震前电磁波观测研究-震前电磁波前兆观测研究

高曙德, 狄国荣, 苏永刚, 高　原, 张　磊, 梅东林, 陈彦平

(甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000)

摘要:“十五”建设的ELF台站均敷设ACF-4M型电磁仪，记录到多次地震前后的电磁异常变化，但该仪器没有实现自动化。本文介绍ELF仪器的远程控制和数据传输以及原始数据转换的研制方案。由于ELF记录仪无法接入因特网，要远程触发ELF仪器必须有中间设备，首先远端计算机通过互联网控制局域网计算终端，通过局域网计算终端运行SM27.exe工作程序来触发并通过相应程序实现数据的传输；将ELF记录仪采集到的时间序列信号(*.SBF数据格式)、仪器本身的参数信息和采集状态信息依据其编码规则转换成通用的数据格式导出，将计算的功率谱、阻抗、阻抗相位文件以优势频率或任意频率形成时间序列文件进行分析，提高ELF观测资料的应用效率，加快观测电磁数据的使用效率。

关键词:ELF电磁观测; 远程控制; 数据传输和编译

地震灾害是造成伤亡人数最多的自然灾害,约为全球灾害的54%。尽管地震预测是当今世界最严峻的科学难题之一,但人们仍然投入了巨大的精力对其进行研究[1-3]。大量观测研究发现,在地震发生前存在电磁异常现象,频段范围从甚高频(VLF)至低频(TLF)及直流(DC)各频段,且异常信息显著[4-5]。近年来许多多震国家,如日本、前苏联、希腊及我国均已开展有关研究,是当今地震预测领域的热点研究课题[6-20]。

2007年我国从俄罗斯引入12套ELF(极低频)电磁观测仪器。在观测试验期间，甘肃陇南汉王台、新疆乌鲁木齐台、云南通海台等地震台站观测到汶川8.0级地震及一系列地震前、后观测的电磁场脉冲异常现象，为地震电磁研究提供了典型震例。近年来，随着我国城乡建设的快速发展，地震观测环境遭到了严重破坏，从而影响了正常观测，如陇南武都汉王ELF电磁台的观测环境受兰渝铁路和武(都)罐(子沟)高速公路的建设、5·12地震灾后重建等影响而遭到严重破坏(大部分ELF也面临相同的境遇)；还有部分台站在电磁场背景变化分析中发现电场观测数据干扰很大，如江苏南京台的东西道电场、乌鲁木齐台的南北道电场、海南琼中台的东西道电场和河北红山台的两道电场，这是由于电场信号具有更强的局部效应，周围各种人文干扰的影响也较大。中国地震局地质研究所、地震预测研究所和甘肃省地震局的电磁专家高度重视这些电磁观测环境遭受的干扰破坏，以期寻求解决的办法。

1.1　需求背景

依据地震台站电磁观测环境技术要求[21]，敷设ELF观测仪的电磁台的最小保护范围应不小于3 km2，但现有的ELF电磁观测台站很难满足该项条件。地震观测仪器经“十五”、“十一五”改造后，数据都通过网络传输，观测人员大部分集中在信息节点所在地工作，而这些地方相对人文活动频繁、干扰较大，不适应ELF电磁观测；在这种情况下只有选择相对偏僻、电磁噪声较小的地域，采用无人值守的方式开展工作。ELF电磁仪器前期主要用于勘探地下金属矿藏和地下结构，设计时只考虑了现场操作功能，未考虑对仪器的远程控制，因此在使用时必须进行人工启动，在局域网内进行观测设置和人工收取资料，这要求每天都要有人值守。要实现ACF-4M型ELF电磁仪远距离的监控和数据的传输，首先要解决ELF仪器的远程控制问题，其次解决数据的传输和编译问题。

1.2　设计思路

图1为笔者对此问题作出的三部规划:(Ⅰ)数据控制中心;(Ⅱ)ELF观测站工作系统;(Ⅲ)ELF观测系统和布极图。由于(Ⅲ)是选台和敷设仪器时最先要解决的问题,具体请参考ELF操作手册*ELF Noble Metal Detector (ACF-4M) Digital Four-Channel Recorder М-К4-СМ27 User Manual,ST.Petersburg state University，2006.,本文不再做详细论述。由于ELF(M-K4-SM27)记录仪连接外界是通过固化内部的IP连接,要触发ELF仪器需运行相关程序。因此要实现远程控制,必须有两套网络系统,一是远端计算机通过互联网控制局域网计算终端,二是通过局域网计算终端运行ELF的SM27.exe工作程序，设定工作时间表、有关参数以及仪器的触发。

(1) 数据控制中心

控制中心是地震系统工作的主要部分，包含各监测台站的信息节点或中心台站(由于观测人员的业务技能熟练，资料处理终端就在这里集中)。ELF仪器远端操作的主要硬件设备有远端计算机、完善的网络设备(Internet有线传输或无线传输)及不间断电源等(图1)；软件部分主要是仪器控制和数据传输协议，笔者主要使用TeamViewe软件和广州协之通信息技术有限公司的XT800软件来连接观测站的PCM工控机，参考闫计明[22]的设计思路，建立操作ELF电磁仪器工作流程。

(2) ELF观测站工作系统

观测站的主要设备有ELF电磁观测仪器和观测系统及PCM工控器。由于观测站一般位于有线网络通讯无法延伸和覆盖的区域，所以要增加无线网络，实现与远端计算机连接。PCM工控器需要安装操作系统、TeamViewe 和XT800通讯软件以及ELF仪器的SM27工作软件等。

1.3　工作过程和测试运行

工作过程主要是通过路由器和可控单片机电路来实现ELF仪器和互联网的连接；远端计算通过Internet启动TeamViewe与观测站的PCM工控机连接(图2)，然后远端启动SM27主程序，发送指令对ELF电磁进行参数设定，实现仪器观测和数据的收取、存储、处理；还可以将数据从观测站传送到机房数据控制中心，从而实现了远端操控。

图1　ELF电磁仪器远端控制和观测系统框图
Fig.1　Block diagram of the remote control and observation system of ELF electromagnetic instrument

图2　TeamViewe连接远程计算机和PCM 工控器示意图
Fig.2　Diagram of using TeamViewe to connect a remote computer and PCM industrial control device

数据的传输实现:ELF仪器工作完成后，超级用户可以直接操作，通过点对点下载数据，且具有读写文件的权利；而普通用户通过仪器的主页下载数据，且只有读文件的权利，无写作权利，以保证仪器正常工作。2013年2月设计完成后，在甘肃陇南中心地震台进行了测试，仪器敷设在距离中心机房13 km的两水应力站。经过一年的测试,仪器性能基本稳定，满足日常电磁观测的需要。

ELF电磁仪记录有3个频段:高频段D3:(1～800) Hz、中频段D2:(1～400) Hz、低频段D1:(0.1～40) Hz;采样频率分别为:3 200、1 600及160 Hz。由于采样率高，俄罗斯科学家采用特殊的数据存储格式(*.SBF数据格式)，使数据高度压缩以减小存储空间，这就限制了数据的广泛使用。本项目对数据的存储方式和压缩技术进行编译，将数据转化成通用的文本数据格式，与中国地震局的前兆数据接轨，方便科学研究。

2.1　软件设计思路和设计方法

该资料处理软件开发环境为Visual C++6.0[23]，其功能是提取ELF(M-K4-SM27)记录仪采集到的时间序列信号以及仪器本身的参数信息和采集状态信息，以文本文件的形式导出，并提取SM27.exe转换后的功率谱、阻抗、阻抗相位文件的优势频率或任意频率,形成时间序列文件以进行单独分析。图3是数据文件编译和信号提取的程序设计菜单。

设计方法:本软件采用传统的软件开发方法、自顶向下逐步求精的结构化软件设计方法以及面向对象的程序设计方法。

图3　ELF数据文件的编译和信号提取程序设计框图
Fig.3　Program design diagrams of the ELF data compiling and signal extraction

2.2　软件结构流程图

(1) 将ELF仪器产出的数据编译，将其中要使用的数据转化后以通用的文本数据文件格式导出，将ELF仪器产出的功率谱、阻抗、阻抗相位等数据以不同频率分离提取，建立时间域的频率文件(图4)。

2.3　菜单功能介绍

2.3.1　系统模块

此模块功能为退出软件(图3)。

图4　ELF数据文件的编译和信号提取的程序流程图
Fig.4　Program flow chart of the ELF data compiling and signal extraction

2.3.2　提取模块

此模块包括提取时间序列模块和提取文件信息模块。

(1) 提取时间序列模块

将ELF(M-K4-SM27)记录仪采集到的信号的时间序列提取并以文本文件的形式导出(图5)。

(2) 提取文件信息模块

将文件中包括的ELF(M-K4-SM27)记录仪本身的信息以及采集过程的信息以文本文件的形式导出(图5)。

(3) 提取各种频率模块

利用SM27.exe软件计算甘肃陇南汉王台电磁数据，发现观测到的2个磁场分量(H1，H2)的自功率谱曲线具有很好的对应性，且在7.8、14、20、25.7、32、39 Hz等频率或附近分别出现的磁场自功率谱极大值与舒曼谐振现象的频率一致[19-20,24]，同时在新疆、云南及河北等多台都有这个特点，所以将这几组频率定位为优势频率。提取频率模块是将其中的优势频率(舒曼谐波频率)或任意频率功率谱、阻抗、阻抗相位等分离出来,单独形成时间序列文件以进行分析(图6)。

图5　ELF的 SBF文件转化成ADC和mKv数据文本文件
Fig.5　Screenshot of transforming the SBF file into ADC and mKv data text file

图6　ELF谱文件抽取固定频率文件示意图
Fig.6　Screenshot of extracting fixed frequency file from ELF spectrum file

2.3.3　帮助模块

此模块功能为提供软件使用帮助信息。

通过对ELF电磁仪的技术改造，实现远程控制和数据传输，扩大了工作范围，可以选用电磁噪声背景较小的观测场地工作，产出高质量的数据，为地震科学研究提供支撑；其次实现了将产出数据转化为通用的文本数据格式，与中国地震局前兆数据库接轨，为更多科研人员使用该资料提供便利。

3.1　实现了远端操作ELF电磁仪

通过网络将远程计算机和ELF工作仪器连接起来，利用远端计算机操作PCM工控机相关程序完成:

(1) 对仪器测量参数设定、修改、存储;

(2) 通过网络进行仪器对钟,建立工作时间表，按照设定的时间顺序仪器工作;

(3) 测量完成后，观测数据存储并进行初步计算，数据存储容量至少15天;

(4) 观测数据传输功能。

3.2　编写了ELF电磁仪器观测数据的转化和提取程序

(1) 将SBF文件转化成ADC和mkv两种不同表述的数据文本文件;

(2) 生成记录仪本身的信息以及采集过程的信息文件;

(3) 可生成优势频率或所需的任何频率功率谱、阻抗、阻抗相位文件;(www.xing528.com)

(4) 帮助文本文件。

3.3　电磁信号的应用前景

本文控制产品完成后应用到ELF观测系统，可以提高电磁观测场地工作范围，产出高质量电磁数据，数据转化后可与中国地震局地震前兆数据库接轨，提高ELF观测资料的应用效率、加快观测电磁数据的应用频度,对地震短临监测、预测有着实际意义;其次解决台站人员短缺和看护问题、减小维持费用，促进防震减灾工作持续发展。

致谢:控制设备研制的过程中得到中国地震局地质研究所汤吉研究员的指导和讨论，ST.Petersburg state university免费提供SBF数据文件格式，北京欧华联有限公司工程师朱学会提供了技术咨询,软件部分由陇南地震台狄国荣工程师完成,陇南地震台参加了设备的测试工作,无偿使用TeamViewe 和XT800软件,在此表示感谢！

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(Earthquake Administration of Gansu Province, Lanzhou 730000, Gansu, China)

Abstract: A great number of electromagnetic abnormal phenomenon before or after earthquakes were recorded by electromagnetic instruments ACF-4M.These instruments have been installed at ELF (extremely low frequency) stations built in the 10th “Five-year Plan” period.With the development of urbanization, many observation sites cannot meet the requirements of electromagnetic observations; therefore, unattended stations with low electromagnetic background noise are needed.However, the measurement system did not achieve the required automation.This study introduces the remote control and data transmission of ELF instruments and the development plan of the original data transformation.As the ELF recorder cannot access the Internet, it is necessary to have intermediate equipment to remotely trigger the ELF instrument.The remote computer controls the local area network’s computing terminal through the Internet, and subsequently through the terminal corresponding programs run to realize data transmission.The ELF instrument can improve the application efficiency of observation data and speed up the use efficiency of electromagnetic data.

Key words:ELF electromagnetic observation; remote control; data transmission and compiling

收稿日期:①2015-04-21

基金项目:国家自然科学基金(41174059);甘肃省地震局科技发展野外站基金(2014Y03)

作者简介:高曙德,男,副研究员.主要从事地震监测、预报等研究。Email:gsd_gsd@126.com。

中图分类号:P318.6

文献标志码:A

文章编号: 1000-0844(2016)03-0471-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0471