在国家发改委重大科技基础设施项目“极低频探地（WEM）工程”支持下，建成全球首个利用极低频电磁法，进行大范围地下资源探测、地震预测和前沿科学研究的科技基础设施，为我国研究地下深层地质、空间物理和无线电物理等提供一种有力的新科学手段，具有广阔的应用前景（卓贤军等，2011；赵国泽等, 2012, 2022；底青云等，2019）。其中，极低频地震预测分系统在首都圈和南北地震带南段建设了30个极低频电磁观测台站（下文简称极低频台网），接收来自本项目建成的大功率发射台的人工源（0.1—300 Hz）极低频电磁信号，同时观测天然源（0.001—1 000 Hz）电磁场信号（赵国泽等，2012；纪寿文等，2018），填补了我国地震电磁观测在人工源和1 Hz以上频段天然源电磁观测的空白。该项目于2020年1月8日通过国家验收。

极低频台网选用德国Metronix公司生产的GMS-07e大地电磁法仪，其由主机ADU-07e和MFS-06e磁探头组成。极低频台网观测设备自2013年底完成安装，至今已运行10年以上。对该台网的管理以及数据应用分析开展了大量研究工作，例如：地震相关电磁现象研究（李建凯等，2017；范晔等，2022；韩冰等，2022），震源区反演定位（Fan et al，2023；韩冰等，2024）、天然源电磁场分布（Fan et al，2018）、人工源极低频电磁场的空间分布（杨静等，2022），舒曼谐振波的变化特征研究（Han et al，2023），台网智能化管理（池海江等，2022；王向亮等，2022；池国民等，2023），等等。

大地电磁仪正常运行是开展地震监测和相关研究的关键保障。然而，近年来部分台站的观测数据质量变化较大，原始时间序列形态或者幅值与以往差异较大，电、磁道的接地电阻和输入阻抗出现异常，根据以往经验开展年度检查工作（王立凤等，2016），无法判断故障原因。针对当前面临的问题，使用ADU-07e内部标定板生成测试信号，对ADU-07e系统进行检查，并对磁探头MFS-06e进行标定排查，确定故障原因，效果较好。本文旨在总结主机检查和磁探头标定的快速检测方法及故障现象，为台站观测设备及常规大地电磁观测设备施工前的检查提供参考。

极低频电磁观测装置，在NS向、EW向各布设1组电极观测水平电场，沿南北、东西和垂直地面3个方向布置感应式磁探头，观测水平和垂向分量磁场。极低频电磁观测使用的ADU-07e主机采用10块模拟放大滤波和模数转换一体板（简称采集板，ADB板），按2n设置采样率，采样率为4 096—128 Hz，更低频数据可通过滤波得到，10块采集板分为2组同时观测，实现高低频同时记录，其中：0—4通道：除每周1次4 min校时外，采用16 Hz频率连续采样；5—9通道：除上午和下午各2 h分别以2 048 Hz、512 Hz、128 Hz和32 Hz采样频率记录发射信号外，其他时段每隔10 min以4 096 Hz和256 Hz采样频率分别采集天然源信号。其中：0和5道记录NS向电场，记为E_x；1和6道记录EW向电场，记为E_y；2和7道记录NS向磁场，记为H_x；3和8道记录EW向磁场，记为H_y；4和9道记录UD向磁场，记为H_z。

ADU-07e主机在供电后会自动开机，自动自检包括电、磁探头在内的硬、软件和网络，并在仪器面板上显示结果，创建日志文件。通过计算机浏览器，用户可以查询系统状态（system status）和自检结果（selftest result）等参数，初步判断仪器工作状态（王立凤等，2016）。系统板硬件包括主板（ADU-07-MDB）、CPU板（ADU-07-CPU）、子背板（ADU-07-FPGA）、时钟板（ADU-07-CLK）、连接板（ADU-07-CON）、标定板（ADU-07-CAL）等。正常启动状态下，所有硬件启动错误（Init Error）显示为‘0’，10通道采集板“ADB Error”检测结果也为‘0’，若主机未连接电道和磁道探头，电道电阻值＞1 MΩ，磁道输入阻抗约2.7 kΩ。此时，初步判定主机正常启动，采集板、连接板及磁探头工作是否正常需进一步检查。

在对ADU-07e主机进行检查时，不连接电磁探头，仅连接中心接地，使用内部标定板生成测试信号（Callnt、ShortCircuit和CalSensor信号），测试ADB板和连接板。Callnt是一个幅度为±24.782 mV的方波信号，所有测道显示信号变化应100%同步，且峰值幅度在24.5 mV左右[图 1(a)]。ShortCircuit是使ADB板输入端短路，观测到无规律的随机噪音[图 1(b)]，其1 Hz带宽快速傅里叶变化（FFT）谱值本底约为7.5×10^-5 nV/$\sqrt{\mathrm{Hz}}$[图 1(c)]。CalSensor为ADU-07e内部生成输入传感器的标定信号，用于记录传感器的传递函数，选择连接板上的衰减器启动，得到同步方波信号[图 1(d)]，当衰减器关闭时，得到海豚波形信号[图 1(e)]。自检结果如上所述，使用以上标定信号检查主机，每一道记录信号及ADB短路时噪声信号的谱均与图 1所示一致，说明ADU-07e的ADB板和连接板工作正常。

图 1(Fig.1)

图 1 主机ADU-07e检查时间序列及随机噪声的谱 (a) “CalInt”信号；(b) ADB板输入短路时噪音信号；(c)噪音信号1 Hz带宽的频谱；(d) 衰减器打开时“CalSensor”信号；(e) 衰减器关闭时“CalSensor”信号 Fig.1 The signal for first channel to check the ADU-07e system

通常建议，在电磁干扰较低环境中进行磁探头标定，探头间隔约5 m，平行摆放。极低频台站磁探头敷设在深约2 m的防水坑内，连接电缆同时进行穿管深埋处理，故尝试在台站就地标定。在全自检状态下，仅连接磁探头，在Web界面的“传感器位置”检测所有磁探头，能显示正确的类型（MFS06e）和序列号。由ADU-07e标定板发出的标定信号（Calsensor）馈入磁探头，未连接的电场通道作为参考通道，按照厂商提供的磁探头标定的工作列表记录时间序列，使用“In-Situ”线圈标定图形工具，计算标定函数，与理论响应曲线做对比，确定磁探头及连接电缆工作是否正常。尽管有些台站周边电磁环境干扰增强，实践证明，标定结果中除个别频点发生突跳外，仍能获得连续光滑的标定函数曲线。

代县台主机序列号为303，如表 1所示，维修前，自检结果中EW电道接地电阻第1道为几百Ω、第6道为10⁶ Ω，水平磁道电阻值正常，数值约10⁶ Ω，而垂直磁探头电阻值异常低。图 2(a)给出维修前采样率4 096 Hz的时间序列片段，可见：NS向电道电位差变化约20 mV；EW向电道电位差变化几mV，且50 Hz正弦波叠加诸多小波形；水平磁场呈正弦波形态，电位差几百mV；垂直磁场无正弦波形态，表现为较大直流偏移的噪声。

表 1(Table 1

表 1 代县台极低频电磁观测装置序列号及自检结果Table 1 The serial number and the probe resistance of self-test of the ADU-07e system and sensors 主机序列号：303 Hx序列号：306 Hy序列号：360 Hz序列号：361 仪器状态 自检结果 Ex(0/5)/Ω Ey(1/6)/Ω Hx(2/7)/Ω Hy(3/8)/Ω Hz(4/9)/Ω 维修前，接电磁道 527.842 946.613/994 400 803 996 799 847 4 361 维修前，不接电磁道 1.153 04×106 1.157 02×106 2 779.22 2 775.34 2 778.95 维修后，接电磁道 614.428 555.569 97 865.8 92 813.2

表 1 代县台极低频电磁观测装置序列号及自检结果 Table 1 The serial number and the probe resistance of self-test of the ADU-07e system and sensors

图 2(Fig.2)

图 2 代县台采样率为4 096 Hz天然电磁场原始时间序列 (a)维修前2024年4月13日数据；(b)维修后2024年4月16日数据 Fig.2 The time series segment sampled at 4 096 Hz of natural electromagnetic field at Daixian Station

对主机303进行系统检查，自检结果正常，只有“CalSensor”信号衰减器启动时第6道时间序列呈现海豚波形[图 3(a)]，与正常系统检查不一致。更换相应ADB板，主机恢复。确定第6道采集板故障，印证了采样率4 096 Hz的EW向电场50 Hz正弦波上夹杂诸多尖脉冲由该采集板故障引起[图 2(a)]。垂直磁探头序列号为361，其标定曲线幅值和形态偏离理论响应曲线[图 3(b)]；更换磁探头电缆，在频率几十Hz以上，标定曲线与理论响应曲线基本一致，但低频段仍相差甚远[图 3(c)]。

图 3(Fig.3)

图 3 代县台主机检查和磁探头标定曲线 (a)主机303检查：衰减器打开时“CalSensor”信号；(b)坏磁探头电缆MFS06e 361标定函数幅度和相位曲线；(c)好磁探头电缆MFS06e 361标定函数幅度和相位曲线 Fig.3 Check the ADU-07e system and calibration curve of the magnetic sensor at Daixian station

基于以上结果，确定垂直磁探头及原连接电缆均有故障，导致垂直磁场数据异常。故障排除后，如表 1所示，EW向电道接地电阻值恢复正常，数值＜2 kΩ。图 2(b)给出维修后采样率4 096 Hz的时间序列，可见：水平电磁场分量呈50 Hz的正弦波形态，NS、EW向电场电位差变化幅度相近，EW向电道时序上毛刺幅度明显变小，NS、EW向磁场峰值差相近；垂直磁探头暂时无法更换连接电缆，垂直磁场无记录，呈现噪声波形。

盈江台主机序列号327，如表 2所示，维修前，其自检结果显示，NS、EW向电道接地电阻均小于2 000 Ω，而垂直磁道输入阻抗接近2×10⁶ Ω，与水平磁道差值较大。维修前，采样率4 096 Hz时间序列显示：NS、EW向电道电位差变化均在几十mV，NS向磁场峰值变化几千mV，EW磁场峰值变化约1 000 mV，且均呈现正弦波形态；垂直磁场无正弦波波形，峰值变化约10 mV。显然，水平电磁场记录正常，垂直磁场记录异常[图 4(a)]。采样率16 Hz时间序列显示：NS、EW向电场波形符合平稳、随机的天然大地电磁场特征，NS向磁道与EW向电道变化不一致，无对应关系，表明NS向磁场记录可能不正确；垂直磁场峰值变化达几千mV，比水平磁场峰值变化大上百倍，显然不符合天然电磁场规律[图 4(b)]。

表 2(Table 2

表 2 盈江台极低频电磁观测装置序列号及自检结果Table 2 The serial number and the probe resistance of self-test of the ADU-07e system and sensors 主机序列号：327/322 Hx序列号：122/352 Hy序列号：435 Hz序列号：436 仪器状态 自检结果 Ex(0/5道)/Ω Ey(1/6)/Ω Hx(2/7)/Ω Hy(3/8)/Ω Hz(4/9)/Ω 维修前（主机327），接电磁道 725.44 1 734.3 75 904 96 900.6 1.945 9×106 维修前（主机327），不接电磁道 2.334 86×106 2.339 75×106 2 768.77 2 772.82 7.276 41×106 主机322，不接电磁道 1.158 3×106 1.158 42×106 2 771.14 2 771.25 2 769.19 主机322，接磁道（Hx：122，Hy：435，Hz：436） 1.158 22×106 1.158 34×106 74 939.8 95 078.9 166 242 主机322，接磁道（Hx：352，Hy：435，Hz：436） 1.157 81×106 1.157 94×106 90 091.5 94 981.2 139 003 维修后，主机322，接电磁道（Hx：352，Hy：435，Hz：436） 660.82 1 584.33 795 917 798 849 804 225

表 2 盈江台极低频电磁观测装置序列号及自检结果 Table 2 The serial number and the probe resistance of self-test of the ADU-07e system and sensors

图 4(Fig.4)

图 4 盈江台天然电磁场原始时间序列 (a)主机327（Hx：122，Hy：435，Hz：436）采样率4 096 Hz的时间序列片段；(b)主机327（Hx：122，Hy：435，Hz：436）采样率16 Hz的时间序列片段；(c)主机为322（Hx：352，Hy：435，Hz：436）采样率4 096 Hz的时间序列片段；(d)主机为322（Hx：352，Hy：435，Hz：436）采样率16 Hz的时间序列片段 Fig.4 The time series segment recorded of natural electromagnetic field at Yingjiang Station

如表 2所示，未连接电道和磁道探头时，H_z自检结果不正常。如图 5所示，对序列号为327的主机系统进行检查，当打开衰减器时，“CalSensor”信号的4道和9道时间序列不是正弦波形。更换相应通道的ADB板，再次对主机进行系统检查，结果不变，由此判定故障所在为接口板，后期维修证实了这一判断。因未随身携带接口板，且现场更换较复杂，故将主机更换为322序列。使用322号主机再次对磁探头进行标定，如图 5所示，EW向和UD向磁探头标定曲线与理论响应曲线一致，而NS向磁探头（序列号122）标定曲线与理论响应曲线在低频段差异较大。因此，盈江台序列号为327的主机接口板出现故障，造成自检结果中垂直磁道输入阻抗异常，时间序列的幅值和形态均出现异常，NS向磁探头低频段故障造成采样率16 Hz时磁场时序异常。

图 5(Fig.5)

图 5 盈江台主机检查和磁探头标定曲线 (a)主机327检查：衰减器打开时“CalSensor”信号；(b)磁探头MFS06e 122标定函数幅值和相位曲线 Fig.5 Check the ADU-07e system and calibration curve of the magnetic sensor at Yingjiang station

故障排除后，如表 2所示，序列号为322的主机接上电磁道自检结果正常，电道接地电阻值＜2 000 Ω，磁道电阻值约10⁶ Ω。采样率4 096 Hz时的5个分量时间序列均呈现正弦波形态，NS、EW向电场峰值变化幅度相近，NS、EW向磁场峰值变化幅度相近，垂直磁场幅值稍小[图 4(c)]。采样率16 Hz时的时间序列显示，NS向电场和EW向磁场、EW向电场和NS向磁场变化一一对应，波形符合平稳、随机的天然大地电磁场特征[图 4(d)]。

为保障观测数据的真实可靠，排除因仪器故障所致虚假观测资料，在流动大地电磁测量工期前，或台站长期连续观测的时间序列形态或者数值异常时，可以通过主机检查和磁探头标定，对大地电磁仪进行快速检查，以排除观测系统故障。检查过程中的注意事项以及故障现象排除总结如下：

（1）当记录的时间序列形态或者数值出现异常时，从自检结果难以判断是主机故障还是磁探头故障，可以通过主机检查和磁探头标定来进一步确定故障位置。需要说明的是，使用主机标定板输出测试信号进行主机检查可在室内进行，磁探头标定可在有一定程度干扰的极低频台站就地进行。

（2）实践表明，当所检查主机衰减器启动时，若Calsensor信号仅有1道为非方波形态，则应为对应道的ADB板故障。若对应电磁场一个分量的2个通道（如4和9道）同时为非方波形态，则判断为接口板故障。

（3）磁探头高频和低频信号接收分别由2块芯片控制，其故障可能仅为高频或低频芯片损坏引起的相应频段观测资料异常，故仅部分频段标定函数和理论曲线形态存在差异，且输入阻抗正常。而磁探头标定曲线与理论响应曲线相比，形态和数值差异均较大，首先要判断磁探头的连接电缆是否出现故障，若电缆故障，输入阻抗通常为几千Ω。需要注意的是，若磁探头序列号无法识别，可能仅为其识别芯片出现故障，记录是否正常，需进行标定检查予以判断。

通过以上排查，可知：①连接板故障：引起高、中、低频电磁场观测数据异常；②ADB板故障：引起所对应通道资料异常；③磁探头故障：通常引起观测的电磁场所对应频段的异常；④磁探头线故障：引起整个频段的电磁场异常。总之，仪器自检、主机检查、磁探头标定，是快速排查GMS-07e电磁观测系统故障的重要手段，也是进行固定长期大地电磁仪观测系统正常运行的重要检查手段。因此，在大地电磁测量施工前，有必要进行以上检查，以确保GMS-07e大地电磁仪的正常运行。