地電阻率觀測(cè)精度探究范文
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《防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)》2016年第3期
摘要:
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地電阻率的觀測(cè)環(huán)境受到各種干擾，其中采用直流牽引技術(shù)的城市軌道交通干擾尤為嚴(yán)重，致使一些地電阻率觀測(cè)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)無法滿足規(guī)范要求，部分臺(tái)站因此被迫搬遷。進(jìn)一步改善觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量模式，提高其觀測(cè)精度勢(shì)在必行。通過多種方法實(shí)驗(yàn)，提出了一些抗干擾措施，達(dá)到了提高觀測(cè)精度的目的，為進(jìn)一步提升地電阻率觀測(cè)質(zhì)量做了技術(shù)鋪墊。
關(guān)鍵詞:
地電觀測(cè);地鐵干擾;噪聲水平;觀測(cè)精度;高階差分
0引言
在大地視電阻率觀測(cè)中，因測(cè)量線路長(zhǎng)、測(cè)區(qū)占地大，外界的電磁干擾、工業(yè)離散電流、地電場(chǎng)的自然變化，以及觀測(cè)系統(tǒng)本身的問題，比如測(cè)量電極極化不穩(wěn)定、線路漏電等，使得被測(cè)信號(hào)中夾雜著的大量的干擾［1－3］。多年來，從事地電觀測(cè)與研究的人員針對(duì)觀測(cè)中的干擾以及提高觀測(cè)精度做了大量的工作，如趙家騮等提出的正反向供電技術(shù)［4］、張世中等提出的采用變周期供電測(cè)量方法［5］等，對(duì)于地電測(cè)量中的一些穩(wěn)定干擾，如高頻干擾、交流工頻的共模和串模干擾等有了特殊的抑制能力，但對(duì)于干擾中變化較慢且無規(guī)律的部分抑制效果尚欠佳。筆者通過大量實(shí)驗(yàn)研究，提出了一些抗干擾措施，對(duì)于提高地電阻率測(cè)量觀測(cè)精度有一定的作用。
1現(xiàn)狀
天津市地震局共有地電阻率觀測(cè)臺(tái)站4個(gè)，由于城市建設(shè)的不斷發(fā)展，臺(tái)站周邊的觀測(cè)場(chǎng)地遭受到了不同程度的破壞，盡管采取了一定的遏制措施，但不能杜絕建設(shè)行為的影響，尤其是地鐵、輕軌等直流牽引技術(shù)的軌道交通建設(shè)，盡管距離臺(tái)站較遠(yuǎn)，但其干擾嚴(yán)重影響地電阻率觀測(cè)，致使其觀測(cè)精度不斷下降［6］。目前天津市正式運(yùn)營(yíng)的有輕軌線路1條，地鐵線路4條，仍有地鐵在建線路進(jìn)行施工，天津市軌道交通建設(shè)及開始運(yùn)營(yíng)時(shí)間如下:①輕軌，2003年12月1日至12月10日試通車，2004年3月28日正式運(yùn)營(yíng)。②地鐵九號(hào)線，2003年9月30日建成通車，2004年3月28日開始試運(yùn)營(yíng)。③地鐵一號(hào)線，2005年12月28日建成通車，2006年6月12日開始試運(yùn)營(yíng)。④地鐵二號(hào)線，2012年7月1日東西分段試運(yùn)營(yíng)(西段為曹莊－東南角區(qū)間，東段為天津站－空港經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)間)，于2013年8月28日開通全線試運(yùn)營(yíng)。⑤地鐵三號(hào)線，2012年10月1日，小淀－高新區(qū)區(qū)間開通試運(yùn)營(yíng)，2013年12月28日，高新區(qū)－南站區(qū)間開通試運(yùn)營(yíng)。表1為天津局4個(gè)地電阻率臺(tái)站與市內(nèi)地鐵的相對(duì)位置與距離。如圖1所示:輕軌、地鐵運(yùn)行后，地電阻率臺(tái)站的觀測(cè)均方差開始變大，塘沽、青光臺(tái)地電觀測(cè)受影響最大，觀測(cè)精度嚴(yán)重下降，寶坻、徐莊子臺(tái)因距離較遠(yuǎn)，干擾較小，但從日均方差看仍有干擾存在。
2干擾測(cè)試
2014年5月選擇了寶坻地震臺(tái)和青光地震臺(tái)2個(gè)受地鐵干擾最為嚴(yán)重的臺(tái)站進(jìn)行了干擾測(cè)試，測(cè)試時(shí)間約為24h。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，總結(jié)了平靜期(地鐵停運(yùn)期間)和干擾期(地鐵運(yùn)行期間)臺(tái)站場(chǎng)地干擾信號(hào)幅度、人工供電電位差和信噪比的情況。
2.1寶坻臺(tái)干擾測(cè)試
寶坻臺(tái)背景噪聲，平靜期(0～5時(shí))NS測(cè)向噪聲幅度為0.52mV，EW測(cè)向噪聲幅度為0.43mV;干擾期(6～23時(shí))NS測(cè)向噪聲幅度為3.23mV，EW測(cè)向噪聲幅度為1.9mV。人工供電電位差南北和東西方向均為41mV，平靜期內(nèi)的信噪比NS向?yàn)?8dB左右，EW向?yàn)?0dB，干擾期內(nèi)的信噪比NS向?yàn)?2dB，EW向?yàn)?7dB，平靜期觀測(cè)比干擾期觀測(cè)NS向和EW向的信噪比分別降低了16dB和13dB左右。圖3～4為寶坻臺(tái)平靜期和干擾期頻域分析結(jié)果。可以看出在平靜期低頻段沒有明顯干擾，干擾期有明顯干擾，主要干擾信號(hào)周期在130～180s之間。
2.2青光臺(tái)干擾測(cè)試
青光臺(tái)背景噪聲，平靜期(0～5時(shí))NS測(cè)向噪聲幅度為0.49mV，EW測(cè)向噪聲幅度為1.28mV;干擾期(6～23時(shí))NS測(cè)向噪聲幅度為21.87mV，EW測(cè)向噪聲幅度為13.27mV。其人工供電電位差NS和EW方向大約為9mV左右，平靜期內(nèi)的信噪比NS為25dB左右，EW方向?yàn)?7dB，干擾期內(nèi)的信噪比NS方向?yàn)椋?dB，EW方向?yàn)椋?dB，平靜期觀測(cè)比干擾期觀測(cè)分別降低了33dB和20dB左右。圖6～7為青光臺(tái)平靜期和干擾期頻域分析結(jié)果。可以看出在平靜期低頻段沒有明顯干擾，當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行期內(nèi)可見有明顯干擾，主要干擾信號(hào)周期在117～166s之間，在EW方向還有一個(gè)周期為69s左右的干擾信號(hào)。
3提高觀測(cè)精度方法
3.1以往研究成果
3.1.1雙向供電技術(shù)
趙象騮等用公式及實(shí)驗(yàn)證明了正反向供電觀測(cè)方法應(yīng)用于視電阻率觀測(cè)優(yōu)于單方向供電觀測(cè)方法;在供電電流不變時(shí)正反向供電觀測(cè)方法的信噪比比單方向供電的信噪比大一倍，而且對(duì)長(zhǎng)周期干擾的抑制作用增強(qiáng)［4］。目前全國所用的測(cè)量?jī)x器均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)正反向供電，觀測(cè)精度基本一致。
3.1.2采用變周期供電測(cè)量
張世中等提出了一種消除地電阻率觀測(cè)中隨機(jī)誤差的新方法，這種方法采用有限長(zhǎng)的偽隨機(jī)碼來控制正反向供電周期，是針對(duì)等周期正反向供電法對(duì)和測(cè)量周期接近的干擾信號(hào)抑制能力差而所作的改進(jìn)。其在實(shí)驗(yàn)室固定干擾源實(shí)測(cè)中，等周期測(cè)量20次，測(cè)量地電阻率相對(duì)誤差為49.28%;變周期測(cè)量20次，測(cè)量地電阻率相對(duì)誤差為15.18%，結(jié)果表明采取變周期供電測(cè)量法可減少測(cè)量的隨機(jī)誤差。若進(jìn)一步增加測(cè)量組數(shù)，同樣會(huì)加長(zhǎng)儀器的工作時(shí)間，所以采用觀測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)有的偽隨機(jī)供電方式，其抑制效果并不比增加測(cè)量組數(shù)方法更好［5］。
3.2增加觀測(cè)次數(shù)
根據(jù)減小誤差的方法，增加測(cè)量次數(shù)對(duì)于減小誤差有很好的效果，可以提高觀測(cè)精度。我們?cè)趯氎媾_(tái)進(jìn)行了測(cè)試，兩方向分別供電15次，進(jìn)行讀取供電電位差的測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)觀測(cè)次數(shù)分別為5次、10次、15次記錄的ΔV進(jìn)行計(jì)算，所得的均方差數(shù)據(jù)不但未提高，反而有所降低，說明對(duì)于固定頻率的干擾，增加觀測(cè)次數(shù)并不能有效提高觀測(cè)精度，這與張世中等“增加采樣個(gè)數(shù)，不能減小方差”［7］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
3.3提高供電電流
根據(jù)信噪比公式:SN=20lgVMNVMN(dB)(1)式中，VMN供為測(cè)量極上測(cè)得的由供電產(chǎn)生的人工電位差，VMN擾為測(cè)量極上測(cè)得的背景擾動(dòng)電壓幅度。通過提高觀測(cè)供電電流，可以加大人工電位差VMN供，因VMN擾是固定的，所以對(duì)提高精度有一定作用。從實(shí)驗(yàn)可以看出(表5)，供電電流2.5A比2A的精度提高10%左右，3A與2.5A間的變化不大，說明當(dāng)供電電流提高到一定程度，觀測(cè)精度不會(huì)無限制提高。
3.4采用高階差分處理
差分法實(shí)際上是微分的離散形式，一階差分就是離散函數(shù)中相鄰兩項(xiàng)之差，二階差分就是一階差分后所得新離散函數(shù)的一階差分，高階差分就是對(duì)序列做連續(xù)多次的差分運(yùn)算。導(dǎo)數(shù)是研究連續(xù)函數(shù)單調(diào)性和最值性的重要工具，同樣差分法也是研究離散函數(shù)(數(shù)列)單調(diào)性和最值性的有效方法。四階差分是地面高精度磁測(cè)的一種統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法。它通過計(jì)算測(cè)線上每個(gè)測(cè)點(diǎn)及其前后各兩個(gè)點(diǎn)的四階差分值，與全線各點(diǎn)四階差分平均值的均方差，作為檢驗(yàn)觀測(cè)質(zhì)量的依據(jù)，它代表觀測(cè)儀器的噪聲水平［8］。表6為通過地電儀器采集的正反向供電電位差，經(jīng)過不同階數(shù)差分計(jì)算得到的均方差結(jié)果，在平靜時(shí)段所得到的各階差分結(jié)果的均方差變化不大，在干擾時(shí)段的結(jié)果經(jīng)過不同階數(shù)差分后得到的數(shù)據(jù)均方差有明顯提高。通過重寫儀器內(nèi)部測(cè)量程序芯片，在儀器內(nèi)存中將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行多階差分后作為供電電位差計(jì)算地電阻率，可以有效消除低頻干擾。2015年6月18日在青光地震臺(tái)進(jìn)行的更改儀器程序工作，對(duì)測(cè)量的人工電位差進(jìn)行多階差分處理后再進(jìn)行電阻率計(jì)算，得到的各小時(shí)均方差明顯降低，取得了很好的效果(圖8)。
4結(jié)論
截至2015年底，全國有20座城市已有或在建地鐵，21座城市已獲批建設(shè)地鐵。城市有軌直流運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)地震前兆地電阻率觀測(cè)臺(tái)站不可避免地會(huì)造成影響?！兜卣鹋_(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求(第2部分):電磁觀測(cè)》(GB/T19531.2—2004)［9］明確指出:城市有軌直流運(yùn)輸系統(tǒng)軌道與地電阻率觀測(cè)場(chǎng)地中心的距離應(yīng)不小于30km。從作者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，距離市內(nèi)地鐵50km外的寶坻臺(tái)仍可記錄到地鐵干擾。除了被動(dòng)搬遷和重建外，進(jìn)一步改進(jìn)地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)，提升其抗干擾能力，是地電科技工作者的當(dāng)務(wù)之急［3］。本文選擇受城市軌道交通干擾嚴(yán)重的青光地震臺(tái)和距離較遠(yuǎn)的寶坻地震臺(tái)作為測(cè)試分析對(duì)象，對(duì)觀測(cè)的干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT和功率譜處理，得出了城市軌道交通運(yùn)行時(shí)的干擾能量集中在110～180s之間，同時(shí)進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:
(1)地鐵運(yùn)行期間，距離50km外的地電臺(tái)站仍可記錄到運(yùn)行干擾。
(2)單純的增加觀測(cè)次數(shù)不能有效抑制地鐵干擾。
(3)增強(qiáng)供電電流可以有效提高信噪比，從而提高觀測(cè)精度，但礙于供電電源制作技術(shù)，供電電流受到限制。
(4)重新編制儀器內(nèi)部工作程序，采用高階差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法，可以有效提高數(shù)據(jù)觀測(cè)精度，是目前不改變觀測(cè)系統(tǒng)情況下最有效的提高觀測(cè)精度方法。致謝:本文在實(shí)驗(yàn)過程中得到了中國地震局分析預(yù)報(bào)中心趙家騮老師、中國地震局地殼應(yīng)力研究所王蘭煒老師的大力支持與幫助，在此深表感謝。
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作者:陳嵩 李旭東 陳志剛 王寶鎖 李穎楠 程立康 胡嵩 單位:天津市地震局