0 引言

岩石在变形破裂过程中通常产生微弱的电磁波信号，是形成地震电磁前兆现象的物理基础。观测发现，大地震和火山喷发前会出现多种类型的电磁异常现象。为了深入研究该现象的产生机理，研究者们做了大量岩石加载电磁实验，试图实现对野外地震电磁现象及其产生过程的微小尺度物理模拟。然而，在电磁噪声普遍存在情况下，很难检测和提取真实有效的信号，导致岩石电磁实验对观测系统的要求较高。由于不同研究团队所用的传感器、前置放大器、数据采集仪等观测装置的类型和性能不尽相同，且大多在文献中未进行详细表述，导致对研究结果难以进行严格的横向对比。

由于没有专门用于EME信号采集的商业化数据采集系统，研究人员需要根据实验需求自行设计和组建适合的电磁观测系统以开展实验，如陈国强等(2010)在其实验室自行研制的声发射仪基础上，设计1套用于岩石变形实验的电磁信号观测系统。然而通常情况下，研究人员往往借助于商业化程度较高的声发射仪，并自行研制电磁传感器与之匹配，构成观测系统以采集电磁信号，虽然可以取得一定实验结果，但EME信号的适用性不佳。以PAC声发射仪为例，该采集系统具有带通滤波和前端波形滤波功能，接收的信号并非原始信号，而是经过滤波的EME信号，导致数据采集受仪器设备自身滤波影响。而且，PAC声发射仪针对AE信号开发设计，不能连续采集信号。由于无现成观测系统可用，基于地震电磁现象实验需要，结合实验室现有条件，构建1套精确可靠的岩石电磁辐射信号(EME)观测系统，并进行调试和检验，发现可初步用于岩石加载过程中电磁辐射信号的检测和记录，也可用于多种岩石物性参数的同步采集。

1 观测系统组成

岩石电磁信号观测系统主要由传感器、前置放大器、数据采集器和屏蔽装置4部分组成。传感器可以分为电偶极子传感器和磁偶极子传感器，前者有天线、电容式传感器等，用于测量电场分量(O'Keefe S G et al，1991；Gade S O et al，2014)，后者有磁棒天线、感应线圈等传感器，用于测量感应磁场(Yamada et al，1989；钱书清等，1996；Fukui K et al，2005)。

前置放大器作为连接传感器与数据采集仪的纽带，目的是将传感器检测的EME信号进行放大以供采集，需要前置放大器具有较强的抗干扰能力，并且不会对信号观测系统产生干扰。研究人员使用的前置放大器放大倍数和带宽不尽相同，诸如：放大倍数有27 000倍(曹惠馨等，1994)、10 000倍(钱书清等，1998)、80倍(郭自强等，1999)等；带宽有0.1 kHz—40 kHz(钱书清等，1996)、2 kHz—1 MHz(郭自强等，1999)等。

数据采集器是岩石电磁信号观测系统的核心部分。早期电磁信号观测系统使用磁带机记录模拟信号，然后进行绘图或数据化，容易歪曲信号特性，给结果分析带来不良影响。随着电子技术的发展，研究人员使用电磁脉冲计数方式记录数据，即设定一定阈值，超过阈值进行1次计数，最终以统计的脉冲数多少来研究电磁信号变化，记录的信息简单，很难对实验结果进行全面分析和讨论。随着电子科技的进步与发展，数字化瞬时采集技术快速发展，目前市场上有众多数据采集卡可供选择，可以进行实时模数转换及全波形记录电磁信号，保证了岩石加载实验过程中信号的高精度采集和存储。

屏蔽装置同样是电磁信号观测系统的重要组成部分，由于实验空间内任意时刻均存在较强的电磁干扰，而所要检测的EME信号微弱，在强干扰环境中提取弱信号困难，因此在实验中需要对接收装置进行电磁屏蔽，例如：曹惠馨等(1994)使用双层铜网屏蔽，背景噪声减少约100倍。除使用屏蔽装置，还可以同步接收EME信号和噪声信号，在后期数据处理环节去除背景噪声(郭自强等，1999)。

2 观测系统构建及调试

岩石电磁实验观测系统的构建首先从硬件设备入手，根据岩石电磁信号的幅频特性和环境噪声特点，以数据采集器为核心，制作电磁传感器和电磁屏蔽装置，选用适当的前置放大器，经过连接和调试，构建多通道、高采样率电磁信号观测系统(图 1)。在构建和调试过程中需要解决阻抗匹配、带宽瓶颈和数据读写速度等问题，比如：存在不同设备部件之间的阻抗匹配问题，当出现阻抗失配时，信号在传输过程中发生幅值变异，数据采集卡不能采集到真实信号；整个系统的采集频带取决于带宽最小部件的频带宽度；在追求高采样率趋势下，数据采集器的读写能力已成为新的瓶颈。

2.1 传感器

传感器挑选是构建观测系统第1步。以磁棒天线为传感器，观测系统中EME信号采集带宽则容易受到限制，因为磁棒天线谐振频率是点频，频带分布在以谐振频率为中心的狭窄区域，见图 2(a)。因此，本次实验使用铜板电容作为传感器来接收电磁信号，与磁棒天线相比，铜板电容频带宽度较优。电容式传感器选用50 mm×50 mm×1 mm的T2型紫铜板，使用绝缘的PVC发泡板将两片铜板固定为平行板电容器，电容极板间距d =30 cm。

为了测量铜板电容的频响曲线，使用信号发生器产生检验信号，并使用5 mm长的手机陶瓷贴片天线作为检验信号的发射天线，该天线中心谐振频率为2.4 GHz，故认为其在MHz以下频率范围内具有稳定的发射功率，发射天线到铜板的距离为1 mm。信号发生器产生峰峰值电压为1 V的正弦扫频信号，扫描频率范围为100 Hz—800 kHz，扫描时间为5 ms，扫描方式为对数扫描。将信号发生器产生的正弦扫频信号传输到发射天线，由发射天线向空间发射电磁波信号。正弦扫频信号由铜板电容接收，经前置放大器100倍放大后传输到数据采集器，即可获得电容式传感器的频响曲线，见图 2(b)，此次设计的铜板电容式传感器在2.5 kHz—800 kHz具有较为平坦的响应。与磁棒天线相比，电容式传感器的频带宽度有了很大提升。

2.2 前置放大器

选用南京鸿宾微弱信号检测有限公司生产的超低噪声前置放大器，无带通滤波功能，频带带宽为DC—800 kHz，可对信号进行10—5 000倍可选择倍数的有效放大。实验使用示波器测试前置放大器线性区间，在DC—800 kHz带宽范围内，前置放大器可以稳定工作，满足构建观测系统的要求。

2.3 数据采集仪

数据采集仪由美国NI公司生产，主要由PXIe-6368数据采集卡和控制器组成，具有±1 V、±5 V和±10 V的可选量程，16位分辨率，16通道同步模拟输入，且每通道最大采样率可达2 MS/s。为了提高数据的读写速度，改善控制器的响应时间，对控制器系统硬盘和物理内存进行升级，使用最新的固态硬盘代替传统机械硬盘，物理内存由1 G提升到4 G。

2.4 屏蔽装置

采用铜网进行电磁屏蔽，将80目铜网覆盖在铝质框架上，构成1个屏蔽空间，线缆由铜网接合处的缝隙引出。由于铜网的网眼和缝隙远小于EME信号波长(d≪λ)，所以对周围环境的电磁噪声具有很好的屏蔽效果。需要强调的是，屏蔽网和各实验部件均需接地。

检测自然状态和铜网屏蔽条件下的电磁噪声信号，测量不同时间段的噪声水平，将不同环境下、不同时间段的观测结果进行对比，检测结果显示，环境噪声的频带范围主要集中在100 kHz以下，白天电磁噪声较强且成分较为复杂，晚上噪声较弱且较稳定，经铜网屏蔽后，均能达到较低水平且较稳定。图 3所示为自然环境和铜网屏蔽条件下噪声信号对比，可见铜网具有良好的屏蔽效果，屏蔽后噪声信号小于0.1 mV。

2.5 软件设计

本次构建的电磁观测系统软件主要由电磁观测系统实时数据采集程序和后期数据处理程序2部分构成。实时数据采集控制程序由Labview软件的G语言编程实现。G语言是一种图形化程序语言，由流程图代替程序代码，在NI仪器控制和数据采集系统方面具有广泛应用。针对岩石加载实验的数据采集特点，编写的软件程序有多通道连续采集、阈值触发连续采集、多重触发采集，可根据具体实验要求选用不同的控制程序进行数据采集。

后期数据处理程序由Matlab软件编程实现。由于采集卡采集到的数据以二进制TDMS格式保存，Matlab程序并不能直接进行读写处理，需要对数据进行预处理，将TDMS格式文件转换为Matlab程序可读写的mat格式文件进行数据处理，绘制时域和频域曲线，提取信号进行研究。

3 观测系统检验

利用人工信号及岩石加载实验对岩石电磁辐射观测系统进行检验。

3.1 联合调试

系统检验前需进行联合调试，具体步骤如下：运行岩石电磁辐射观测系统，测试各设备部件性能和工作状态，测试测控软件各项功能，调试软件参数设置，优化控制程序，将观测系统软硬件调整到最佳水平，以待检验中应用。

3.2 检验

联合调试后，使用人工信号对岩石电磁辐射观测系统进行检验，由信号发生器产生一定幅值的标准正弦信号，不经过传感器，直接输入前置放大器进行放大并经数据采集仪进行采集，采集的信号与发射的标准正弦信号完全一致，表明前置放大器和数据采集仪工作正常。

分别使用示波器和数据采集器采集由传感器获得并经过放大的信号，可以对整个采集系统进行对比检验。类似于测量铜板电容传感器的频响曲线，由信号发生器经发射天线发出扫频正弦信号，采集到的放大信号还原后与发射的正弦信号频率一致，幅值有不同程度衰减，表明系统可以忠实检测并记录电磁信号。

将构建的岩石电磁辐射观测系统初步应用于岩石加载实验，以接收岩石在受压变形和破裂过程中产生的EME信号。为了尽可能避免电磁干扰，实验中使用20 T手动压机对花岗岩样品进行应力加载，在加载的同时使用电磁信号观测系统连续采集信号。实验结果显示，在岩石样品加载过程中伴随着EME信号的出现。图 4所示为电磁信号观测系统记录的部分EME信号，可见信噪比较高。

4 结束语

室内岩石电磁实验有助于理解地震电磁信号的产生机理，为探索地震电磁前兆提供实验支撑。根据电磁信号特点，设计制作电容传感器，对前置放大器、数据采集器等设备进行优选，形成1套电磁信号测量系统，并基于Labview和Matlab编写数据采集与处理程序。经测试，该系统具有较宽频带(2.5 kHz—800 kHz)、较大量程(0.1 mV—10 V)以及较低电磁噪声水平(0.1 mV)。该系统不仅可以检测岩石加载实验过程中产生的EME信号，还可以用于岩石其他物性参数的采集。