0 引言

地壳运动，尤其是在地震到来之前的地壳运动往往会导致地磁场的变化，通过观测这一异常，可以开展地壳活动监测和地震预警等工作。目前，国内外用于地磁观测的磁传感器有磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、Overhause磁力仪、光泵磁力仪等。磁通门磁力仪是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下磁感应强度与磁场强度间的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。与其他类型的测磁仪器相比，磁通门磁力仪具有分辨力高、弱磁场测量范围宽、可靠、能够直接测量磁场的分量等特点（李松鹤等，2017），已被广泛应用于地磁相对观测。

对于地震地磁台站来讲，多台观测仪器的数据一致性是至关重要的（胡秀娟等，2009；王莉森等，2013）。我国的地磁台站所使用的测磁仪器以DI磁通门磁力仪、GM-3/GM-4型数字化磁通门磁力仪、FHD21/FHD22型分量质子旋进式磁力仪等为主，野外测量一般以磁通门磁力仪结合差分GPS测量或用核旋仪进行总强度测量（冯彦等，2009）。针对相对观测仪器对低漂移的进一步的要求，本文设计并研制了一款低漂移地磁相对观测磁通门磁力仪，旨在进一步降低仪器的幅值漂移，提高观测数据的时间一致性和仪器的稳定可靠性，降低仪器故障率。该仪器具有4个采集通道，可观测地磁场D、H、Z三分量的相对变化及传感器温度变化并生成数据文件，可通过网络远程下载，具有高精度、低漂移、低噪声的特点。

1 仪器结构及原理

仪器由三轴磁通门探头（内含温度传感器）、传感器信号处理电路、数据采集电路3部分组成，原理框图如图 1所示。

（1）三轴磁通门内含3个正交磁通门探头，单个探头包括激励线圈和拾取线圈，各线圈嵌入安装在大理石骨架中（图 2）。激励线圈和拾取线圈在信号处理电路的配合下实现被测磁场信号的检测。

（2）传感器信号处理电路采用平行激磁二次谐波方案，电路模块包括时钟发生器、激励电路、拾取解调电路、正交调节电路、基线补偿电路、标定电路、电源电路等。

（3）数据采集电路完成4通道信号的采集、存储、通讯，由A/D转换电路、数字控制电路、GPS模块、电源电路等组成。A/D转换电路完成4通道电压信号的同步大动态范围模数转换，量程为±10 V，采样率为1 Hz；数字控制电路包括嵌入式ARM处理器、CPLD模块，与A/D转换电路及上位机通讯，配置采集参数，控制采集启停，读取采集数据并存储于SD卡，通过以太网完成远程数据传输；GPS模块为数字控制电路提供时间信息，实现GPS授时；电源电路接收外部DC 12 V或AC 220 V供电输入。

2 硬件设计

仪器采用FGE系列磁通门传感器，结合ARM微处理器及CPLD，采用24位高精度、低漂移A/D转换器对地磁场D、H、Z分量的相对变化和环境温度进行同步信号采集，电路设计原理见图 3。

2.1 传感器

FGE系列磁通门传感器具有高精度、低漂移、低功耗的特性，体积较小，重量轻，便于携带，主要参数如表 1所示。该传感器拥有3个可调节磁场偏置电路以255个档位150 nT的步进调整偏置场。此外，电路中有2个控制开关（1个用于X分量，1个用于Z分量），在较高的场（如中、高纬度地区的Z场）添加固定偏压（38 000 nT），在高纬度地区（Z > 38 000 nT）时，Z开关必须为ON；在低纬度地区（Z < 38 000 nT）时，Z开关必须关闭；X开关仅用于X大于38 000 nT的赤道地区。

2.2 A/D转换模块

磁通门传感器将磁场和温度转化为模拟信号，为提高精度需要通过A/D转换芯片转换为数字信号进行存储。采用Cirrus Logic生产的极低噪声A/D转换芯片CS5532。该芯片采用电荷平衡技术，可得到24位分辨率高精度输出，内部的极低噪声可编程增益斩波稳定测量放大器，使其噪声水平达到$6{\rm{nV}}/\sqrt {{\rm{Hz}}} $(@0.1Hz)，削弱了1/f噪声。此外，CS5532内置一个完整的自校正系统，可以进行自校准或者系统校准，以消除自身的零点增益和漂移误差及系统通道的失调和增益误差。

2.3 ARM处理器

主控电路由32位嵌入式AT91SAM9G45 ARM处理器搭建而成，运行2.6.30版本Linux操作系统，可向采集电路下发获取仪器状态、配置采集参数、控制采集启停、储存采集数据等指令；扩展SD存储卡，支持FAT32文件系统，可以满足野外长时间无人看守作业的需要；可与上位机进行网络通讯实现远程控制及数据传输等功能。

2.4 CPLD模块

CPLD模块采用ALTERA公司生产的低功耗MAX Ⅱ芯片，通过SPI协议与A/D转换模块及ARM处理器通讯，完成ADC的配置以及数据传输等工作，同时输出高稳时钟信号对ADC进行时钟校准，以减小数据漂移。

2.5 低漂移DTCXO

地磁观测需要精确记录某一时刻的地磁变化，要求数据具有实时性和可追溯性，因此，在采集电路上扩展外部时钟以保证时间精度。选用一款高精度低漂移DTCXO为CPLD时钟系统提供高稳时钟，典型频率稳定度为±140 ppb，理论上82天才产生1 s的时间漂移，减少了时钟校准工作的频度，提高了观测数据在时间上的精确度。

3 软件设计

仪器软件部分包括采集应用程序和httpd网络服务程序。采集应用程序实现获取仪器状态、读取参数文件、进行GPS对钟、配置采集电路等功能，httpd网络服务程序实现仪器交互和数据传输等功能。

3.1 采集应用程序

采集应用程序运行流程如图 4所示。首先将采集参数初始化为默认值，然后进行GPS对钟，接收到GPS信号和PPS秒脉冲后读取上位机发送的参数文件，重新配置采集参数，以当前GPS时间为起点开始采集，采集过程中只要有同步信号就不断地将ADC的输出写入SD卡，生成数据文件。

3.2 httpd

Apache HTTP Server Project为包括UNIX和Windows在内的现代操作系统开发和维护开源HTTP服务器。该项目的目标是提供一个安全、高效和可扩展的服务器，提供与当前HTTP标准同步的HTTP服务。在ARM中移植httpd服务器使其在后台运行，它会捕捉PC终端通过以太网向仪器发送的指令，并对其进行解析，使仪器作出对应的响应，而整个过程只需以太网和1台带浏览器的PC。因此，可以使用httpd来代替传统上位机软件的功能，这既方便了对仪器的操作，又节省了编写和安装上位机软件的时间，目前已实现了仪器状态查询、采集参数配置、采集启停控制等功能。

4 关键技术 4.1 高精度时间一致性技术

获得精确地磁观测数据的关键之一是降低采集仪器的时间漂移，以达到较好的时间一致性。采集之前通过GPS模块授时，与卫星时钟同步，确保采集开始时刻的准确性。在采集过程中，CPLD模块接收来自低漂移DTCXO的时钟信号，向A/D转换芯片输出高稳时钟，减小ADC采集过程中的时漂。编写校时程序，每隔一定时间将CPLD产生的脉冲信号PPS_out与GPS模块产生的脉冲信号PPS_in进行对比，得到二者差值Δt，对DTCXO进行校准。

4.2 磁场低漂移观测技术

获得精确地磁观测数据的另一关键在于提高采集数据的准确性，减小数据随时间的漂移，使测量值与实际值间的偏差越小越好，因此，需要保证磁通门传感器的低漂移，提高ADC的采集精度和稳定度。FGE系列磁通门传感器拥有较好的长期稳定性和温度稳定性，基线漂移小于3 nT/a，温度系数小于0.25 nT/℃，可输出高稳定度模拟信号。通过传感器信号处理电路，已经滤除了一些高频信号和噪声信号，ADC本底噪声很小且无1/f噪声，加之内部的自校准系统，已使得其自身的漂移误差大大减小，同时调整ADC参考电压VREF+，使参考电压与待测信号幅值匹配，使用ADC的全范围输出，最终得到最大的分辨率。

4.3 以太网通讯技术

网络通讯服务使操作者可以方便快捷地使用采集仪器，在操作系统中移植Web服务器可以满足这一要求。本文介绍的仪器采用了httpd服务器，底层服务器搭建完毕后，根据需要实现的功能进行外围网页设计，二者之间通过CGI(common gateway interface)进行通讯，网页中每一个请求的实现，都需要相应的CGI程序来完成，将编写好的CGI程序存放在文件系统相应的目录下，PC终端便可通过以太网与仪器进行交互。

5 仪器测试

为评估仪器性能，将新研制的3台仪器布设在河北省秦皇岛市昌黎县后土桥地震台进行了为期28天的地磁观测试验，通过网络将3台仪器测得的数据文件下载至本地进行数据分析处理。由于每台仪器的基准值不相同，为便于对比，作图时将每台仪器的数据减去各自的均值（张素琴等，2011）。

5.1 日形态变化比较

为考察3台观测仪器的数据质量，将数据绘制成图，其中，2019年3月7—8日进行仪器维护工作，未能采集地磁观测数据，绘制的数据曲线如图 5所示。

由图 5可见，3台仪器每日数据无明显异常，时间一致性较好，且26天内整体变化趋势基本相同。各分量数据曲线均值的差值可以检验相对观测方面的问题（胡秀娟等，2014），经计算，3台仪器差值范围如下：D分量≤±1.24×10^-3 nT，H分量≤±1.83×10^-3 nT，Z分量≤±1.92×10^-4 nT，表明3台仪器数据的幅值漂移较小。

5.2 预处理分钟值比较

选取2019年3月23日0—3时3h时段内3台仪器的H、Z分量数据进行对比，发现部分数据有轻微的不重合现象，因此，引入昌黎后土桥地震台的另一台地磁观测仪器GM4-1的数据作为参考值进行对比（图 6，图 7）。

由图 6可见，4台仪器的H分量预处理分钟值变化趋势大致相同，并且曲线保持较好的重合性，00:00—00:30、02:30—03:00时段内FGE-1的数据曲线与另外3台仪器稍有偏离，最大偏差小于0.6 nT。

由图 7可见，4台仪器的Z分量预处理分钟值变化趋势大致相同，并且曲线保持较好的重合性。00:00—00:30时段内FGE-2数据曲线略偏离其它仪器，最大偏差小于0.7 nT。

6 结论

将研制的3台低漂移地磁相对观测磁通门磁力仪样机，在昌黎后土桥地震台与GM4磁力仪进行地磁对比观测试验，对采集数据进行对比分析后得出以下结论。

（1）数据日形态变化表明，3台仪器每日记录数据无明显异常，28天内数据变化趋势一致，并且各分量数据均值差趋近于1 pT，表明3台仪器具有良好的数据时间一致性和幅值低漂移性。

（2）通过预处理分钟值的对比分析发现，无论H分量还是Z分量，3台仪器的数据与后土桥地震台参考仪器的数据，整体上具有较好的重合性。在30 min时间内FGE-1的H分量与其他3台仪器相比稍有偏离；FGE-2的Z分量与其他3台仪器相比稍有偏离，但最大偏差小于0.7 nT，可满足地震台建设规范的要求。

以上结果表明，该款仪器性能稳定可靠，数据幅值漂移小，达到较好的时间一致性。仪器整体设计较合理，硬件方面优选高精度、低漂移、低噪声器件；软件方面采集应用程序与httpd网络服务相结合，通过浏览器即可实现与仪器的交互。理论与试验均表明，这款低漂移地磁相对观测磁通门磁力仪可以满足目前地磁相对观测工作的需求。