0 引言

地电场是由地球内部和外部的各种非人工电流体系与地球介质相互作用在地球表面所产生的电场，包括大地电场和自然电场。其中，大地电场是由电离层中的各种电流体系与地球介质相互作用产生的分布于地球表面的感应电场，具有区域性的特点；而自然电场是由地下矿体、地下水等的分布而产生的电场，具有较强的局部性特点(李金铭，2005；钱家栋，2010；谭大诚等，2014；席继楼等，2015；范莹莹等，2017；席继楼，2019；范晔等，2020)。在地球物理场观测中，地电场观测作为一种重要的地震监测手段，其主要的研究对象为DC~0.1Hz频带内地表电场强度随时间和空间的变化规律，并在此基础上探索地电场变化可能与地震孕育过程的相关性(钱家栋，2010)。孕震过程中，由于地壳介质、应力等环境因素的变化导致地壳介质的电性变化，从而引起地表电场的变化，因此地电场观测对地震预报，特别是短临预报具有重要意义(毛桐恩等，1999)。

20世纪80年代希腊几位科学家提出了地电场观测的VAN方法，即利用连续地电场观测资料中提取的地震电信号(Seismic Electric Signal，SES)预报地震(Varotsos et al，1986、1988、1991)并取得显著成功，为了进一步检验和研究VAN方法，日本、法国和前苏联等国家也相继开展了与地震预报相关的地电场观测与研究工作(Uyeda et al，2000；Ifantis et al，2007；Orihara et al，2009)。

我国在20世纪60年代初至70年代初曾用检流计式的大地电流仪连续记录过大地电场的变化，80年代初基于Z80单板机研制了ZD9大地电场仪，并在甘肃省几个台站进行了试用，90年代后又相继进行了ZD9A系列地电场仪的研制与生产工作，并迅速投入使用，为地震预测以及科学研究提供了大量的连续观测数据，获得很多研究成果(赵家骝等，1995；陈有发等，1999；席继楼等，2002、2016；席继楼，2019；马钦忠等，2003、2004、2014；钱复业等，2005；谭大诚等，2010)。随着科技的发展，地电场观测仪器也不断地进行着更新换代，其所用的控制器也从最初的单板机，经历单片机、工控机，最后到高性能嵌入式处理器。在数字化的过程中，其关键部件模数变换器(ADC)也经历了从8位到24位的高精度转变，采集方式也由最初的单通道采集到目前的多通道并行采集，满足了地电场观测的需求(席继楼等，2016；席继楼、2019)。

随着ZD9系列地电场仪的停产以及仪器更新换代的需要，急需研制一种新型的地电场仪来延续该手段的连续观测。近年来，ARM微处理器不断更新换代，其处理能力得到了空前的提高，高度集成的网络化与显示等技术使得其应用更加趋于小型化和便携性，本文研制的GEF-Ⅱ型地电场仪正是基于ARM微处理器，同时利用FPGA的现场可编程能力实现逻辑接口与数字滤波处理，数据采集部分利用多通道并行采集的32位高分辨力ADC，实验室测试噪声在5μV_pp以内，集成了7英寸的LCD触摸显示屏，实现了地电场观测的自动化，仪器性能与ZD9系列地电场仪相比，在观测精度、频带控制、输入阻抗以及通道独立性等方面有了显著提高，仪器的各项性能指标等符合地震行业地电场观测的需求，其长期稳定性、环境适应性等满足台站实际观测的需求。目前该仪器在监测台网中得到广泛应用，为地震监测预测和科学研究提供连续、可靠的观测数据。

1 地电场测量原理

电场强度是表示电场强弱和方向的物理量，是一个矢量。地电场作为矢量场，在观测点上采用两组正交的观测装置同时测量两个分量值，再利用矢量合成计算得到该点地电场的幅度和方位(席继楼等，2002、2009)，如图 1所示。

实际测量时，通过在地表相互垂直的方向(NS向E_y与EW向E_x)上一定的距离OB、OA处各埋设两个不极化电极，规定NS向电场E_y方向北为正，EW向电场E_x方向东为正，假设各观测方向上的电场均匀分布，那么观测点O的电场E大小为

$ E=\sqrt{E_x{ }^2+E_y{ }^2} $

(1)

其中，电场E的单位为mV/km。方位角θ大小为

$ \theta=\operatorname{arctg} \frac{E_x}{E_y} $

(2)

E_x、E_y的计算方法如图 2所示。

设电极A与电极B间的电位差为V_BA, 则有

$ V_{\mathrm{BA}}=V_{\mathrm{B}}-V_{\mathrm{A}} $

(3)

其中，V_BA单位为mV。电极A与电极B的间距为d, 假设电场均匀分布，则有

$ E_n=\frac{V_{\mathrm{BA}}}{d} \quad(n=x \text { 或 } y) $

(4)

其中，E_n单位为mV/km。电场分量E_x、E_y中均包含了大地电场与自然电场。

为进一步验证观测数据的正确性，规范DB/T 18.2—2006以及DB/T 34—2009要求在每个方位上按长、短极距方式进行布极，长、短极距的极距比不宜小于1.5，短极距不小于200m(杜学彬等，2006；席继楼等，2009)，台站所采用的布极方式通常均为三角形布极，如图 3所示。

可利用长、短极距的观测结果进行相关性检查，从而判断观测数据的质量。

2 地电场仪主要技术指标

地电场仪观测的对象是地电场随时间的变化，根据测量原理可知，仪器的直接测量对象为两个埋地电极间的电位差，实际是对电压的测量，故而仪器的主要技术指标包括电压的分辨力、电压测量范围以及电压的最大测量误差等，行业标准DB/T 29.2—2008对地电场观测仪的进网技术要求进行了相应的规范，本文研制的GEF-Ⅱ地电场仪的主要技术指标与行业标准入网技术要求(钱家栋等，2008)的对比，如表 1所示。

3 系统设计 3.1 系统总体结构

GEF-Ⅱ地电场仪的设计采用了“高精度采集电路+FPGA+ARM”的组合架构，各部分均对应了其系统总体结构中的一个电路单元，图 4给出了GEF-Ⅱ地电场仪的总体结构。

如图 4所示，GEF-Ⅱ地电场仪主要由工作状态转换开关、多通道数据采集单元、逻辑接口与数据处理单元以及主控单元组成。其中，工作状态转换开关为一组位于采集板上的继电器开关及其控制电路，高精度采集电路对应了多通道数据采集单元，FPGA对应逻辑接口与数据处理单元，ARM对应主控单元。

为确保地电场仪始终工作在准确的测量状态，需要定期对其进行标定。工作状态转换开关负责测量信号与标定信号的切换，当进行仪器标定时，标定信号经多路继电器开关切换后输入至多路数据采集单元。

通常，台站采用长、短极距的三角形布极方式(图 3)，每个方位均形成两个电位差，共有6组电压需要测量，为进一步得到同步采集的多路信号，同时降低通道间的相互干扰，本文设计的GEF-Ⅱ地电场仪采用了6路在电气上相互隔离的高精度数据采集电路。每通道采集电路均由信号调理电路、ADC以及信号隔离电路构成。信号调理电路用于实现信号滤波、信号放大与阻抗变换等功能；ADC电路将模拟信号转变为高精度的数字信号；信号隔离电路实现数据采集单元与数据处理单元间的信号隔离，并将数字信号送入逻辑接口与数据处理单元，同时接收用于ADC工作的时钟与控制信号。

逻辑接口与数据处理单元负责与6路ADC间的逻辑接口与第1级数字滤波功能，最后将6路滤波降采样后的数字信号经并串转换电路转换成串行数据，再通过串口上传至主控单元。

主控单元负责进制变换、二级数字滤波、结果计算与存储、校时与定时转换以及数据服务等功能。本单元实现由二进制到十进制的转换、计算结果的定时存储，并向地震前兆数据服务系统提供各种网络服务。

3.2 系统硬件设计 3.2.1 数据采集单元设计

多通道数据采集单元电路为6路电气上相互隔离的数据采集板，其单通道数据采集电路的功能组成结构如图 5所示。

由于地电场仪测量电极时直接与大地相连，被测对象中包含了工频游散电流以及其他地铁/轻轨干扰、直流输电干扰和其他已知人工源等非工频干扰，其以串模或共模干扰的方式进入采集单元(席继楼等，2015；席继楼，2019)。数据采集单元首先需要对输入信号进行预处理，通过RC低通滤波的方式进行初步的信号带宽限制。本设计方案对工频干扰的抑制方式采用过采样与数字滤波相结合的方式，即采用250Hz对输入信号进行采集，可以完整地采集到工频50Hz，再利用数字低通滤波器滤除50Hz的工频干扰信号，采用二阶RC低通滤波的方法即可实现在125Hz频点时信号衰减达到80dB，不会产生频率混叠(图 6、图 7)。

信号放大与阻抗匹配电路用于实现对微弱信号的放大以及与ADC器件输入阻抗的匹配。ADC器件的输入阻抗通常较小，而测量单元输入端阻抗又较高，该电路可实现前后端的阻抗匹配。同时，由于每个ADC器件均有一定的输入信号幅度要求，限幅电路用于保护ADC器件不会因输入信号过大而损坏。信号放大与阻抗匹配电路以TI公司的TLC2652为核心器件，TLC2652为高精度斩波稳零运算放大器，失调电压、失调电流与电压漂移均很小，经常用于微弱信号的放大电路部分。

A/D转换电路核心器件采用TI公司的32位模数转换器ADS1281，可实现高精度的模数变换，相比常用的24bits模数转换器，其在转换精度上有了很大的提高。

信号隔离电路用于实现采集单元的模拟部分与数据处理单元的数字电路之间的信号隔离，防止干扰信号的相互窜入，同时也实现了前后级间的电源隔离。

3.2.2 数据处理单元设计

数据处理单元用于实现将采样率为250Hz的数字信号经数字滤波与重抽样后生成10Hz的数据信号，并上传至主控单元。通常，FIR滤波器设计范围为DC~1Hz，截止频率2Hz，带内波动0.1dB，带外衰减140dB，滤波器阶数1288，其幅度响应曲线如图 8所示。

经FIR数字滤波后，工频干扰信号被抑制掉，数据处理单元的数据吐出频率设为10Hz，故需要对滤波输出的250Hz信号进行重抽降采样，经25分频后可得到10Hz的数据输出。

逻辑接口与数据处理单元采用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列芯片EP3C40F484。EP3C40F484具备39600个逻辑单元，1134K bits RAM，内嵌乘法器126个，锁相环4个，IO接口300余个。FPGA EP3C40F484主要实现两个功能，一是逻辑接口，包括前端与6路ADC芯片的逻辑接口以及后端与ARM控制器的接口；二是数据处理，即多通道数字信号滤波功能需要6路数字滤波器进行滤波，图 9给出了单通道数字滤波器的组成结构。

每个单通道的数字滤波器均由双口RAM、FIR滤波器、降采样以及并串转换几部分功能模块组成，输入信号以32位字长首先送入双口RAM进行缓存，再进行FIR滤波，滤波后的数据经重抽样后得到降采样的数据，再经并串转移后送入串口，最终上传至ARM主控单元。前端双口RAM、6通道FIR数字滤波器、降采样、并串转换以及输入端SPI接口和后端UART接口经逻辑综合后，所占用的FPGA资源包括：逻辑单元6413个，内存651264bits，乘法器72个，锁相环2个，IO接口95个。

3.2.3 主控单元设计

主控单元作为GEF-Ⅱ电场仪的控制中枢，实现对数据处理单元与数据采集单元的控制，同时接收数据处理单元上传的10Hz数据，并对其进行变换与二次滤波等其他处理工作。其核心控制器件CPU采用ARM微处理器实现，可充分利用ARM的低功耗与高性能特点。本方案采用飞思卡尔基于Cortex A9系列i. MX6芯片的核心板，具备双核处理器，主频1.0GHz，内存1GB，带有4GB的EMMC(Embedded Multi Media Card)存储器，具备SATA接口可扩展外部数据存储，另外，具备常用的网络、USB、串行接口与显示接口等，可充分实现主控单元的数据转换、定时处理以及响应地震前兆数据服务系统的服务等功能。

主控单元可通过RS232接口实现控制，通过RS232接口与逻辑接口与数据处理单元相连，通过SATA接口连接数据存储，通过LVDS接口与LCD相连(图 10)。

3.3 系统软件设计

GEF-Ⅱ地电场仪的软件主要用于实现采集数据的进制转换、二次滤波、秒数据生成、秒转分处理、数据存储与数据服务等功能，软件开发基于linux操作系统，开发语言为QT C++，主要包括应用程序与系统服务两部分，共分6个工作进程，即采集进程datacollector、定时进程timer、数据服务进程dbserver、Web服务进程boa、Ftp服务vsftpd与Telnet服务telnetd，如图 11所示。其中，采集进程、定时进程、数据服务进程属于应用程序，Web服务、Ftp服务与Telnet服务属于系统程序。

采集进程datacollector负责数据的采集、进制转换、二次滤波以及实时秒数据的生成与存储、实时分数据的绘图等功能。在图 8中，数据处理单元经一次滤波后实现了由250Hz降采样生成10Hz数据的过程，而主控单元的采集进程经二次滤波实现由10Hz生成1Hz数据，即秒数据，进而生成分数据的过程。二次滤波器设计参数为：通带范围DC~0.05Hz，截止频率0.3Hz，带内衰减0.1dB，带外衰减140dB，滤波器阶数206，-3dB带宽在0.1Hz，二次滤波器幅度响应曲线如图 12所示。

二次滤波后的10Hz数据经秒计时器累加平均后生成秒采样(1Hz)数据，秒采样数据再经分计时器累加平均最终得到分采样数据。同时，该采集进程还负责生成最近5min数据与当天数据，并进行当天数据绘图等。

定时进程timer负责获取ntp服务器地址信息并定时进行网络校时、定时利用秒数据生成《地震前兆台网专用设备通信》规程要求的格式数据，包括每隔3min生成一次当天的格式数据，第二天凌晨生成前一天的格式数据。

数据服务进程dbserver用于通过socket服务响应地震前兆数据服务系统的各项请求。

Web服务进程boa用于响应用户的网页操作，包括仪器参数查看与修改、仪器实时时钟查看、仪器重启与手动校时等控制功能。

Ftp服务进程用于响应用户通过Ftp客户端进行数据下载的服务。

Telnet服务用于响应用户通过telnet端口远程登录、操作与控制仪器。

GEF-Ⅱ地电场仪的数据采集工作流程如图 13所示。

4 台站应用

图 14展示了GEF-Ⅱ地电场仪的外观。图 15为150min长度的GEF-Ⅱ地电场仪短路噪声测试结果，由图可以看出仪器6个通道的短路噪声基本均控制在4μV_pp以内。在北京长城计量院304所进行仪器校准时，该仪器可分辨出1μV的信号变化。

表 2给出了GEF-Ⅱ地电场仪测量范围、输入阻抗、共模抑制比、串模抑制比与道间串扰的实验室测试结果。由表 2可看出，GEF-Ⅱ地电场仪在测量范围、输入阻抗与道间串扰方面较ZD9系列地电场仪均有了一定程度的提高。

表 3给出了GEF-Ⅱ地电场仪进行最大允许误差标定时得到的一组记录值。

GEF-Ⅱ地电场仪采用了32位的ADC芯片实现模数转换，转换精度得到了较大提高，且6路采集通道相互独立，通道间隔离度也很大，仪器的整体性能得到了较大程度的提高。自2017年应用以来，该仪器得到了部分省地震局地电台站的应用和支持，截至目前，系统内共有57个测点的数据入库(表 4)，积累了大量的观测数据。

图 16与表 5分别给出了上海新海界河地电场观测点2023年3月20日的日观测数据曲线及其长、短极距的相关系数，可以看出仪器长、短极距的观测数据相关性较好，场地环境除地铁干扰外(观测数据5—24时前受地铁干扰的影响有高频噪声出现)，没有其他外部干扰存在。

表 6给出了3个测点GEF-Ⅱ地电场仪2022年度的月相关系数与年相关系数统计结果，可以进一步看出该地电场仪在台站的运行稳定可靠，实现了对观测场地电场信号的连续、自动测量，可满足地震监测预测研究的需求。

5 结语

地电场观测作为地球物理场观测的一种重要观测手段，在地震预报分析中起着重要的作用，作为获取观测数据的设备，不仅需要满足一定的技术指标要求，更重要的是观测仪器的稳定性，同时采用新技术、提高用户体验度也是观测仪器的发展方向。GEF-Ⅱ地电场仪采用了“多通道并行采集板+FPGA+ARM”的组织架构，既利用了当前的最新技术，也使该仪器具备了一定的灵活性，数据处理算法的升级与更新可通过ARM与FPGA得到实现，从而延长了仪器的使用周期。通过在多个台站连续几年的观测应用，进一步证明了GEF-Ⅱ地电场仪可满足地电场台站的观测需求。随着仪器的更新换代，该GEF-Ⅱ地电场仪也会逐渐成为地电场观测的主力设备。

致谢: 衷心感谢地电台站GEF-Ⅱ仪器应用人员提供的宝贵意见以及在仪器研发过程中提供帮助的同事，感谢审稿专家及编辑部的意见和建议。