引言

地震电磁扰动观测即通常所说的电磁波观测． 最早开展电磁扰动观测的是前苏联，之后日本、 美国、 希腊等很多国家也进行了地震电磁方面的观测与研究． 最初的观测是从高频段开始的． 多年的实践表明，高频段干扰因素比较多，同时信号传播机理分析也表明高频电磁信号不容易从地下传播上来，所以，目前观测与研究的频段主要为甚低频(very low frequency，简写为VLF)和超低频(ultra low frequency，简写为ULF)． 各国研制使用的观测仪器及其性能指标如观测频段、 观测物理量、 灵敏度、 采样率等也不相同． 震前异常的变化幅度随震级、 震中距、 震源深度及观测环境等因素的变化而变化． 观测的方法手段也不一样，大部分在地面放置仪器进行观测． 由于地面观测受周围环境的干扰较大，目前，一些国家采用深井观测、 高空电离层观测与地面观测结合等方法． 我国的地震电磁扰动观测始于1976年唐山7.8级地震后. 多年来的观测实践表明，电磁扰动方法在地震短临监测中有一定的效果(国家地震局科技监测司，1995)． 目前使用的观测仪器种类较多，观测对象不一致(电场、 磁场、 电磁场)，观测频段不同(超低频、 甚低频和低频(low frequency，简写为LF))，观测装置不同，观测仪器(传感器)的性能差异较大，传感器架设(埋设)方式不同，仪器标定方法不一致，观测结果的表述不一致，观测环境和台址条件差异较大． 这给资料的共享、 数据分析研究、 地震预测、 观测方法和理论研究带来一定困难，影响地震电磁扰动方法预测地震的效果和水平的提高，也使规范化的管理观测系统难以实现(赵家骝等，2010)．

为了规范我国地震电磁扰动的观测对象及要求、 台站观测系统、 台网观测系统、 观测环境及观测数据的产出等技术环节，保证地震电磁扰动观测的科学性，将我国多年来在实践中形成的地震电磁扰动方法规范化和标准化，提高该方法在地震科学中的作用，促进地震科学事业的发展，从2004年开始，在国家科技基础条件平台重点项目《数字地震前兆观测地电方法标准》中专门设立了电磁扰动观测方法标准，《地震地电观测方法电磁扰动观测》(DB/T 35-2009)(赵家骝等，2010)于2009年6月1日起执行． 中国地震局地壳应力研究所研发的DCRD-1型电磁扰动观测系统是目前国内符合该标准的电磁扰动观测仪器，其观测对象是地表的电场强度和磁场强度(或磁感应强度)的水平分量，能对选定地点0.1—10 Hz频率范围内地电场、 地磁场的能量随时间的变化以及发生的电磁事件进行连续观测． 该观测系统由主机、 感应式磁场传感器和测量电极构成． 主机部分由控制单元(PC104工控机)和数据采集单元构成． 系统产出的观测数据为地电场和地磁场的背景值时间序列，电磁事件的时间序列，以及电磁事件的主要参数． 背景值为电场强度和磁场强度1分钟内能量的有效值(平均功率)． 电磁事件由仪器自动判断并记录在相应的数据文件中(采样率为140次/秒)，同时自动计算电磁事件的主要参数，包括事件的起始时间、 优势频率、 最大幅度和持续时间等．

电磁扰动观测的信号频带范围比较窄，在这个频带内电磁场没有固有的特征． 同时，我们观测的目的也不是为了获得电磁场的某个有规律的变化． 因此从每天正常的观测结果中很难判别观测系统是否正常，正如地震仪的记录，在没有记录到地震时，只能看到一些背景噪声而无法确定其工作是否正常． 因此，电磁扰动观测系统中需要一个检查系统定期检查其工作是否正常． 地震电磁扰动观测标准中明确了检查装置由低频功率信号源、 外线和电极组成，但目前还没有符合该标准的专用低频功率信号源． 现有的正弦信号源功率不够，而方波信号源其精度达不到标准要求． 2010年，中国地震局地壳应力研究所设立了中央级公益性科研院所基本科研业务专项，研发了符合标准的基于直接数字合成(direct digital synthesis，简写为DDS)技术的电磁扰动观测系统检查装置，目前已应用于台站，取得了良好的观测效果．

1.   检查装置工作原理

1.1   人工电场的产生方法

参照地电阻率测量中产生人工电场的方法，在地面布设两个电极A和B，电极M和N为电磁扰动观测中的电场测量电极． 将一电源接入A和B，产生从电极A流入大地，再从电极B流出大地的电流I，形成一个人工电场，该电场在电极M与N之间产生电位差V_MN，如图 1所示．

图  1  人工电场产生方法示意图

Figure  1.  Schematic diagram for generating an artificial electric field

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式中，I为人工供电电流，ρ_s为视电阻率，K为装置系数．

在实际应用中，A，B，M，N 四个电极的位置是固定的，即装置系数K是不变的； 地下介质的电性结构随时间的变化亦可忽略不计，可以认为ρ_s不变，因此，只要确定供电电流I即可确定电极M与N之间的电位差．

1.2   人工磁场的产生方法

通电导线周围有磁场，电流I通过无线长直导线时在距导线r处产生的磁场强度H为

式中，H的单位为nT，I的单位为A，r的单位为m．

将磁传感器放在通电直导线附近，磁传感器能检测到的正比于导线电流的磁场强度，如图 2所示．

图  2  无限长直导线周围的磁场

Figure  2.  Magnetic field around an infinite electric wire

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在观测点磁传感器附近布设一条通电电流为I的长直导线，如图 3所示． 电流方向与正北方向的夹角为a，南北向磁传感器与长直导线的水平距离为r_NS，东西向磁传感器与长直导线的水平距离为r_EW． 两传感器与长直导线的高差为h，如图 4所示．

图  3  无限长直导线在磁传感器中心点 产生的磁场平面示意图

Figure  3.  Sketch of magnetic field at the center of a magnetic sensor generated by an infinite electric wire

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图  4  东西向磁传感器与通电长直导线高差示意图

Figure  4.  Sketch of vertical distance between the EW magnetic sensor and infinite electric wire

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根据图 3、 图 4和式(3)可计算得到东西向磁传感器中心接收到的磁场信号H_EW为

南北向磁传感器中心接收到的磁场信号H_NS为

式(4)和(5)中I的单位为A； h，r_NS和r_EW的单位为m； H_NS和H_EW的单位为nT．

由于磁传感器的长度与h，r_NS和r_EW相近，因此磁传感器并不处于一个均匀磁场之中，但在实际观测中h，r_NS和r_EW不变，磁传感器接收到的仍是与长直导线中电流I成正比的磁场强度．

1.3   现场安装

地震电磁扰动观测标准(DB/T35-2009)(赵家骝等，2010)确定了电磁扰动检查装置由低频功率信号源、 外线和电极组成，其现场安装示意图如图 5所示． A和B为两个埋地电极，通常采用铅板； 长直导线L通过NS和EW两个方向磁棒轴线的交汇点并与N方向成45°角； 低频功率信号源提供交变电流I，I经双绞线由B电极流进大地，再从A电极流出，经过长直导线L后，在B点经双绞线回到信号源，在L周围产生交变磁场，并在一定范围内形成人工电场(赵家骝等，2010).

图  5  检查装置安装示意图

Figure  5.  Schematic setting of the inspection equipment

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2.   ML2035工作原理

正弦信号源是一种广泛应用的信号源，以前经常采用锁相环(phase locked loop，简写为PLL)频率合成器方法，但其电路复杂且体积庞大． 目前，DDS技术在电子测量、 雷达系统、 调频通信和电子对抗等领域得到了十分广泛的应用． DDS有如下优点： ① 频率分辨率高，输出频点多，可达N个频点(N为相位累加器位数)； ② 频率切换速度快，可达uS量级； ③ 频率切换时相位连续； ④ 可以输出宽带正交信号； ⑤ 输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用； ⑥ 可以产生任意波形； ⑦ 全数字化，便于集成，体积小，重量轻．

我们研发的电磁扰动检查装置采用一款单片正弦信号发生芯片ML2035(Micro Linear Corporation．1997)，它几乎可在不需要其它外围器件的条件下，产生最高达25 kHz的正弦信号． ML2035的主要特点如下： ① 可编程输出正弦信号频率，DC—25 kHz； ② 低增益误差和低谐波失真； ③ 具有3线SPI兼容性串行微处理器接口，并具有数据锁存功能； ④ 全集成解决方案，不需要外围器件； ⑤ 频率分辨率可达1.5 Hz(±0.75 Hz)(当时钟频率为12 MHz时)； ⑥ 自带3—12 MHz的晶体振荡器单元电路； ⑦ 具有同步和异步的数据加载功能．

图 6是ML2035的功能块示意图． 其内部主要由串行输入、 相位累加器、 正弦波发生器、 晶体振荡器和低通滤波器五大部分组成． 串行输入电路负责将用户输入的16位串行频率控制字转化为并行数据，并传送给相位累加器，控制相位生成的速度； 然后相位累加器把21位累加和的高9位作为有效数据传送给正弦波发生器，正弦波发生器把这9位数据的最高位作为符号位，次高位作为象限位，低7位作为正弦搜索表的查询表地址，以生成一个周期的正弦波样值； 最后，波形数据送到一个8位的数模转换器(D/A)进行数模转换，形成正弦脉冲波，经过一个低通滤波器滤波后，形成正弦波信号输出． 具体的管脚定义如下：

图  6  ML2035功能块示意图

Figure  6.  Block diagram of the chip ML2035

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管脚1(VSS)： 负电源，接-5 V.

管脚2(SCK)： 串行时钟输入，在上升沿将串行数据锁入16位移位寄存器中.

管脚3(SID)： 串行数据输入，该数据决定6脚的输出信号频率.

管脚4(LATI)： 串行数据锁存，在下降沿将频率控制字锁存入16位数据寄存器中.

管脚5(VCC)： 正电源，接+5 V.

管脚6(VOUT)： 正弦信号输出，输出信号的峰峰值为±VCC/2.

管脚7(GND)： 接地端，所有信号输入和输出的参考端.

管脚8(CLK IN)： 时钟输入，在该管脚和GND之间接3—12 MHz的晶体可产生内部时钟，也可直接从该管脚输入外部数字时钟．

3.   基于ML2035的检查装置

3.1   低频功率信号源

依照电磁扰动观测方法标准(DB/T35-2009)(赵家骝等，2010)，检查装置的低功率信号源应满足以下要求：① 频率范围： 0.01—100 Hz； ② 频率稳定度： 1％； ③ 输出功率： 100 Ω负载下，能提供大于0.2 A的输出电流；④ 在0.1—10 Hz频段范围内检测5个频点．

正弦信号产生电路如图 7所示. 微控制单元(micro control unit，简写为MCU)采用AT89C2051，其P1.7，P1.6，P1.5管脚分别与ML2035的SCK，SID和LATI连接，用于设置ML2035的参数． 将检查装置的正弦信号分为10个频点，AT89C2051的不同管脚与波段开关连接，编写软件判断管脚的电平，对ML2035设置相应的控制字节，输出相应频率的正弦信号： CH1： 0.01 Hz； CH2： 0.05 Hz； CH3： 0.1 Hz； CH4： 0.5 Hz； CH5： 1 Hz； CH6： 2 Hz； CH7： 5 Hz； CH8： 10 Hz； CH9： 20 Hz； CH10： 100 Hz．

图  7  正弦信号产生电路

Figure  7.  Circuit for generating sine waves

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产生的正弦信号经过图 8的功率放大电路输出，功放模块采用经典的音频功率放大器LM3886，供电电源设计为±36 V，信号幅度由可调电位器W1控制． 经实验室测试，100 Ω负载下，最大输出电流为0.233 A，信号在10个频点的最大瞬间偏移为0.3%，各参数均满足电磁扰动观测方法标准(DB/T35-2009)(赵家骝等，2010)的要求．

图  8  功率放大电路

Figure  8.  Circuit of power amplifier

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3.2   检查装置的台站应用

地震电磁扰动观测系统的检查装置在实验室完成测试合格后，将其安装在某观测台站，对电磁扰动观测系统进行定期检查，检查装置在台站的布设如图 9所示． 观测系统的电场观测用铅电极NS向100 m，EW向60 m，磁传感器NS向与EW向之间距离5 m． 检查装置按照DB/T35-2009标准(赵家骝等，2010)推荐方式安装，两铅电极间隔距离35 m，低频功率信号源产生的信号经双绞线到达最近的铅电极； 从地下达到远端的铅电极，经埋深约0.5 m的长直电线，在近端铅电极处经双绞线返回低频功率信号源，在长直电线周围形成交变磁场，并在测区内形成交变电场． 每月定期采用1 Hz信号对观测系统进行检查． 图 10为台站某天的电磁扰动观测数据曲线，第一道是南北向磁感应强度，第二道是东西向磁感应强度，第三道是南北向电场强度，第四道是东西向电场强度． 电磁扰动检查形成的事件数据(140 Hz采样)如图 11所示，细节展开如图 12所示． 对事件数据进行FFT分析，其频率值为1.00055 Hz．

图  9  检查装置在某台站布设示意图

Figure  9.  Sketch of the inspection equipment at a station

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图  10  某台站某日观测数据分钟值曲线

Figure  10.  Curves of minute data during one day at a station

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图  11  某台站电磁检查事件曲线

Figure  11.  Curves of a checkup event

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图  12  电磁检查事件曲线部分放大曲线

Figure  12.  Detailed curves of the checkup event

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4.   讨论与结论

按照《地震地电观测方法电磁扰动观测》(DB/T35-2009)(赵家骝等，2010)标准要求，台站工作人员应每月对电磁扰动观测系统进行检查，填写观测系统检查记录表，判断观测系统的稳定性． 但目前电磁扰动观测台站没有安装检查装置，主要是因为还没有符合标准要求的低频功率信号发生器． 我们研制的基于DDS技术的电磁扰动检查装置已经应用于部分台站，可以定期对电磁扰动观测系统进行检查，为现有电磁扰动观测系统的正常运行提供了技术支持； 在记录到一些异常事件后，也可以及时启动检查装置，为判别异常事件提供技术支持． 以上应用表明，该检查装置取得了良好的观测效果，具有广阔的应用前景．