據作為標準計算。通過對ZD8M地電儀進行程序更改，使得兩套設備測量產出的數據次數和數據的有效數字位數相同。更改后通過對比觀測數據曲線，發現兩套設備的變化幅度基本一致(參見圖5)。這樣，在對PS200電法儀進行抗干擾能力測試的時候，可以將ZD8M地電儀的觀測數據作為參考標準來進行。隨機抽取2017年7月1日和7月2日的ZD8M地電儀與PS200電法儀觀測數據進行相關性計算，其相關系數NS向為0.947 2，EW向為0.948。

1.4 測道的選擇

紅格地震臺測道為NS向和EW兩個方向。PS200電法儀測得的NS向視電阻率為22.83 Ω·m，供電電流為4.19 A，K值為789；EW向視電阻率為10.24 Ω·m，供電電流為2.35 A，K值為694。通過公式(1)計算得出NS向測量極的人工電位差為0.121 V，EW向測量極的人工電位差為0.035 V。需要測試的信噪比最大幅度為 -40 dB，那么輸出的干擾電壓信號和測量信號的倍數A就等于100。如果對NS向進行抗干擾能力測試，需要輸出的最大干擾電壓信號為12.1 V，對EW向進行抗干擾能力測試，需要輸出的最大干擾電壓信號為3.5 V。PS200電法儀的測量范圍為正負2.5 V，如果選取NS向進行抗干擾能力測試，那么輸出的干擾信號遠遠的大于儀器測量范圍，所以只能選取EW向進行抗干擾能力測試。

圖5 ZD8地電儀與PS200電法儀視電阻率數據對比曲線圖

1.5 測試過程

紅格地震臺PS200電法儀抗干擾能力測試共進行了37次。測試輸出正弦波、方波干擾信號，干擾信號頻率分別采用100、50、1、0.2、0.1、0.02、0.01和0.005 Hz，輸出干擾電壓信號峰峰值分別為35、350和3500 mV。在每次測試前先預調試信號發生器，輸出需要的頻率、電壓和波形，再用示波器用于檢測輸出信號是否正確。從圖6和圖7中可以明顯看出，方波為PS200電法儀測量時供電信號，正弦波為信號發生器輸入的干擾信號，在圖8中方波為信號發生器輸入的干擾信號，疊加在方波上的信號為PS200電法儀測量時供電信號。

圖6 PS200電法儀顯示的正弦波干擾信號

圖7 PS200電法儀顯示的輸入正弦波干擾信號

圖8 PS200電法儀監控軟件顯示的輸入方波干擾信號

2 測試后計算結果

通過公式(5)計算ZD8M地電儀和PS200電法儀未測試期間的數據平均偏差，得到PS200電法儀的參考標準視電阻率值P。

(5)

公式(5)中，P為PS200電法儀測試時間段的參考標準視電阻率值，Z為PS200電法儀測試時ZD8M地電儀觀測數據，X、Y為ZD8M地電儀和PS200電法儀未測試期間同一時間觀測的數據，計算得出平均偏差為0.191 Ω·m。通過計算的參考標準視電阻率值，對測試數據進行偏差和相對偏差的計算，相對偏差曲線參見圖9、圖10和圖11。

(0.1 Hz測試數據偏差21.814%為測試過程中出現錯誤所致)圖9 PS200電法儀信噪比0 dB數據相對偏差曲線

圖10 PS200電法儀信噪比-20 dB數據相對偏差曲線

圖11 PS200電法儀信噪比-40 dB數據相對偏差曲線

3 結論

通過對PS200電法儀的抗干擾能力測試，發現該儀器對相對干擾頻率較高、幅度較小的信號有較好的抑制能力，相對偏差能達到0.1%；但是隨著干擾頻率逐步降低，干擾信號幅度逐步加強，抑制能力相對較差，特別是在干擾信號達到-40 dB的時候，正弦波信號相對偏差最大達到208%，方波信號相對偏差最大達到383%。在對紅格臺PS200電法儀進行抗干擾能力測試時，參考標準視電阻率值是通過ZD8M地電儀計算得出的，所以在對地電阻率儀器進行臺站抗干擾能力測試的時候，還需要考慮到以下因素：(1)選取干擾小的臺站。場地環境干擾對地電阻率觀測的影響不容忽視，會導致觀測精度降低、甚至使數據失去使用價值。在測試過程中，需選擇認為干擾較小、數據記錄平穩的觀測臺站進行對比分析。(2)選擇合適觀測儀器測道的測試信號。針對進行的抗干擾能力測試需要輸出的最大信號不能超過儀器測量范圍，在計算輸出干擾信號幅度的時候就需要考慮到儀器的測量信號范圍，最好選取人工電位差較小的測道，這樣就可以給出較大的干擾信號幅度。

錢家棟，林云芳，王德志，等.1995.國家地震局科技監測司.地震電磁觀測技術[M].北京:地震出版社，1-20.

趙璧如，趙健，張洪魁，等.2006.PS100型I P到端可控源高精度大地電測儀系統—CDMA技術首次在地電阻率測量中的應用[J].地球物理學進展，2(21)：675-682.