磁通门磁力仪室外观测研制

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引言

地磁观测是地磁学科研究和发展的基础，是人们获得和应用地磁场信息的来源．地磁观测的任务是保证连续完整、准确可靠地记录各种地磁现象，即地磁场的各种时间变化和空间分布规律，包括变化量极小和区域性极强的震磁信息（中国地震局监测预报司，2002）．为了监测大背景的地磁场变化规律，我国建立了常规的地磁台网，但相对于地震地磁前兆异常监测工作的需要来说台站间距太大．因此，在小区域内建设地磁台阵，加密布设高灵敏度三分量磁通门磁力仪以监测地震危险区的地磁场变化，及时发现地震地磁前兆异常，为准确预报地震的发生提供基础信息，对实现地震的短临预测是非常必要的．因地磁台阵建设和维护相对方便，并且监测能力强，从而获得区域地区内电离层、亚暴电流及甚低频磁场基本信息的高质量观测数据，因此世界各国纷纷开展台阵观测技术（Mannetal，2004；Mattiaetal，2010；许建华等，2006）．本文详细阐述了磁通门磁力仪野外台阵观测系统的各组成部分，包括适用于野外流动观测的仪器研制、现场无线组网技术、观测数据与前兆观测台网有效接入及野外观测试验等．

1适用于野外流动观测的仪器研制

1．1磁通门传感器设计磁通门磁力仪用于测量地磁场水平、垂直和偏角3个方向的相对变化量，是一种基于磁芯材料的非线性磁化效应的地磁相对记录仪器．在交变激励信号的磁化作用下，磁芯的导磁特性发生周期性的饱和与非饱和变化，从而使缠绕在磁芯上的感应线圈感应输出与外磁场成正比的调制信号．通过特定的检测装置，提取被测外磁场信息（刘士杰等，1990；Austeretal，2008）．研制的磁通门传感器采用环型结构，由磁芯、激励线圈、感应线圈和反馈线圈组成．作为敏感元件的环型磁芯是在高塑性、较高持久蠕变强度的GH128合金骨架上缠绕的1J86坡莫合金薄带，然后经高温退磁处理后形成的．传感器的感应线圈输出感应信号经放大后，与2倍于激励信号频率的参考信号进行相位检波，并经积分处理后，变成准直流电压信号．该直流电压信号通过反馈电阻再反馈到传感器的反馈线圈中，产生与被测场相反的磁场，从而构成负反馈网络．补偿电流源是用来产生一定量值的人工磁场，以补偿抵消绝大部分地磁场的基本量，使传感器工作在零场附近，提高仪器的测量灵敏度．综合考虑野外观测环境的特殊性，在现有技术水平的支持下，对仪器野外环境适应性能、制作工艺等做相应的改进．对仪器的电源、密封性、可靠性等方面进行完善，使其具有低功耗、便携式、操作简单、安装方便等优点，并加强防潮、防雨淋、抗振等工艺设计．

1．2主机网络化通信功能实现随着计算机、通信和网络技术的飞速发展，采用网络通信组建我国的地震观测网络也是必然的．网络通信具有速度快、容量大、互联简捷等优点，已经成为一种趋势．因此，这就要求地震观测设备必须具有基于以太网接口的网络化通信功能，通过互联网来传输监控命令，实现远程计算机与观测仪器之间的数据交换（王兰炜，赵家骝，2008）．磁通门磁力仪的主机具备网络通信功能，软件设计主要包括软件平台设计、应用软件设计和设备网页设计．1）软件平台设计．为了使磁通门磁力仪的软件开发具有通用的操作系统平台，研究Linux操作系统的内核构成，并完成优化精简，仅保留嵌入式系统所需的功能支持模块，删除不需要的功能模块，重新进行编译．选择BusyBox作为Linux和应用程序交换的Shell功能，建立系统启动引导程序，并将裁剪编译完毕的操作系统移植到CPU模块内，配置相关服务软件模块，使用户能够基于通用操作系统和高级编程语言设计网页和应用软件．2）应用软件设计．在通用软件平台上设计仪器应用软件，包括驱动程序设计，实现在多任务操作系统下的数据采集、时间服务、端口信息监听等进程．为了减小CPU模块的内存开销，设计中不直接采用诸如Apathe等现有的网络服务软件，而采用JAVA语言设计通信服务程序，通过监听通信端口命令信息，响应数据传输、状态信息提取、仪器操作控制等功能．3）设备网页设计．采用JAVA编程语言，设计设备网页．考虑到仪器嵌入式CPU模块的内存和主频开销，设计中尽可能简化软件流程，压缩图片占用的资源．设备网页分两级，即主页和各个功能级页面，包括基本信息页面、状态显示页面、控制操作页面和数据下载页面．设计中，充分考虑到指令方式与网页方式的兼容性，包括监听端口、服务响应协议等．

1．3模拟装置与主机整合根据野外流动观测的实际需求，观测仪器应具有低消耗、体积小、重量轻、移动方便、适应环境能力强的优点．磁通门磁力仪广泛应用于地磁观测台站的相对记录，因地磁台站拥有较好的观测环境，对于仪器的功耗、防潮、防雨淋、抗振等性能并未提出较高的要求．针对野外观测的特殊性，对磁通门磁力仪的模拟装置和主机进行了整合，使其安置在同一个密封的机壳内，这样即安装简易，也携带方便．同时对仪器的机壳设计、各种插头、插座提出密封、防潮、防雨淋、抗振工艺设计，并要求仪器的观测环境短时间沁水，不影响仪器的正常工作．在探头、主机的机壳交接处，采用硅胶垫和硅胶‘O’型圈进行密封；各种插头、插座均采用航天部生产的航空接插件．图1为磁通门磁力仪整机结构示意图．

2现场无线组网技术

无线组网技术具有布线简单、组网灵活等特点，适用于野外流动观测，在地震设备远程监控、数据采集、应急通信等方面发挥巨大的作用，因而成为解决野外流动观测的现场组网的合理方案．磁通门磁力仪台阵按照一定间距分布，数量众多，利用无线组网先进的通信技术，将来自台阵采集点的大量数据实时可靠地传送到监控中心，从而实现对野外流动观测设备的通信接入、自动识别、监控管理、数据汇集等功能，并且提高服务质量．

2．1基于CDMA无线通讯的VPN网络CDMA无线路由器InRouter上电后利用CDMA无线网络自动拨号到Internet网络，并向监控中心的VPNRouter发起VPN连接．当中心端路由器通过认证检测后，VPN隧道会自动建立成功．此时无线路由端与中心端建立起网络连接．此时的设备通过远端的无线路由器即可与中心端进行网络通讯．图2为无线网络物理拓扑图．

2．2无线组网技术要点磁通门磁力仪台阵观测的场地不确定性，以及观测设备数量的不确定性，一致要求采用更为灵活的无线组网方式来进行设备的管理、注册和数据汇集．基于上述的无线通讯方式，图3给出了设备无线组网系统物理拓扑图．观测设备通过无线网络与监控中心管理节点进行网络连接，在管理节点部署网络管理服务器、应用管理服务器、Web服务器与相关的数据库服务等．其中：网络管理服务器．主要部署网络管理所需要的基本功能和数据收集，以及告警和阀值信息，包括仪器注册模块、数据采集模块等．应用管理服务器．主要部署系统的其它应用功能模块，包括安全与日志管理模块、数据管理模块、告警处理模块等．Web服务器．主要部署系统的上层应用模块，负责对用户交互、显示拓扑信息的功能，包括拓扑图的生成模块、观测数据的显示模块、故障处理的设定模块等．业务数据库服务器．主要部署系统中仪器数据采集所获得数据的数据库，包括仪器发现数据库、数据采集数据库、告警数据库等．系统数据库服务器．主要部署上层应用和用户管理信息所需数据库，包括用户管理数据库、仪器接入数据库等．

3野外观测试验

该试验系统分别在北京白家疃国家地球物理观象台、天津静海地震台、山东乳山等地架设，进行仪器野外适应性、长期稳定性等性能测试．分别在甘肃天祝、四川西昌、新疆喀什等地架设多台仪器组成地磁观测台阵进行野外观测试验，从而获取局部加密地区的地磁场数据，开展地磁观测数据的分析处理，探索地震活动性与地磁场变化的关系等；在江苏南京架设多台仪器构成具有一定间距差的台阵，从而识别地磁观测异常干扰源．

3．1测点布局设计与架设等间距密集布设的地磁台阵有利于监测地震异常电磁信号，并借此推断出可能的震中分布范围和震级大小．实际的观测点位置还需要综合考虑当地的观测环境，仪器安装场地条件，通讯和供电条件，以及断层的分布和走向等．测点观测环境应符合下列技术要求：1）短周期磁骚扰的强度不应大于2nT．2）除高压直流输电类磁骚扰外，在当地地方时午夜时段的事件型磁骚扰和短周期磁骚扰的强度应小于0．1nT．3）观测场地要求10m×10m范围内地磁场总强度F分布均匀，且水平梯度ΔFH≤5nT／m．磁通门磁力仪测点观测设施由探头室和主机室构成．探头室放置磁通门磁力仪探头，主机室放置仪器主机，两者直线距离3—5m．探头室建1个观测墩，用于平置探头．深埋探头观测墩（或基岩凿平作为观测墩）；探头置于观测墩，采用防护罩进行防潮、防尘保护；采用弱磁性土质填埋或覆盖探头室，使之达到温度保护目的（日变化小于2℃）．若埋设在地下，则探头顶部位置应在冻土层下20cm；探头与主机的信号电缆采用地埋套管防护的形式．主机经防潮防尘保护后埋设在观测点冻土层下20cm，主机防护罩材料无特殊要求，规格视主机大小及供电设备尺寸制作．若具备放置仪器主机的观测用房条件，可将仪器主机直接放置在观测房内．为了适应野外环境，试验采用太阳能板供电，维持仪器正常运行的供电需求，以达到提高野外适应性能的测试要求，使野外流动仪器可以在无市电供应的条件下尽可能地长时间运行，同时减少了蓄电池的大量应用，做到便携、节能、环保．

3．2观测数据与前兆观测台网有效接入磁通门磁力仪台阵的无线组网中心作为一级区域中心进行注册，此功能需要与前兆数据管理系统的各种接口进行连接，主要涉及节点管理接口、数据交换接口和系统监控接口等．测点与前兆观测台网接入后所实现的功能包括节点注册．对节点的管理实现4级节点间的连接和数据同步，包括节点注册、节点审批、节点删除、台站配置、仪器配置和节点拓扑等功能；数据交换完成无线组网中心与国家中心和学科中心的所有信息和数据的交换，实现数据交换过程一致性检查和错误警示，自动重复交换；设备监控实现对各种仪器远程控制、参数配置和事件监控和告警，查看观测设备的实时数据波形，监视设备日志和状态信息，并显示核心应用服务器的运行状态，应用软件运行状况采集与显示，以及对应用软件故障监视与报警等．

3．3原始观测数据本次试验在中国地震局地球物理研究所搭建了一台台阵中心服务器，安装了中国地震前兆管理系统台阵版．观测设备通过无线网络技术接入地震行业专网，利用台阵中心服务器每天实时接收数据，并监控仪器运行状态．台阵中心服务器连接到国家前兆台网中心，数据每天向国家前兆台网中心同步发送，并通过国家前兆台网中心分发到地磁学科中心，每天由地磁学科中心对仪器数据质量进行综合评价．图4，5，6分别给出了甘肃天祝台阵的寺滩、芦阳和松山3个测点1天的原始观测数据曲线．

4讨论与结论

磁通门磁力仪台阵系统是针对野外观测的特殊性而设计的，仪器野外环境适应性能的改进与完善，以及包括通讯连接、传输协议、接入前兆观测台网管理等功能的无线组网技术实现，从而实现对野外流动观测设备的通信接入、自动识别、监控管理、数据汇集等组网功能．依据地磁场的时间、空间分布的特征，架设等间距密集布设的地磁台阵，经过一段时间的运行，获得了大量的地磁原始观测数据，初步验证了该技术的可行性．该系统的研制成功使得今后开展野外地磁短周期观测台阵工作成为可能．而该观测系统在观测运行期间，由于观测场地、供电、通信条件等种种技术原因出现了观测中断，将是今后需要进一步完善的主要工作．