2、感应式低频地磁场扰动观测仪比测技术规范-编写说明

中华人民共和国国家计量技术规范感应式低频地磁场扰动观测仪比测技术规范编写说明归口单位：全国地震专用计量测试技术委员会主要起草单位：浙江省地震局上海市地震局江苏省地震局2024年9月任务来源、计划编号等基本情况针对我国数字地震电磁扰动（过去称地震电磁波）观测与预报工作存在仪器没有统一技术要求和观测信息不全失真不可靠、异常甄别难预报效能低、不是正式观测项目和无国家财政支撑的局面，2015-2023年历时9年，中国地震局监测预报司持续组织近20人的项目组组，持续开展了我国地震电磁扰动观测与分析的标准化建设工作（以下简称“标准化建设”），通过一系列的室内外实验和验证以及预报效能检验，分别获得了地震地电场扰动观测仪器和地震地磁场扰动观测仪器各三个标准初稿：《仪器技术要求》、《室内检测规程》和《野外长期稳定性比测规程》。这些标准初稿的重要关键参数经受了监测领域的室内外实际检验验证、以及预报领域的地震异常实际检验，具有坚实的实验基础。2023年8月25日，地震专用电磁扰动观测仪的进网技术要求编制获地震行业标准立项（中震函[2023]90号），项目名称：地震观测仪器进网技术要求——电磁扰动观测仪，包括了地震地电场扰动仪和地震地磁场扰动观测仪。2023年6月25日，地震专用感应式低频地磁场扰动观测仪校准规范编制获全国地震专用计量测试技术委员会立项，项目编号：MTC37-2023-03，项目名称：《感应式低频地磁场扰动观测仪校准规范》。2023年6月25日，地震专用感应式低频地磁场扰动观测仪比测技术规范编制获全国地震专用计量测试技术委员会立项，项目编号：MTC37-2023-05，项目名称：《感应式低频地磁场扰动观测仪比测技术规范》。此次地震领域国家计量技术规范编制是地震电磁扰动监测预报标准化建设工作的最后一个环节，以期将标准化建设工作获得的系列标准初稿升格为国家规范，因此，本次国家规范编制是以标准化建设工作的初稿为蓝本。二、标准编制的背景、目的和意义（一）编制背景我国从1976年唐山地震后逐渐开展了地震电磁扰动（过去称为地震电磁波）观测研究，观测到许多地震异常，并总结了许多震例，在一些地震预报实践中也取得了比较好的效果。自2000年左右开始，随着全国地震监测仪器数字化观测技术的推进，我国地震电磁扰动观测仪器也逐渐实现了数字化，由于采样率高数据量大，为节约数据传输成本，各仪器数据都采用累加、均值、变化幅度和脉冲计数等算法进行了积分或删减，以达到缩小数据量方便低成本传输的目的。随着地震电磁扰动数字化观测技术的推进，我国数字化地震电磁扰动观测仪器观测站点也逐渐增多，一些地区甚至可以组网开展异常的时空特征分析，据统计，到2014年左右，我国数字地震电磁扰动观测站点达200多个。但是，自2000年左右开始，震前发现和提出的地震电磁扰动异常数量逐渐下降，异常的可靠性也常常无法确定。为此，中国地震局监测预报司于2014年9月，组织中国地震局电磁分析预报技术管理组冯志生研究员等，对我国数字地震电磁扰动观测与分析预报工作开展调研。调研工作包括：地震电磁扰动异常信号产生和传播机理、国内外仪器现状、异常分析提取方法、地震预报效能调研。调研发现，全国建立了大约200多个地震电磁扰动观测台站，观测频段主要为0.01～20Hz，采用感应式磁力仪观测磁场信号，采用埋地电极方式观测电场信号，采用数字记录方式记录观测数据。调研发现的一些问题与以往调查有类似，主要关键问题有4条：（1）观测分量不齐全，无法完整描述观测信息。地电场扰动仪只观测二个水平分量，地磁场扰动仪一般也仅观测二个水平分量或垂直分量磁场，只有极少数同时观测磁场的三个分量。由于该频段电磁信号为近场区信号，基于电磁场理论需要三个分量才能描述磁场的完整信息。因此，我国地震电磁扰动观测面临分量不齐全，观测信息残缺的局面。（2）没有频响曲线，观测信号失真。几乎所有观测仪器都没有频响曲线，也没有现场标定装置，或有标定装置但未使用或不可用。由于未使用频响曲线对观测数据进行校正，加之各仪器观测频段不统一，导致仪器之间的观测数据不具有可比性。由于未进行现场标定，甚至同一厂家同一型号仪器观测结果都不具有可比性，造成观测信号失真，进而导致仪器性能长期稳定性无法评估。（3）高采样数据被“积分”或“删减”，地震前兆信息丢失严重。100Hz或50Hz等高采样数据被采用累积、均值、变化幅度和脉冲频次等算法“积分”或“删减”为分钟值，高频成分的磁场扰动现象无法被记录，导致严重的地震前兆信息丢失。加之各生产商“积分”或“删减”采样算法不统一，使得不同厂家仪器的观测结果不具有可比性。（4）观测资料的差异化和残缺不全，为地震电磁异常信号的甄别带来了巨大的困难，严重降低了预报效能。地震电磁信号的产生和传播有其严谨的理论基础，如果观测信号具备一致性且分量齐全，分析人员可以基于电磁场理论，获得信号产生的位置和传播特征，从而甄别出地震电磁信号。但是，由于我国地震电磁扰动观测资料失真且信息不全，研究人员无法确定其发生位置和传播特征，进而无法甄别出地震电磁信号，更无法说清楚异常与地震之间的确切关系。事实上，我国地震电磁扰动观测一直没有仪器进网技术标准，一直没有纳入正式的地震前兆观测项目，无国家财政拨款，现有观测项目的建设和运维都是来自地方财政。这也是地震电磁扰动观测现状的形成原因。（二）编制的目的和意义鉴于我国数字地震电磁扰动观测与分析预报存在的上述问题，我国急需要一套有预报效能的、国家级别的数字地震电磁扰动观测仪器技术标准，以保证仪器性能要求统一、长期稳定可靠，从而确保分析人员可以获得稳定可靠的观测资料，基于电磁信号产生传播理论开展地震异常提取甄别和地震预报工作，并将其纳入正式观测项目，获得稳定的国家财政支持。为此，2015年初，中国地震局监测预报司对我国地震电磁扰动监测预报工作提出了标准化建设的工作目标，并组织中国地震局电磁分析预报技术管理组冯志生研究员等组成项目组开展实施工作，项目组依据中国地震局监测预报司提出的标准化建设工作目标，制定了标准化改进方案并得到监测预报司批准。2015-2023年历时9年，项目组通过改进方案实施，分别获得了地震地电场扰动观测仪和地震地磁场观测仪的三个标准初稿：《仪器技术要求》、《室内检测规程》和《野外长期稳定性比测规程》。这些标准初稿的重要关键参数经受了室内测试和野外长期稳定性比测和验证台阵的检验以及地震预报效能实际检验，具有坚实的实验基础。本项目是地震电磁扰动监测预报标准化建设工作的最后一个环节，旨在将这些标准项目初稿升格为国家行业标准，这些标准初稿为次行业标准编制的蓝本。三、规范编制参与单位感应式低频地磁场扰动观测仪比测技术规范的制定历时时间长，参加单位人员多，主要起草单位有浙江省地震局、上海市地震局、四川省地震局，主要参加单位有云南省地震局和江苏省地震局。四、主要工作过程（一）广泛调研发现问题、提出标准化建设的工作目标、制定改进方案1、调研发现问题中国地震局监测预报司于2014年9月，组织中国地震局电磁分析预报技术管理组冯志生研究员等，对我国数字地震电磁扰动观测与分析预报工作开展调研。调研的具体情况和结论见本说明的《编制背景》部分。2、提出标准化建设的工作目标针对调研发现的问题，2015年初，中国地震局监测预报司对我国地震电磁扰动观测与预报工作提出了标准化工作目标：制定统一的仪器技术要求，遴选一批符合室内检测要求的仪器，在川滇实验场开展野外对比观测试验，评估不同供应商仪器性能，验证评估仪器的地震异常变化信息提取能力，评估该观测项目进入地震前兆观测网的可能性。3、制定标准化工作的改进方案（四个步骤）随后，中国地震局监测预报司组织中国地震局电磁分析预报技术管理组冯志生研究员等组成项目组，对我国数字地震电磁扰动的观测与分析预报开展标准化建设工作。项目组依据中国地震局监测预报司提出的标准化建设工作目标，制定了标准化建设工作的工作（改进）方案，并于2015年3月20日得到监测预报司批准，改进方案主要包括四个步骤：（1）编制仪器技术要求，统一仪器技术标准，邀请系统内外仪器供应商按统一技术标准改进仪器；（2）编制室内测试大纲，对改进仪器开展第三方室内测试；（3）建设野外比测观测场地，制定野外比测评估大纲，对通过室内检测仪器开展野外长期同步对比观测评估；（4）采用通过野外比测评估的仪器，在川滇地区建设试验台阵，进一步验证仪器性能长期稳定性，以及地震短临异常观测能力。项目组随后依据改进方案开展了以下一系列工作。（二）改进方案四个步骤的实施1、编制仪器《技术要求》，统一仪器技术标准，改进仪器。项目组依据改进方案首先完成了地电场扰动仪器和地磁场扰动仪器的《技术要求》及其说明的编制，经专家论证后于2015年4月23日对外发布，其后邀请系统内外仪器供应商据此开展仪器研制或改进。编制的仪器《技术要求》主要特点有：一是观测频段统一为20Hz-100秒，以便不同仪器观测资料之间的对比；二是必须三分量观测，以便完整描述观测量；三是统一采样频率为100Hz，以保证全波形采样；四是必须有自检信号，以便运行时随时检测仪器性能状态，保证仪器性能的长期稳定性。2、编制《室内测试大纲》，对改进仪器开展第三方室内测试，验证仪器《技术要求》及其《室内测试大纲》的可行性。项目组依据改进方案于2015年11月16日完成《室内测试大纲》编制和专家论证并对外发布。项目组委托中国科学院电子学研究所下属的电磁辐射与探测技术重点实验室为第三方测试单位，于2016年4月-2017年6月陆续完成对6个单位的电磁扰动仪器室内测试，其中：中船重工722所、郑州晶微公司、中科院电子所和江苏地震局的地磁场扰动仪通过室内测试，中船重工722所、郑州晶微公司、中科院电子所和中国地震局地壳所地电场扰动仪通过室内测试。此项工作的完成，初步验证了仪器《技术要求》及其《室内测试大纲》的可行性。3、制定《长期稳定性野外比测评估大纲》，建设野外比测场地，对仪器开展野外长期同步对比观测评估，验证《长期稳定性野外比测评估大纲》的可行性，进一步验证《仪器技术要求》的可行性。本部分工作是在川滇国家地震监测预报实验场项目《三分量全波形采样地震电磁扰动观测技术验证研究》（2016CESE0102）支撑下完成。完成时间：2016年01月－2017年12月。主要包括：（1）在川滇试验场建设了2个地震电磁扰动仪野外对比观测场地，分别为四川崇州地震台和云南洱源地震台。每个场地可供4台电场扰动仪和4台磁场扰动仪同步观测。（2）调研了系统内过往仪器野外比测评估经验和不足，调研了比测评估的理论方法，编制并经多次专家咨询论证通过，获得《地电场扰动仪长期稳定性野外比测评估大纲》《地磁场扰动仪的长期稳定性野外比测评估大纲》。（3）选择了4家仪器供应商，每个供应商分别提供2台电场扰动仪和2台磁场扰动仪在同一场地开展为期6个月以上的同步对比观测（同一供应商仪器相互之间比测）。2个场地各有4台地电场扰动仪器和4台地磁场扰动仪器，共计16台仪器开展了比测。比测期间，仪器每月1日和16日凌晨自检一次，自检数据长期稳定性参加评估。经过评估和论证，一个供应商的磁场扰动仪和三个供应商的电场扰动仪通过比测评估。通过以上工作，验证了《长期稳定性野外比测评估大纲》的可行性，也进一步验证了仪器《技术要求》和《室内测试大纲》的可行性。4、完善仪器《技术要求》、《室内测试大纲》和《长期稳定性野外比测评估大纲》，建设试验台阵，进一步验证仪器性能长期稳定性和地震短临异常观测能力。本部分的主要工作是采用通过野外对比观测评估的仪器，在川滇地区建设由9个站点组成的验证台阵，进一步验证该仪器性能长期稳定性，以及地震短临异常观测能力。计划完成时间：2018年01月－2020年12月，实际完成时间2022年10月。主要包括：（1）根据前期野外对比观测评估工作，2018年6-7月完成了《仪器技术要求》和《室内检测大纲》以及《野外比测评估大纲》的修订完善工作及组织专家论证工作。（2）2018年11月，按完善《仪器技术要求》发布了验证台阵9个站点仪器的采购标书。并规定按《野外比测评估大纲》考核不通过将退货罚款。（3）2019年6月，按完善后的《室内检测大纲》对仪器进行进场验收。（4）2019年11月，按完善后的《野外比测评估大纲》对仪器进行试运行考核验收。主要方法是将仪器三个探头置于同一水平方向连续比测3个月，比测评估满足《野外比测评估大纲》要求后，仪器运行考核通过，否则退货罚款。（5）2022年10月22日，验证台阵通过了中国地震局监测预报司组织的验收。台阵验收意见认为，台阵采用仪器性能长期稳定，符合完善的《技术要求》和《室内外检测大纲》，台阵具有地震短临异常观测能力。验证台阵通过验收，表明完善后的《仪器技术要求》和《室内检测大纲》以及《野外比测评估大纲》经受住了实际观测检验。（三）组织专家对系列标准初稿做最后论证2019年底，依据验证台阵建设经验，完成了仪器《技术要求》、《室内测试大纲》和《长期稳定性野外比测评估大纲》的修订完善和专家论证，分别形成了低频地电场扰动观测仪和感应式低频地磁场扰动观测仪的《技术要求》、《实验室检测规程》和《长期稳定性野外比测规程》的初稿。（四）组织专家评估地震短临异常观测能力本部分主要通过调研地震地磁扰动预测方法，编制软件，采用台阵观测数据，遴选地震预测方法，验证台阵地震短临异常观测能力。本部分工作是整个标准化建设工作的后期，是中国地震局监测预报司依据中国地震局2017年监测预报业务标准化建设工作的新要求提出的，也是整个标准化建设工作终中最艰难的工作。需要基于验证台阵观测资料，采用符合电磁信号产生与传播理论的异常分析甄别方法，提取地震前兆异常，并通过预报效能检验——表明高于随机预报！本部分工作也是项目编制的系列标准初稿能否升格为行业标准的基础。如果不能通过预报效能检验，那么项目编制的系列标准将失去意义。2023年8月14日，基于验证台阵观测资料，采用改进的地震预测方法——基于脉冲幅度的地磁垂直强度极化法通过了中国地震局地震预测研究所组织的清单测试审查，该方法通过了清单测试审查，意味着验证台阵观测资料满足了纳入日常震情跟踪的管理方面的基本要求，也意味着台阵具有观测地震异常的能力，项目编制的系列标准初稿具备升格为行业标准的基础。五、规范的对象和范围《感应式低频地磁场扰动观测仪比测技术规范》规定了感应式低频地磁场扰动观测仪的野外比测条件、比测项目、比测方法和比测证书（报告）。适用于感应式低频地磁场扰动观测仪的设计、生产、入网、使用、维护和质量监督。六、规范编制原则初稿的重要关键参数经受了前期历时9年的标准化过程的室内测试和野外观测和地震预报效能实际检验，具有坚实的实验基础。因此，本次规范编制的原则是以标准化建设工作的初稿为蓝本。七、确定标准主要技术内容的依据和过程1、谱比比测原理二台仪器A和仪器B同场地的同步观测数据来自同一有效信号xt。如不考虑仪器噪声，在频率域内，仪器观测数据yt的频谱Yf、仪器频率响应Rspf和有效信号xt的频谱XYY式中：YAf—比测YBf—比测RspAf—比测RspBf—比测Xf—有效信号xt二台仪器观测数据频谱的比：Y由上式可知，二台仪器观测数据频谱的比等于频率响应的比。因此，可以使用观测数据的频谱比获得当期仪器的频率响应比，从而对频率响应进行评估。在计算谱比之前，首先需对观测数据的频谱进行频率响应校正，然后再计算谱比。观测信号经频率响应校正后的频谱为：XX式中：XAf—频率响应校正后比测XBf—频率响应校正后比测RspA0(f)—比测仪器RspB0(f)—比测仪器B由于仪器频率响应是长期稳定的，可知RspAf=频率响应校正后的谱比可表示为：G式中：Gf—从上式可知，二台仪器间谱比的理论值为1。因此，通过评估谱比值相对理论值1的偏离程度即可评估仪器频率响应长期稳定性。如果二台仪器的频率响应是长期稳定的，其观测数据的谱比也应长期稳定在理论值1附近；反之，如果谱比偏离理论值1，则代表二台仪器或其中之一的频率响应稳定性出现问题。将同步对比观测期间的观测数据分为N段，逐段进行谱比计算，则仪器A与仪器B同步观测数据在频点f的谱比共有N个值G式中：n—计算序号。N—观测数据的总段数，亦即谱比计算总次数。在实际计算过程中，通常将有效频带分为100s-5s、0.2Hz-5Hz、5Hz-10Hz、10Hz-15Hz、15Hz-20Hz共5个子频带，然后针对每个子频带的幅值谱、实部谱或虚部谱分别计算谱比，共获得45N个计算结果。2、谱相关比测原理二台仪器频率响应校正后的频谱分别为XX如果仪器频率响应是稳定的且没有噪声，即RspAf=RspA0X因此校正后的频谱XAf和XBf为同一观测信号设X‘f为观测信号的幅值谱、实部谱或虚部谱，仪器A与仪器B同步观测数据在频率区间f1R式中：XA'—比测XB'—比测仪器将同步对比观测期间的观测数据分为N段，逐段进行谱相关计算，则仪器A与仪器B同步观测数据在频点f的谱相关系数R共有N个值。在实际计算过程中，通常将有效频带分为100s-5s、0.2Hz-5Hz、5Hz-10Hz、10Hz-15Hz、15Hz-20Hz共5个子频带，然后针对每个子频带的幅值谱、实部谱或虚部谱分别计算相关系数，共获得15N个计算结果。最后，根据合格标准（建议合格标准见规范附录D）统计谱比和谱相关系数频带均值的参评项数和合格项数，计算合格率。3、仪器噪声稳定性比测原理同场地二台仪器A和B的同步观测数据的有效信号xt为同一信号。假设仪器噪声为随机白噪声，且两套仪器同步观测数据的仪器噪声互不相关。则观测数据为有效信号和仪器噪声的叠加：xx式中：xt—xAtxBtnAtnBt仪器噪声的自相关功率谱为：PP式中：PnnA—仪器A仪器噪声的PnnB—仪器B仪器噪声的NAfNBf有效信号的自相关功率谱为：P式中：Pxx—有效信号的自相关功率谱Xf—有效信号xt的频仪器观测信号的自相关功率谱为PAAP仪器观测信号的互相关功率谱为:P综上所述，仪器噪声的幅值谱可表示为NN由于仪器具有各自独立的频响特性，计算噪声前还需进行频率响应校正。将对比观测时间对半划分为上半期与下半期，以上半期和下半期仪器噪声频带均值的相对偏差评估仪器噪声长期稳定性。上半期和下半期仪器噪声频带均值的相对偏差为∆式中：Ns—对比观测期间上半期的仪器噪声频带均值NX—对比观测期间下半期的仪器噪声频带均值二台仪器之间噪声的相对偏差为∆式中：NA—对比观测期间仪器A的仪器噪声频带均值NB—对比观测期间仪器B的仪器噪声频带均值理论上，二台仪器噪声水平应基本一致，因此，对比观测期间二台仪器的仪器噪声频带均值的相对偏差不应过大。最后，根据合格标准（建议合格标准见附录D）统计单台仪器上半期和下半期仪器噪声频带均值的相对偏差和二台仪器的仪器噪声频带均值的相对偏差的参评项数和合格项数，计算合格率。4、自标定信号稳定性比测原理如果忽略相对微弱的外界信号xt，仪器自标定结果yt的频谱Yf、仪器频率响应Rspf、仪器自标定信号zY因此，可以借助仪器自标定结果频谱Yf的长期稳定性判断仪器自标定信号zt和仪器频率响应将对比观测时间对半划分为上半期与下半期，以上半期和下半期仪器自标定幅度均值的相对偏差评估仪器自标定结果的长期稳定性。仪器对比观测期间上半期和下半期频点f的自标定信号幅度相对偏差∆式中：YS—对比观测期间上半期的f频点自标定信号幅度均值Yx—对比观测期间下半期的f频点自标定信号幅度均值最后，根据合格标准（建议合格标准见附录D）统计相对偏差的参评项数和合格项数，计算合格率。5、标准的依据5.1运行率比测主要是量化仪器在观测时段内长时间运行的能力。根据对比观测实际资料的统计，要求对比观测期间仪器运行率不低于95%。5.2频率响应稳定性比测从谱比和谱相关两个方面对频响曲线的稳定性进行评估。谱比主要是量化频响差异，用于检验仪器实际运行时的状况；谱相关主要是量化2个相同观测分量间的差异，用于检验2台仪器间同一观测分量的频响差异。综合这两方面的比测，就可以对频率响应的长期稳定性进行评估。根据对比观测实际资料的统计，合格标准为：对比观测期间二台仪器各频带幅值谱、实部谱和虚部谱的谱比均值取值范围为[0.85，1.15]；对比观测期间二台仪器各频带幅值谱、实部谱和虚部谱的谱相关系数均值不低于0.8；根据统计表格结果，谱比和相关系数统计结果不少于75%的评估项满足合格标准。5.3仪器噪声稳定性比测主要用于检验仪器采样电路自身的稳定性。根据对比观测实际资料的统计，合格标准为：对比观测期间各台仪器上半期与下半期各频带噪声相对偏差应小于20%；对比观测期间二台仪器之间各频带噪声的相对偏差应小于20%；根据统计表格结果，相对偏差不少于75%的评估项满足合格标准。5.4自标定信号稳定性比测自标定信号稳定性比测主要是利用已知信号来检验仪器的稳定性。标定期间，仪器内置的信号发生器可以生成7个固定频点的信号，逐个将这些频点的信号作为输入，并利用仪器记录这些频点的信号。记录的各个频点信号的频谱同时包含了仪器频响特性和自标定信号的信息，以上半期和下半期仪器自标定幅度均值的相对偏差评估仪器自标定结果的长期稳定性。根据对比观测实际资料的统计，合格标准为：对比观测期间二台仪器各频带自标定信号相对偏差应小于10%，仪器每月至少标定一次；根据统计表格结果，相对偏差不少于90%的评估项满足合格标准。5.5比测合格标准野外对比观测时间不