DEMETER卫星观测的ULF电场波形干扰分析

欧阳新艳 申旭辉

1)中国北京 100036 中国地震局地震预测研究所

2)中国北京 100871 北京大学地球与空间科学学院

3)中国北京 100085 中国地震局地壳应力研究所

0 引言

卫星观测能够对与地震孕育有关的地球物理场进行连续、动态地观测，具有高动态和覆盖范围广的特点，可弥补地面离散台站观测能力的不足（申旭辉等，2011）。中国首颗电磁监测试验卫星正在推进，其主要科学目标包括获取中国及邻区电磁场、电离层和高能粒子的观测数据及提取与大地震孕育过程有关的电磁、等离子体和高能粒子的扰动信息（Shen et al，2011）。电磁监测试验卫星将搭载测量空间电场、磁场、等离子体和高能粒子参量的仪器，轨道高度约500 km，倾角约98°，为太阳同步圆轨道卫星（Shen et al，2011）。该卫星大部分载荷和轨道特点与法国DEMETER卫星类似，可利用DEMETER卫星观测数据开展相关分析，为中国电磁监测试验卫星的数据应用积累经验。

DEMETER卫星发射以来，张学民等（2008）、欧阳新艳等（2008，2011）、张学民等（2009）、刘静等（2011）、颜蕊等（2013）利用该卫星观测数据开展了地震电磁、电离层扰动研究。就地震电磁研究，多集中讨论DEMETER卫星探测的ELF/VLF频段扰动（Bhattacharya et al，2007；何宇飞等，2009；曾中超等，2009；张学民等，2009；张学民等，2009；Akhoondzadeh et al，2010；Onishi et al，2011；Zhang et al，2011；朱涛等，2011；Zhang et al，2012；泽仁志玛等，2012）。对于震前ULF扰动，近年研究逐渐增多，在汶川地震、海地地震和智利地震前均发现了ULF异常现象（Athanasiou et al，2011；Zhang et al，2012；Walker et al，2013；Zhang et al，2014）。0.01—100 Hz 频段的电磁波在空间中传播模拟研究表明：ULF频段（f＜ 20—30 Hz）辐射可能穿透岩石圈到达地表，并传播进入顶部电离层和磁层，从而被地面和空间观测系统记录（Molchanov et al，1995）。因而，ULF（0.01—10 Hz）电磁扰动被认为最具前景的地震前兆之一（Hayakawa et al，2007）。在地面ULF观测中，学者们发现了多个地震前ULF异常扰动的可靠记录（Fraser-Smith et al，1990；Molchanov et al，1992；Hayakawa et al，1996；张建国等，2010）。对卫星观测的ULF异常扰动研究近年刚起步，有待深入研究。

本文针对DEMETER卫星观测的ULF电场波形数据，对其中出现的典型干扰进行分析，以便利用该数据开展地震应用研究提供参考，并为分析中国电磁监测试验卫星同类数据干扰提供借鉴。

1 ULF电场波形数据

法国DEMETER卫星于2004年6月发射进入太阳同步轨道，轨道高度710 km，2005年12月轨道高度下降为660 km。法国DEMETER卫星的主要科学目标是研究由地震电磁效应引起的电离层扰动及由人类活动（如地面电力系统谐频辐射、地面甚低频发射机发射的VLF波动等）引起的电离层扰动（Cussac et al，2006；Parrot et al，2006）。DEMETER卫星的探测数据以半轨道文件组织，上行半轨越过赤道时间对应夜间22∶30 LT，下行半轨对应白天10∶30 LT。

DEMETER卫星搭载多种载荷，分别为电场探测仪（Berthelier et al，2006）、感应式磁力仪（Parrot et al，2006）、朗缪尔探针（Lebreton et al，2006）、等离子体分析仪（Berthelier et al，2006）和高能粒子探测器（Sauvaud et al，2006）。其中，电场探测仪由4个球形传感器（E1，E2，E3，E4）组成，安装于4个伸杆末端，卫星上电场探测数据信号处理由BANT模块完成（Berthelier et al，2006）。电场探测仪提供4个频段的观测数据，分 别 为 DC/ULF（0—15 Hz）、ELF（15 Hz—1 kHz）、VLF（15 Hz—17.4 kHz）和 HF（10 kHz—3.175 MHz）。根据卫星巡查（Survey）和详查（Burst）工作模式，地面接收不同频段的电场数据为波形或功率谱数据。DC/ULF频段可提供巡查和详查模式下4通道电势的波形数据，通过两两传感器的电压相减得到电势差，进而得到3个方向的电场数据。DC/ULF频段采样率为39.062 5 Hz，以16位进行数字化，则电势测量分辨率约0.3 mV，对应电场分辨率约 40 μV/m（Berthelier et al，2006）。

2 ULF电场波形数据典型干扰

2.1 标定信号干扰

DEMETER卫星的电场探测仪采用主动式双探针探测原理，在测量过程中为了确定必需的极化电流，需要生成标定信号序列，进而测量两个球形传感器（E1，E3）在此期间的阻抗，会在两个球形传感器的极化电流上叠加625 Hz和10 kHz的标定信号（Berthelier et al，2006）。图1为2005年2月4日白天的一条半轨道记录，展示了标定信号对DC/ULF频段波形数据的影响，给出了DC/ULF频段卫星坐标系下Ex、Ey和Ez三分量波形及VLF频段功率谱。从三分量波形看，Ex和Ez波形出现周期性干扰信号，Ey波形未表现相同干扰信号。由于电场仪工作过程中，只对2个球形传感器施加标定信号，两两传感器差分获得的电场值通过坐标转换矩阵变换到卫星坐标系，由此可知卫星坐标系的Ey分量没有来自施加标定信号的传感器贡献。结合VLF频段E12的功率谱，进一步确定该干扰由上述标定信号引起。从图1(d)清晰可见，625 Hz处沿半轨道出现较强的周期信号。在轨道开始时间T0处观测到一次干扰信号，约T0+4 min处又有一干扰信号；在T0+7 min处进入详查（Burst）模式，伴随一干扰信号；随后，在T0+11 min处有一干扰信号；在T0+13 min处进入巡查（Survey）模式，同步观测到一干扰信号，且每4 min可观测到一次干扰信号。电场数据记录干扰出现时间与电场仪标定信号工作时间一致，即在每次详查和巡查模式开始时以及两种工作模式中每4 min生成一组标定信号；在详查模式下，标定信号持续1 s，而在巡查模式下，标定信号持续4 s（Berthelier et al，2006）。

DEMETER卫星在轨运行期间，于2004年8月上旬至2005年4月上旬和2007年10月底至2007年11月初（与DEMETER卫星首席科学家Michel Parrot教授私人交流）激活标定工作。图2给出2007年11月5日夜间一条半轨道观测的DC/ULF频段三分量波形以及VLF频段E12方向功率谱。与图1类似，Ex和Ez分量波形出现周期干扰信号。结合VLF频段功率谱，发现该扰动信号位于625 Hz，并以周期4 min出现；沿此半轨道无工作模式切换，因而干扰信号均以相同周期均匀出现。

此类脉冲式干扰以固定周期出现，易于联想到固定周期标定信号。通过查看VLF频段功率谱，可以明确干扰所在频率。干扰出现的时间特点与标定信号的工作时间一致，在电磁场数据中观测到此类信号即可确认为由标定信号引起的干扰。

图1 2005年2月4日03150_0轨道DC/ULF频段波形干扰示例(a) Ex分量波形；(b) Ey 分量波形；(c) Ez分量波形；(d)VLF频段E12方向功率谱Fig.1 An example of interferences of DC/ULF waveforms of orbit 03150_0 on Feb.4, 2005

图2 2007年11月5日17859_1轨道DC/ULF频段波形干扰(a) Ex分量波形；(b) Ey 分量波形；(c) Ez分量波形；(d)VLF频段E12方向功率谱Fig.2 Interferences of DC/ULF waveform of orbit 17859_1 on November 5, 2007

2.2 详查（Burst）模式期间噪声干扰

另外一种典型干扰为DC/ULF波形在详查模式期间噪声水平增加。如图1中，约01∶02—01∶08UT时段为详查模式，从Ex和Ez分量波形记录可见电场幅度噪声明显增加，Ey分量无相同现象。这是因为DC/ULF频段叠加大尺度感应电场信号，该信号来源于卫星横越地球磁力线运动产生的V×B电场。DEMETER卫星沿Z轴运动，X轴是天底方向，因而V×B电场主要影响Ey分量。有研究指出，通过IGRF得到磁场B矢量，并获取卫星速度V矢量，将V×B电场从DC/ULF频段的原始波形记录中去除，以便获得真实的空间电场(Pıša et al，2011)。该方法计算复杂且会引入新的误差。我们提出，直接使用滑动平均方法获得趋势波形，通过原始波形去除趋势波形即可得到DC/ULF频段波形的小扰动，亦可突出干扰信号。图3给出2005年2月4日03150_0轨道DC/ULF频段的Ex、Ey和Ez分量波形（与图1轨道相同），横轴为地磁纬度，从65°S至65°N。从图3可见，去除趋势波形后得到扰动波形[图3(c)]，发现详查模式期间（约20°—36°N），DC/ULF频段波形噪声水平增强同样体现在Ey分量，而在原始波形记录中观测不到此现象。

为了确认在详查模式期间DC/ULF波形记录的信号特征，给出该轨道Ex、Ey和Ez分量功率谱，见图4。DC/ULF功率谱增强频段在约1 Hz以下。由于图4利用64点采样数据分段估计，可知频率的分辨率约0.6 Hz，对于1 Hz以下的细节区分度不够。本文只关心详查模式下噪声增加现象，图4给出的功率谱用来确认巡查和详查模式下是否观测到不同频率的信号。图4中的两条白色细线表示详查模式开始和结束时间，可见此时段功率谱密度比其他时段整体增加，但未观测到单个频率或频段的增强信号。查看其他轨道在DC/ULF频段的波形记录，发现详查期间也存在噪声水平增强现象，而功率谱结果表明，无单个频率或频段干扰。虽然详查模式期间ULF波形记录的噪声水平增加，但由于并不存在单个频点或频段的干扰信号，对于后续分析空间真实的ULF扰动影响不大。

图3 2005年2月4日03150_0轨道DC/ULF频段Ex、Ey和Ez分量（a）原始波形；（b）趋势波形；（c）扰动波形Fig.3 Waveforms of Ex，Ey and Ez components in the DC/ULF frequency band of orbit 03150_0 on February 4, 2005

图4 2005年2月4日03150_0轨道DC/ULF频段Ex、Ey、Ez分量功率谱(a) Ex分量；(b) Ey分量；(c) Ez分量Fig.4 Power spectra of Ex, Ey and Ez components in the DC/ULF frequency band of orbit 03150_0 on February 4, 2005.

3 结束语

对DEMETER卫星观测的DC/ULF频段波形典型干扰进行分析，通过与VLF频段功率谱进行对比，确定周期约4 min的标定信号引起DC/ULF频段Ex和Ez分量波形的周期干扰。DC/ULF波形在详查期间噪声水平增加，由ULF频谱发现，此干扰并非来自单个频点或频段的信号，对于分析空间真实的ULF扰动影响不大。希望通过对DEMETER卫星观测的DC/ULF频段波形典型干扰的分析，有助于后续研究ULF电场扰动，并为我国电磁监测试验卫星同类数据干扰分析提供借鉴。

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