关于电磁扰动仪器技术改进方案的说明

关于电磁扰动仪器技术改进方案的说明一基本原则地震电磁扰动观测的目的是为了获得与地震孕育和发生有关的电磁现象，不同于为获得地表电磁场正常变化的观测。大多数目前正在运行的并有一定效能的观测系统，能继续运行或经适当改进后能继续运行。观测结果应给出日常预报所需的基本信息及可供进一步研究的详细信息。国内各观测点产出的资料可以相互比较。二仪器主要技术指标（一）观测频段观测频段选择0.01-20Hz，基于以下几个原因考虑：（1）地震电磁异常信号的频段分布范围较大，可以说包含所有频段。但是，由于30KHz以上被广播电视通信占用，干扰太多，而周期在分钟级以上又为地磁和地电场观测分析所包含。所以，目前的地震电磁扰动频段研究范围主要集中在几百秒到几千赫兹（0.01Hz—1000Hz）。（2）从调研的结果看，几次典型的震前电磁场异常中都包含0.01-20Hz频段的异常（3）0.01-20Hz频段天然电磁场能量最小，天然电磁场对电磁扰动观测的影响也最小。同时对孕震体电磁源传播的理论研究和数值模拟的结果表明在地表不易观测到来自震源的频率高于1Hz的电磁信号。（4）观测频率提高时，人为电磁干扰特别是工频干扰的影响大大增加。目前观测数千Hz信号的仪器记录的并不是信号波形，而是被调制在观测频段上的低频信号。若要记录实时波形则需要较高的采样率和数据存储空间，不仅增加成本，也给数据处理和应用带来困难；(5)观测频率降低时，磁传感器的灵敏度降低，测量系统的1/F噪声大大增加，这会增加仪器的制造成本；（二）观测分量三个分量观测变化电场和磁场传播和观测可分为近场区、感应区和辐射区。在近场区，电场更具有静电场特性，磁场更具有稳恒磁场特性，必须三个正交分量才能完整描述其变化；即使在距离与波长相当的感应区，也需三个正交分量才能完整描述其变化。距离远大于波长的区域称为辐射区，在辐射区电磁信号才能称之为电磁波，电场和磁场矢量垂直于传播方向，有二个垂直于传播方向的二个正交分量即可完整描述其变化。依据电磁扰动观测频段（10-2—103Hz），其观测区是近场区。因此应采用3分量观测。（三）分辨力要求仪器的电压分辨力为10uV。我国地电场背景场数据变化（地电日变化）幅度一般大于2mV/km，据目前的统计结果，我国高纬度地区的地电场静日变化的最小幅度为2.7mV/km。为了能够获得比较清晰的地电场背景变化（地电日变化）信息，根据噪声分析理论，地电场观测的背景噪声不应大于地电日变化幅度的1/3。因此，当地电场背景噪声不大于0.5mV/km时，既观测分辨力不大于0.5mV/km时，能够满足中国大陆地区对地电场观测的基本要求。假设测量极距为50-100一般磁场观测的分辨力要求为0.01nT，按照2mV/nT的灵敏度计算，要求电压的分辨力为20uV。因此，电压分辨力要求为10uV是合理的。（四）电压测量误差电压测量误差：±（0.1％读数±0.1%满度值）大地电场正常背景场的场强及其变化一般在±100mV/km之内，目前在高纬度地区静日变化幅度比较小的台站，其幅度值小于5mV/km。对于不大于0.5mV/km的电磁观测背景，当最小能够识别0.5mV/km的地电场变化时，其最大允许观测误差为2~10%。考虑到大部分情况，当最大允许误差不大于1%读数时，能够满足地电场的观测要求，同时，考虑到目前的技术水平，要求为±（0.1％读数±0.1%满度值）。（五）动态范围输入范围：200mV一般情况下，电场的测量范围应不小于20000mV/km；磁场测量范围应不小于100nT。按照分辨力为10uV，假设仪器的最大输入电压为200mV，对于极距为100m的电场观测来说，相当于20000mV/km，可以满足电场的观测要求。同样，对于磁场来说，假设磁传感器的平均灵敏度为2mV/nT。则200mV相当于100nT的磁场变化。可以满足磁场的观测要求。（六）时间服务精度考虑到观测区域内不同台站电磁场观测资料的时间同步性，以及电磁扰动观测希望在不同的观测点观测到同步和同震效应，因此要求观测系统的时间服务应准确到1秒。（七）采样率对于观测来说，采样率越高越好，然而采样率的提高，相应的会增加测量系统难度。考虑到电磁扰动观测的频率范围是0.01Hz-20Hz，采样率取最高频率的5倍可以保证获得观测频率范围内的全部信息，因此要求观测系统的采样率不低于100次/秒。（八）输入阻抗仪器的输入阻抗要求为10MΩ，电极的内阻最大为1kΩ左右，由仪器输入电阻引起的误差不差过万分之一，则测量仪器的输入阻抗要大于10MΩ三磁传感器主要技术指标（一）灵敏度优于2mV/nT，(0.1Hz-10Hz)根据磁场测量要求分辨力0.01nT，测量主机的分辨力为10μV，可计算出要求磁传感器的灵敏度为1mV/nT。适当考虑提高要求，建议指标为2mV/nT，目前国内大部分仪器能达到此要求。（二）频率特性定量给出0.01Hz-40Hz范围的频率特性与其他地震前兆观测仪器一样，定量、平坦的幅频特性是电磁扰动观测仪器的基本要求，考虑到平坦幅频特性的要求会使系统实现的难度和成本成倍提高，因此仅要求给出0.01Hz-40Hz频率范围内的幅频特性，并要求系统稳定，这是分析人员开展定量分析如谱分析的最基本要求。理论上，对同一个磁场变化，分析人员在采用幅频特性矫正后，不同仪器在频率域的频谱幅度应具有较好的一致性。（三）噪声低于0.002nT/Hz1/2，(0.1Hz-20Hz)。若要求噪声的影响与仪器的分辨力（0.01nT）相当，并将频带限制在0.01Hz-20Hz范围内，可推算出要求的噪声幅度谱密度为0.002nT/Hz1/2。四数据产出格式（一）数据文件格式产出数据为：100Hz高采样数据序列，秒和分钟的有效值其中100Hz数据文件每个文件的开头第一行为此文件中数据的开始时间，格式为：TIMEYYYY-MM-DDHH:MM:SS，随后是系统的实际测试的幅频特性结果，格式为第一行SENSITIVITY，之后为实际的幅频特性数据，幅频特性数据格式为第一列为频率，第二列为对应频率的灵敏度），从第二行开始为观测数据。从第二个十分钟开始，只给出时间标记，例如：TIME2015-04-1909:00:00SENSITIVITY0.050.10.12.00.22.0………400.1（以下为9列的实际观测数据）0.010.020.030.050.060.070.080.09…………TIME2015-04-1909:10:000.010.020.030.050.060.070.080.09…………TIME2015-04-1909:20:000.010.020.030.050.060.070.080.09这样所有的数据文件中都有对应时间和系统的频率响应，便于科研人员使用数据。（二）秒和分钟有效值:在电磁扰动观测中，被测量的电场、磁场都不是恒定的，不同时间内其幅度和频率成分是不一样的。因此，用一定时间段内电场、磁场的平均功率来表述电场、磁场的大小是比较恰当的。（三）有效值计算在电工计量中常用一个量的“有效值”来表征其能提供的平均功率，有效值即为均方根值。因此为了比较准确的表述电磁扰动背景场的大小用电场强度E、磁场强度H的有效值表述背景场观测结果是可行的。其计算方法为：（1）（2）、分别为电场强度、磁场强度一分钟有效值，为一分钟的取样次数，、为每一次取样值。用有效值表述和,具有和的