A new AC geo-electrical resistivity observation system and experimental observation in Jiangning seismic station
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地电阻率前兆观测是我国地震前兆观测重要手段之一，但是目前城市地铁和轻轨等对其造成了严重影响. 利用低频交流电场与直流电场具有相似特性的特点(桂燮泰等，1988； 马希融，1989)，采用交流方法进行地电阻率观测，能够在一定程度上抑制地铁和轻轨的干扰影响(张宇等，2014； 马小溪等，2015).
目前，地电阻率台站所受到的突出干扰是地铁、 轻轨等运行引起的近直流干扰，干扰周期主要为120—180 s，干扰频段集中在0.1 Hz以下． 为降低地铁干扰的影响，供电频率应避开干扰频段范围，同时考虑避免工频干扰影响，本文选择0.1—10 Hz为交流观测工作频率． 为尽量完整恢复采样信号，实际应用中应保证采样频率为信号频率的5—10倍，因此采样频率应在50 Hz以上． 根据我国地电阻率观测规范(中国地震局，2009)要求，供电电极的单电极接地电阻不应大于30 Ω，因此供电电源的负载能力至少为60 Ω. 以交流稳流电源供电电流为2.5 A估算，利用功率计算公式P=I2R可以计算出交流稳流电源的供电功率应不小于375 W. 此外，考虑到目前部分地电阻率观测台站的场地干扰较大，对交流信号源的功率要求应不小于400 W． 通过数值模拟仿真频率稳定度对信号检测结果的影响，得到信号检测相对误差结果随频率抖动增大而增大，当频率抖动不超过0.04 Hz时，信号检测的相对误差在不同采样时间和不同信号频率下均小于0.3%，可以满足地电阻率测量的要求． 综上所述，地电阻率交流观测系统的主要技术指标列于表 1．
表 1 地电阻率交流观测系统技术指标Table 1. Technical indicators of AC geo-electrical resistivity observation system测量主机 稳流电流 采样率/Hz 测量误差/(Ω·m-1) 频带范围/Hz 输出功率/W 供电电流/A 频率抖动/Hz ≥50 0.1%读数+0.02 0.1—10 ≥400 ≥2.5 ＜0.04 基于以上技术指标分析设计的地电阻率交流观测系统如图 1所示． 该观测系统分为控制模块和数据采集模块，采用精简指令集计算机(Acorn RISC Machine，简写为ARM)+现场可编程门阵列(field-programmable gate array，简写为FPGA)结构设计. 其中，控制模块基于ARM构建，负责控制整个系统的协调工作，接收来自数据采集模块的数据，并处理计算得到地电阻率值； 数据采集模块基于FPGA构建，其功能主要包括两个方面，其一为接收来自控制模块的指令，并根据指令控制采集过程，其二为实现采集数据的数字滤波、 降采样等数据处理工作，将处理后的数据传输至ARM控制模块． 数据采集分为电压测量和电流测量两个通道，其中电压通道直接测量来自测量极MN的人工电位差，电流通道则通过测量标准电阻上的电压实现对供电电流的测量； 两个测量通道均通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，简写为SPI)总线与FPGA连接，实现供电电流与人工电位差的同步采集．
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图 1 地电阻率交流观测系统框图Figure 1. Block diagram of AC geo-electrical resistivity observation system为了验证地电阻率交流观测系统对地铁干扰的抑制能力，本文选择受地铁干扰比较严重的江苏省江宁台开展初步对比观测试验． 图 2a和2b分别给出了2014年10月13—14日场地干扰测试时域和频域分析曲线，噪声幅度和信噪比计算结果列于表 2． 夜间地铁停运时(23—5时)南北向和东西向信噪比分别为4.16 dB和30.81 dB，地铁运行时(5—22时)南北向和东西向信噪比分别降低了33.87 dB和32.92 dB，可见地铁运行导致信噪比大幅度降低，并使观测数据精度降低，干扰信号周期主要集中在100—300 s．
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图 2 2014年10月13—14日江宁台干扰时域(a)和频域(b)分析,图中纵坐标UNS和UEW分别代表南北、 东西方向的噪声幅度Figure 2. Interference analysis of Jiangning station during 13--14 October 2014 in time domain(a)and frequency domain(b). UNS and UEW represent the noise amplitude in N--S and E--W directions表 2 江宁台观测场地噪声幅度及信噪比计算Table 2. Noise amplitude and SNR of Jiangning station观测时段 噪声信号幅度/mV 人工供电电位差/mV 信噪比/dB 南北测向 东西测向 南北测向 东西测向 南北测向 东西测向 23:00—5:00 0.576 2.104 93 73 44.16 30.81 5:00—22:00 28.43 93.11 93 73 10.29 -2.11 采用现有地电阻率观测装置开展交、 直流观测方法的对比观测试验，2014年底完成地电阻率交流观测系统的架设，试验选取0.1，0.3，1，3，10 Hz共5个频点进行观测． 图 3给出了2014年11月—2015年7月1 Hz交流频率观测结果与直流观测结果的对比分析曲线，图中数据已进行预处理，直流观测方差太大而导致计算溢出的数据已剔除． 可以看出： 原有直流观测系统南北测向的地电阻率值在124—130 Ω·m范围内变化，最大方差约为11 Ω·m； 而东西测向测量电极离地铁轨道较南北测向更近(仅为3 km)，其地电阻率值在95—110 Ω·m范围内变化，方差变化幅度更大． 由图 3还可以看出，采用改进交流观测方法所获取的地电阻率观测值比较稳定，南北测向地电阻率值在126—128 Ω·m范围内变化，方差小于1.5 Ω·m，东西测向地电阻率值在100—101 Ω·m范围内变化，方差小于2 Ω·m，因此，与同场地直流观测结果(黑色曲线)对比，交流观测结果(红色曲线)的观测方差明显减小．
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图 3 2014年11月—2015年7月1 Hz交流观测与直流观测结果对比(a)南北测向地电阻率ρNS和均方根误差σNS;(b)东西测向地电阻率ρEW和均方根误差σEWFigure 3. Comparison of geo-resistivity by DC observation with that by 1 Hz AC observations from November of 2014 to July of 2015(a)Curves of geo-resistivity ρNS in NS direction and its RMS error σNS; (b)Curves of geo-resistivity ρEW in EW direction and its RMS error σEW针对目前存在的地电阻率台站受地铁干扰的问题，采用交流观测方法可以有效地抑制地铁运营等各种杂散电流的影响，为地电阻率观测技术的发展提供了一种新的途径． 随着地电阻率交流观测方法的深入研究和观测系统的稳定，可以预期该方法能够弥补目前直流地电阻率观测系统抗地铁干扰能力的不足，减少因经济发展和人文干扰增加而造成的地电阻率台站被迫搬迁和重建，从而保障台站产出连续、 稳定的地电阻率观测数据．
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图 1 地电阻率交流观测系统框图
Figure 1. Block diagram of AC geo-electrical resistivity observation system
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图 2 2014年10月13—14日江宁台干扰时域(a)和频域(b)分析,图中纵坐标UNS和UEW分别代表南北、 东西方向的噪声幅度
Figure 2. Interference analysis of Jiangning station during 13--14 October 2014 in time domain(a)and frequency domain(b). UNS and UEW represent the noise amplitude in N--S and E--W directions
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图 3 2014年11月—2015年7月1 Hz交流观测与直流观测结果对比
(a)南北测向地电阻率ρNS和均方根误差σNS;(b)东西测向地电阻率ρEW和均方根误差σEW
Figure 3. Comparison of geo-resistivity by DC observation with that by 1 Hz AC observations from November of 2014 to July of 2015
(a)Curves of geo-resistivity ρNS in NS direction and its RMS error σNS; (b)Curves of geo-resistivity ρEW in EW direction and its RMS error σEW
表 1 地电阻率交流观测系统技术指标
Table 1 Technical indicators of AC geo-electrical resistivity observation system
测量主机 稳流电流 采样率/Hz 测量误差/(Ω·m-1) 频带范围/Hz 输出功率/W 供电电流/A 频率抖动/Hz ≥50 0.1%读数+0.02 0.1—10 ≥400 ≥2.5 ＜0.04 
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表 2 江宁台观测场地噪声幅度及信噪比计算
Table 2 Noise amplitude and SNR of Jiangning station
观测时段 噪声信号幅度/mV 人工供电电位差/mV 信噪比/dB 南北测向 东西测向 南北测向 东西测向 南北测向 东西测向 23:00—5:00 0.576 2.104 93 73 44.16 30.81 5:00—22:00 28.43 93.11 93 73 10.29 -2.11
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