地震地电阻率观测在国内地震监测、预报中发挥着重要的作用，由于城市化进程的加快，地表电阻率台站观测环境干扰严重^[1]。各种漏电干扰不断增加，同时很多台站使用的“十五”“背景场”项目的仪器日益老化，容易引起干扰数据。造成原因主要有2种：一是观测系统故障，主要由外线路老化、避雷装置故障、接头接触不良等造成；二是场地环境变化，主要由观测场地附近新增或拆除供电设备、金属管道和交直流漏电造成数据异常等。对于上述干扰的检查方法，主要是通过仪器标定、替换、外环境巡查、线路绝缘等。

但上述检查方法对测区内漏电无法准确判定，存在排查难度大、耗时长，导致无法快速、准确地判断干扰原因。目前，台站没有地电专用仪器故障、漏电检查仪，不定时出现的异常判别对工作人员地电观测技术要求较高。本文针对地电仪器的测量原理和测区漏电特性，研发了地电观测干扰数据检查仪，为地电台站提供一个新的排查依据，从而提高工作效率。

地电观测仪器观测时间间隔较长，中间无法记录到地电场变化和仪器工作状态，出现数据异常时不能准确判断干扰原因，因此需要研制一台高精度、高分辨率、较高采样率的的仪器，接入地电测量极获得实时数据，再对这些干扰数据变化特征进行分析，确定干扰原因。

该仪器由ARM工控板、PIC18F4520 8位单片机、U北斗/GPS授时模块+天线、ADS12568通道模数转换模块、锂电池/12 V线性电源、数据线、测量线、4根铜针（野外漏电检查）等组成。仪器采用32位的ARM9工控板，内含WINCE6.0操作系统，系统内有c#开发的地电观测环境干扰数据采集波形显示软件。该软件通过RS232串口向PIC单片机发送读取数据指令，单片机处理通过SPI接口与24位高精度ADS156模数采集模块通信，发送读取测量电压数据命令；采集模块对地电测量极M、N电极或观测场地电压测量^[1]，将测量数据通过SPI接口传给单片机；单片机将数据进行计算处理、格式转换后，发送给工控板上的采集软件；采集软件再按指定格式生成秒数据和分钟值文件。当地电数据出现异常时，用FTP软件通过本地或远程下载数据进行分析，识别出观测干扰原因。

图  1  仪器设计结构图

Figure 1.  Instrument design structure diagram

仪器由工控板、电源、GPS授时、数据处理芯片、AD模数转换模块、数据线及4根铜针组成。工控板采用LJD-eWinV5-LT3开发板，V5-3.5寸触控屏wince6.0中文系统、3路RS232/RS485通信串口、TF卡最大支持64 G存储卡、百兆网口，主要功能是完成数据存储、实时波形显示、网络通信、数据传输等。电源部分由12 V、4 A的DC 外接电源、内部LT3045单电源低噪声线性模块和12 V锂电池组成，主要作用是给仪器供电，同时给锂电池充电，保证在野外查漏电干扰时锂电池可以为仪器工作8小时以上供电。单电源线性模块是给数采AD模数转换模块和授时模块提供电压。GPS授时由高精度GPS/北斗一体化模块NEO-M8M陶瓷天线组成，主要功能是给仪器授时，保证仪器时间与工作仪器时间同步。数据通信处理芯片是由8位PCI18F4520单片机组成，主要功能是通过SPI接口读取AD模块数据进行计算处理和格式转换成字符串形式，通过单片机串口与工控板RS232串口2通信，将数据发送到工控板的数据采集软件中。AD模数转换是由24位高精度的ADS1256模块组成，内含有8路输入通道，采用差分输入，分辨率达1 μV，低噪声低温漂Vishay晶圆金属膜电阻，测量电压时确保不受温度影响，数字信号高频衰减电阻，隔离外部高噪声。数据线采用的是4芯信号屏蔽线，一端接入仪器，另一端为4个鳄鱼夹子，分别代表示A1（北+）、B1（南-）、A2（东+）、B2（西-）；当地电数据出现干扰时，将4个夹子，A1接北南向测量极M1、A2接测量极N1，A2接东西向测量极M2、B2接测量极N2。如果是室外查漏电干扰源时，将4根铜针正十字交叉间距5 m插在测区干扰附近，记录漏电干扰源数据，根据干扰方向和幅度确定干扰源位置。

图  2  工控板

Figure 2.  Industrial control boards

图  3  授时模块

Figure 3.  Timing modules

图  4  AD转换模块

Figure 4.  AD conversion module

图  5  单片机处理器

Figure 5.  Microcontroller processor

软件系统由数据采集波形实时显示软件、授时软件、PIC单片机数据处理等组成。波形实时显示软件是基于Visual Studio 2008运行环境来开发的，使用c#语言进行编程，可根据自己的需求进行编辑，移植编译运行在基于wince系统的arm体系结构操作平台上。软件系统的主要功能是显示记录波形和数据备份。具体实现方法：首先对两个串口初始化，通过串口控件comport中BaudRate和PortName属性设置波特率和COM端口号，用文件读取函数StreamReader获得所有参数字符串，用Split(' ')分割字符串获得台站每个参数，File.Exists查看当天有无数据文件，无则通过File.AppendText函数新建空文件，将所有缺测数据置为NULL。利用timer1定时器每秒钟触发一次，利用comportbf.Write("zhkwhx")函数向单片机发送电压采集指令，并通过comportbf.ReadExisting()读取单片机发送的数据，用ByteArrayToHexString(byte[] data)函数将十六进制数据转换成字符串，然后每分钟对秒数据进行平均计算得到分钟值数据，同时按照TXT文本格式“年月日时分（秒）+制表符+数据1+制表符+数据2+换行符”，方便直接复制粘贴到EXECL表格绘图形，通过File.AppendText函数实时保存，并按时间序列存入秒、分钟数据日文件，文件名分别为YYYYMMDD.txt分和YYYYMMDD分钟.txt。仪器内设有两个选项，“地电自然电位差”和“地电场”，根据干扰异常数据选择相应测量方式，当选择“地电场”，软件通过地电场公式换算自动计算出电场值，按上述方法存入DC文件夹中。软件实时绘图功能，利用Graphics.FromImage(bMap)函数创建一个画板，在画板上用gph.DrawLine函数用循环语句绘制2分钟两个测向的秒数据曲线。

连接该检查仪通过LeapFTP软件登陆下载文件，将数据复制粘贴到EXECL表中绘制曲线图形，通过地电仪器在工作前、中、后的数据变化形态特征，分析出地电干扰数据异常原因和干扰位置。首先，需要了解地电阻率供电原理、测量时序，有助于快速数据异常分析。地电阻率采用四极对称装置进行测量，工作过程中采用A、B电极正反向供电，利用测量极在供电期间测量得人工供电电位差△V，通过视电阻率计算公式$ {\rho _{\text{s}}} $=K*ΔV/I得到地电阻率（图6）。从式中可以看出影响地电阻率观测值主要是△V和I，而△V则是由N次正反向供电中测得，如果B、C处任何一处出现方波畸变，都会影响地电阻率观测值。

图  6  地电阻率四极对称装置图

Figure 6.  Four-pole symmetrical device diagram of geoelectrical resistivity

地电阻率仪器观测的供电方法和测量时序理论上为M、N之间人工电位差测值变化时序^[2]，通过了解观测供电波形特征，有助于分析仪器工作状态和观测环境变化情况。仪器测量时序如图7，5分时开始先测M、N之间自然电位差A，之后进行2次正反向供电测量供电电流B，接着进行N次正反向供电测得人工供电电位差C，最后测量一次正反向供电测量供电电流B；然后开始计算N次的地电阻率值，每小时地电阻率观测值可视为由N次观测的地电阻率的平均值。

图  7  地电阻率仪器供电测量时序图

Figure 7.  Timing diagram of geoelectrical resistivity for instrument measurement

以洛阳台地电阻率供电波形为例（图8），第一条曲线A1为观测前NS向自然电位差变化形态，B1段为两次正反供电，用于测量电流大小，C1段为4次正反向供电测量人工供电电位差，为了确保电流稳定可靠C1段后B1段再进行一次正反向电流测量；然后仪器自动计算自然电位差、地电阻率、均方差，完成一次NS向地电阻率观测，D1段为EW向在观测过程中NS向记录到的供电波形。第二条曲线EW向和第一条SN向供电波形是一样的，但位置左右相反。从图8中A1段和A2段可以可以看出，NS向和EW向自然电位差曲线变化正常，说明观测环境和测量线路正常，如果波形异常说明观测环境有漏电现象或测量线有问题。B1和B2波形正常没有出现畸变，说明观测系统和环境正常，如果B1段出现波形畸变而B2段波形正常，说明NS向供电线路故障，反之是EW向供电线路故障；如果B1和B2波形均出现畸变，说明地电稳流电源出现故障。C1和C2段故障判断与B1、B2段相同。B1、C1段波形不正常，而D2段波形正常，说明供电线路和稳流电源正常，NS向测量系统出现故障；同理D1段波形正常，B2、C2段不正常，说明EW向测量系统故障。从图8中可以看出B1、C1、B2、C2供电波形越规则、方波越标准、大小幅度一致，得到的地电阻率值越稳定，均方差越小，观测精度越高，反之电阻率值不稳定、均方差越大，畸形严重时数据“超差”造成缺测。

图  8  地电阻率供电波形分析图

Figure 8.  Geoelectrical resistivity power supply waveform analysis diagram

交流电漏电：以洛阳中心站地电北测量极附近变压器漏电为例，图9a中供电波形A1、B1、C1段严重畸变，造成NS向地电阻率“超差”，而图9b中A2、B2、C2、D2波形正常，说明观测系统正常，问题为NS向测量极附近有漏电干扰，经测量NS向测量极交流电压达13.6 V，远超仪器规定电压，严重造成观测仪器供电电压测量失真。从图9中第一个供电波形向下，说明稳流电源正负极接反，不影响地电阻率数据，但还是需要调换。

图  9  交流电漏电

Figure 9.  Alternating current leakage

地铁干扰：从图10中可以看出，供电波形B1、C1和B2、C2段中出现轻微的不规则，上下高低不平，A1和A2段自然电位差小幅上下漂移，说明目前观测系统正常，观测环境只有地铁干扰，地电阻率均方差变大由地铁干扰造成。

图  10  地铁干扰

Figure 10.  Subway interference

电极故障：有的台站地电NS向和EW向自然电位差年变化几百毫伏，上下漂移，很难判断是环境漏电还是电极故障引起，为了确定电极故障，分别在EW向测量电极M2、N2处，埋设2个临时电极，连接老的外线路，只做对比观测不接入观测系统。原来2个老观测电极连接新外线路与地电观测系统连接，用检查仪分别记录老电极和临时电极自然电场变化做对比分析。从图11a临时电极的数据曲线中看出，数据在4 100 μV左右变化且相对平稳，能清晰地看出地电暴、陕湖线高压直流干扰，其中降雨引起了数据漂移，说明外线路有破损现象。而老电极均没有记录到（图11b），而且数据上下漂移不稳定，说明老电极故障老化严重，需要及时更换。

图  11  观测电极与试验电极自然电位差分钟值对比图

Figure 11.  Comparison of the minute value of the natural potential difference between the observation electrode and the test electrode

合成矢量方法干扰排查：对于干扰源方向的定向计算，源于地电场方向观测原理，即电场矢量合成方法^[3]。原理采用同时观测两个方向的地电场分量进行矢量合成^[3-5]可确定干扰源方位（图12）。将两个测点矢量方向进行合成，交叉点的位置为干扰源位置（图13）。用4根铜针代表4个电极，分别按照正南北正东西十字交叉分布，两个方向电极距离采用5 m或20 m布设（图14）。地电观测干扰数据检查仪的第1测道测量NS向，第2测道测量EW向。以龙门石窟景区夜景灯地埋电缆线漏电检查方法为例。每天晚上18时31分至23时30分漏电干扰造成地电场数据台阶（图15），从图中可以看出EW向长短极距干扰台阶最大，在67 mv/km左右；其他方向测道在30 mv/km左右，说明是漏电干扰大致在EW方向。在地电场EW向电极两边同时架设两台检查仪，发现西边未记录到干扰台阶，而东边记录到干扰台阶比地电场记录的大且合成矢量方向指向东，说明干扰在东边。于是将检查仪继续往东移放置在距离地电场东超200 m远的龙门石窟景区附近，这时记录干扰台阶最大达到1 200 mV/km。根据2个测点数据记录图（图16～17），将干扰幅度EW向分量E_x(A1B1)和NS向分量E_y(A2B2)，在坐标上标合成矢量方向，将两测点的合成矢量方向进行交叉，交叉点就有可能是漏电点位置；该位置附近有夜景灯每天这个时间段亮，关闭后干扰台阶消失，经查夜景灯、地埋线路存在漏电处理后正常（图18）。图19为地电观测干扰数据检查仪。

图  12  电场矢量方向确定干扰方向

Figure 12.  Determine the direction of interference with the electric field vector direction

图  13  确定干扰源位置

Figure 13.  Determine the location of the interference source

图  14  查漏电电极布设图

Figure 14.  Check the leakage electrode layout diagram

图  15  景区夜景灯漏电造成洛阳台地电场数据台阶

Figure 15.  The electric leakage of the nightscape lamp in the scenic area caused the data step of the Luoyang platform electric field

图  16  在测点1查漏电和干扰台阶合成矢量方向图

Figure 16.  Check the leakage and interference step synthesis vector direction map at measurement point 1

图  17  在测点2查漏电和干扰台阶合成矢量方向图

Figure 17.  Check the leakage and interference step synthesis vector direction map at measurement point 2

图  18  景区拆下漏电的夜景灯

Figure 18.  Dismantle the night light with electric leakage in the scenic area

图  19  地电观测干扰数据异常检查仪

Figure 19.  Geoelectric observation interference data anomaly checker

故障分析：数据出现异常时，根据供电波形特征按上述方法分析干扰原因，方法简单易学，通过供电波形前中后可快速分析，判断出是环境干扰还是观测系统故障，缩短排查时间。

数据对比：当地电阻率仪器自然电位差出现异常变化，可接入测量系统记录一段时间，对比数据是否一致，来确定仪器测量系统是否正常，包括仪器主机、电极故障、地电场数据等。

干扰源排查：当观测场地出现漏电干扰时，确实无法确定干扰源位置时可用两套该仪器，在测区内连续记录场地自然电场变化，当出现漏电干扰时，利用上述方法定位排查消除干扰。

远程分析：主要用于协助其他台干扰数据分析，远程访问该仪器通过FTP协议下载仪器内的数据，对其分析确定干扰原因。

微观分析：仪器可以实现秒数据、分数据观测和微伏测量，对一些细微变化进行监测，如地电场扰动、高直干扰、地铁各种干扰形态等，分析数据异常成因。

干扰排除：通过检查仪器测量线不同接法实现。正常接法是第一测道接M1N1和第二测道接M2N2，主要是监测观测环境漏电干扰和观测系统状态的。当确定外线路、电极故障或观测场地漏电后，其只能判断哪个测向但不能判断具体位置。再采用M1M2和N1N2接法实现对具体线路、电极故障以及电极附近漏电干扰位置进行判断。

地电观测过程中存在各种各样的干扰，观测系统故障如无电流、电极故障、外线路断线以及观测环境漏电等，引起干扰数据异常。通过该检查仪器记录数据波形特征，就能够分析出大部分干扰原因和位置。这些工作在室内均可完成，减少室外排查，有效提高了工作效率，对判断观测系统故障效果最佳。检查仪也可用于对野外观测场地其他设备或地埋线路漏电干扰排查，同时通过记录数据验证地电观测数据的可靠性。该仪器不同的接法M1N1-M2N2、M1M2-N1N2、A1M1-BN1等，对系统故障判断、环境变化、干扰方向位置、对比分析等效果更好，已在洛阳、浚县、潢川等台站多次用干扰排查。