为了保证仪器观测数据的准确性、可靠性、稳定性，在仪器正式观测运行之前对仪器进行比测检定很有必要。目前，一般采用比较测量仪器与标准仪器地磁总强度F仪器差和均方差的方法，来检验测量仪器的可靠性和稳定性（顾左文等，2004）。1839年高斯建立了地磁测量方法。19世纪末有些地磁台已注意到仪器测值的比较问题。1905—1948年美国华盛顿卡内基研究所曾连续多年进行了全球范围的台站比测。他们用携带式磁力仪比测水平强度（H）、磁偏角（D）、磁倾角（I），先在切尔滕汉地磁台作了反复比测，然后赴全球各个地磁台进行比测。1934年丹麦拉库尔研制了石英丝水平强度磁强计，这较大程度上方便了仪器比测工作。1948年，国际大地测量及地球物理联合会（IUGG）的地磁学及高空物理协会（IAGA）建立了国际地磁标准比较服务部，此后，该部一直负责航空邮寄QHM仪器到任一要求比测的地磁台站（国家地震局地球物理研究所等，1980；张崇阳，1980）。国内一些研究人员也曾开展仪器比测工作，2004年顾左文等（2004）用近零同步观测法进行了DI磁力仪的比测；2008年玄松柏等（2008）开展了国内绝对重力实验观测比对。

2019年10月17—21日，河北省地震局红山基准台以GSM-19W Overhauser为标准仪器，依据《GSM-19T质子旋进磁力仪测试大纲及方法和方案》（GSM-19T测试组，2018）对40台GSM-19T质子旋进磁力仪进行了比测实验。本文基于同步连续采样观测数据和仪器差比测数据，通过计算地磁总强度F差值、均方差，对GSM-19T质子旋进磁力仪的性能进行了分析，旨在研究各仪器能否应用于实际观测。

红山基准台有近60年的地磁观测历史，地磁仪器有磁通门磁力仪GM4、质子矢量磁力仪FHD-2B、磁通门经纬仪Mingeo-DIM、磁通门经纬仪TDJ2E-NM和质子旋进磁力仪GSM-19T、G-856。由于台站观测环境优良，2016—2018年建设了DI仪地磁比测室，2018年承担了全国地磁基准台DI仪比测任务，多次完成了仪器厂家和台站的仪器入网测试和比测工作（王秀敏等，2016；畅国平等，2018）。

GSM-19T质子旋进磁力仪观测的是地磁总强度F，其分辨率高达0.01 nT，灵敏度达0.05 nT，绝对精度±0.20 nT，采样率3—3 600 s可选，具有独一无二的编程式基点站观测功能和观测质量监控功能。GSM-19T磁力仪一直使用普遍、价格便宜，其应用领域包括矿产资源勘探、地质填图、磁场变化监测以及地震预测研究等。

根据《GSM-19T质子旋进磁力仪测试大纲及方法和方案》（GSM-19T测试组，2018），2019年10月17—21日在红山基准台比测站对40台GSM-19T质子旋进磁力仪检测设备进行比测实验（表 1）。

表 1(Table 1

表 1 GSM-19T质子旋进磁力仪检测仪器号Table 1 Detection instrument numbers of GSM-19T proton-precession magnetometer 序号 仪器号 1 7077825 2 7077826 3 7077827 4 7077829 5 7077830 6 7077831 7 7077832 8 7077833 9 7077834 10 7077835 11 7077836 12 7097900 13 7107881 14 7107882 15 7107883 16 7107884 17 7107885 18 7107886 19 7107888 20 7107890 21 7107891 22 7107892 23 7107893 24 7107899 25 7107901 26 7107902 27 7107903 28 7107904 29 7107908 30 7107909 31 7107910 32 7107911 33 7107912 34 7107913 35 7107914 36 7107915 37 7107918 38 7107919 39 8048025 40 8058026

表 1 GSM-19T质子旋进磁力仪检测仪器号 Table 1 Detection instrument numbers of GSM-19T proton-precession magnetometer

比测方法为连续采样和仪器差测试，检测仪器与GSM-19W Overhauser磁力仪（7067784）标准仪器同步进行观测，对检测仪器与标准仪器进行地磁总强度F均方差、误差及一致性稳定性分析。通过比测实验，可确定检测仪器的灵敏度、分辨率、精度和采样率等技术指标，同时分析各检测仪器的可行性和适用性。

根据《GSM-19T质子旋进磁力仪测试大纲及方法和方案》（GSM-19T测试组，2018），检测流程见图 1。

图 1(Fig.1)

图 1 GSM-19T质子旋进磁力仪检测流程 Fig.1 Detection flowchart of GSM-19T proton precession ma gnetometer

将40台GSM-19T质子旋进磁力仪分2组架设在比测站观测区域内，探头间隔7.0 m，探杆高度1.8 m。采用基站模式观测，设置采样率为4 s。第1组有21台仪器，2019年10月18日12:05—13:40（北京时）观测；第2组有19台仪器，2019年10月18日15：15—17:15（北京时）观测。每组仪器观测时，GSM-19W Overhauser磁力仪（7067784）标准仪器也同步进行观测，所有仪器同步采样时间至少为2 h。仪器的主要技术指标和参数能够反映该台仪器性能的优劣，连续采样观测检测了各仪器的灵敏度、分辨率、采样率，结果显示，大部分GSM-19T质子旋进磁力仪技术指标符合测试大纲要求，仪器性能较好（杨丽等，2016）。

一致性、稳定性是检测测量仪器精度的重要指标（范雪芳等，2015）。为了检验质子旋进磁力仪GSM-19T的一致性，在相同观测区、相同环境下将测试仪器分为2组与GSM-19W Overhauser磁力仪（7067784）标准仪器同步测量观测。对检测仪器与标准仪器进行地磁总强度F原始数据和差值数据的对比分析，绘制检测仪器数据的变化曲线，判断所有同步测量仪器的一致性和稳定性。第1、2组地磁总强度F观测数据见图 2、图 3。

图 2(Fig.2)

图 2 2019年10月18日12:05——13:40 (北京时)采样率为4s的21个台原始同步连续观测数据及差值 (a)原始观测数据; (b)差值 Fig.2 21 original synchronous continuous observation data and difference data curves with 4 seconds sampling rate from 04:05 to 05:40(universal time) on October 18, 2019

图 3(Fig.3)

图 3 2019年10月18日15:15——17:15 (北京时)采样率为4s的19个台原始同步连续观测数据及差值 (a)原始观测数据; (b)差值 Fig.3 19 original synchronous continuous observation data and difference data curves with 4 seconds sampling rate from 07:15 to 09:15(universal time) on October 18, 2019

由图 2可见，在12:52:42和13:39:30，测试仪器7077825、7077829、7077831、7077833、7077836、7107910、7107913、7107914和7107915地磁总强度F观测数据变化幅度较大，其他时段变化较平稳。究其原因，这几台仪器距比测站围墙较近，受到了墙外农田车辆的影响。由图 3可见，测试仪7107902数据不稳定，2 h数据向下漂移了0.5 nT。2019年10月19日19:15—21:15，对这10台仪器进行了重新比测，由于仪器原因，7107891、7107901、7107902、7107910等4台测试仪器的数据还是存在漂移。由图 2、图 3可知，在相同观测区、相同测量时段，大部分测试仪器观测数据、差值数据与标准仪器观测数据变化趋势一致，数据稳定且具有较好的一致性。

衡量仪器稳定性的一个重要指标是地磁总强度F观测数据的均方差（谈昕等，2015；王岩等，2016）。以所有同步观测比测仪器同时刻的观测数据均值和Overhauser磁力仪标准仪器观测数据为参考数据，计算各比测仪器观测数据与标准仪器观测数据之差及其均方差，以进一步检验所有同步测量仪器的一致性和稳定性。各测量仪器地磁总强度F均方差见表 2。

表 2(Table 2

表 2 GSM-19T质子旋进磁力仪观测数据与标准数据之差的均方差Table 2 Root mean square deviations of difference between observation data of GSM-19T proton-precession magnetometer and standard data 仪器号 均方差 7077825 0.059 1 7077826 0.045 0 7077827 0.044 1 7077829 0.047 4 7077830 0.049 5 7077831 0.049 3 7077832 0.045 2 7077833 0.041 0 7077834 0.041 0 7077835 0.041 9 7077836 0.043 9 7097900 0.037 4 7107881 0.041 4 7107882 0.045 9 7107883 0.043 1 7107884 0.038 6 7107885 0.041 7 7107886 0.046 9 7107888 0.040 0 7107890 0.038 2 7107891 0.064 1 7107892 0.038 3 7107893 0.049 8 7107899 0.053 2 7107901 0.055 6 7107902 0.062 2 7107903 0.048 3 7107904 0.039 7 7107908 0.042 2 7107909 0.040 3 7107910 0.054 7 7107911 0.042 9 7107912 0.041 8 7107913 0.039 6 7107914 0.049 8 7107915 0.068 2 7107918 0.049 0 7107919 0.040 4 8048025 0.043 2 8058026 0.042 9

表 2 GSM-19T质子旋进磁力仪观测数据与标准数据之差的均方差 Table 2 Root mean square deviations of difference between observation data of GSM-19T proton-precession magnetometer and standard data

由表 2可见，40台比测仪器观测数据与标准仪器数据之差的均方差均值为0.046 2 nT，仪器7107915地磁总强度F均方差最大，为0.068 2 nT；仪器7107891、7107902、7077825、7107901、7107910、7107899观测数据均方差较大，分别为0.064 1 nT、0.062 2 nT、0.059 1 nT、0.055 6 nT、0.054 7 nT、0.053 2 nT；其余仪器观测数据均方差为0.037 4—0.049 8 nT，均小于0.050 nT。通过仪器观测数据均方差的计算可知，大部分仪器地磁总强度F均方差较小，小于0.050 nT，小部分均方差较大。这进一步表明大部分仪器观测数据的一致性、稳定性较好。

仪器差比测分析测试方法是以GSM-19W Overhauser磁力仪（7067784）作为标准仪器，随机选择6台仪器，按照交换同步法对仪器进行比测，填写交换同步法地磁总强度测量仪器比测表并计算得到地磁总强度F仪器差，选取与标准仪器仪器差最小的7107892、7097900作为临时标准仪器，其余标准仪器的地磁总强度F仪器差为0.15 nT。一共分成3组，按照交换同步法对其他未比测仪器进行比测。所有比测仪器的地磁总强度F仪器差归算到标准仪器GSM-19W Overhauser磁力仪（7067784）。地磁总强度F仪器差统计结果见图 4。

图 4(Fig.4)

图 4 40台GSM-19T质子旋进磁力仪仪器差统计 Fig.4 Statistics of instrument differences of 40 sets of GSM-19T proton-precession magnetometer

由图 4可知，40台GSM-19T质子旋进磁力仪地磁总强度F仪器差为-0.15—0.40 nT，其中，第26号（7107902）、第40号（8058026）仪器差最小，均为0 nT；第24号（7107899）仪器差最大，为0.4 nT；其余仪器差多约为0.2 nT，仪器差变化均较小。

通过仪器比测可知，厂家提供的大部分GSM-19T质子旋进磁力仪质量可靠，达到出厂技术指标。但约10%的仪器明显存在数据漂移现象，且部分仪器地磁总强度F均方差值较大。比测的所有仪器地磁总强度F仪器差均较小，可满足流动地磁和基站点地震监测工作需要。

在比测时段，观测数据明显受台站周边农用车辆的影响，这给数据分析带来较大困难。另外，由于电池储量的原因，仅能提供连续观测约2 h数据。今后，类似比测工作可用连接线连接电瓶以获取更长时间的数据，并在台站附近树立仪器比测禁止通行等警示牌，派遣专人看护，以防止比测时间内农用车辆经过。

本文撰写得到中国地震局地球物理研究所袁洁浩高级工程师的指导，河北省地震局红山基准台任佳高级工程师亦给予帮助，在此一并表示感谢。