地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)中人工電磁干擾抑制技術(shù)研究

謝 凡

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)中人工電磁干擾抑制技術(shù)研究

謝 凡

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅具有學(xué)術(shù)研究意義，也是不可或缺的國家基礎(chǔ)戰(zhàn)略資源。但是，目前我國地磁臺(tái)網(wǎng)中，近1/3地磁臺(tái)站正日益受到由外界人工電磁干擾源的干擾，產(chǎn)出的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。

本文系統(tǒng)地調(diào)研分析了我國地磁臺(tái)網(wǎng)中常見的人工電磁干擾源及其在全國地磁臺(tái)站的分布情況。研究了這類常見干擾源的干擾影響機(jī)理和模式。進(jìn)而“對(duì)癥下藥”，引入適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)處理方法對(duì)干擾進(jìn)行辨識(shí)和抑制。

論文的主要研究內(nèi)容包括：

（1）在直流供電城市軌道交通干擾模型方面，采用經(jīng)典的真空中的線電流磁場(chǎng)計(jì)算模型，通過簡潔的代數(shù)表達(dá)式來對(duì)軌道交通干擾的遠(yuǎn)場(chǎng)干擾模型進(jìn)行建模。該模型計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)任意一點(diǎn)受到的干擾的數(shù)值大小，模擬了隨時(shí)間變化的干擾變化曲線和隨垂直距離變化的干擾衰減曲線。通過對(duì)天津地鐵干擾的理論計(jì)算和實(shí)地觀測(cè)表明，該模型模擬干擾值和實(shí)際干擾幅度相吻合。

（2）將獨(dú)立分量分析技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)分析工具引入地磁數(shù)據(jù)軌道交通干擾辨識(shí)。使用滿足統(tǒng)計(jì)意義上獨(dú)立并且正交的線性變換矩陣對(duì)地磁觀測(cè)臺(tái)陣中對(duì)含有軌道交通干擾的多通道觀測(cè)數(shù)據(jù)提取獨(dú)立分量。通過功率譜分析以及時(shí)頻分析方法提取與軌道交通干擾特征一致的獨(dú)立分量成分。通過對(duì)混合矩陣的逆變換，剝離觀測(cè)信號(hào)中的軌道交通干擾。

（3）提出了適用于軌道交通干擾的小波域噪聲閾值抑制模型及方法。采用小波域噪聲閾值抑制模型及方法對(duì)天津靜海臺(tái)受軌道交通干擾的地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行抑制。采用小波域尺度間模型對(duì)晚間未受干擾時(shí)間段進(jìn)行提取，采用尺度內(nèi)模型對(duì)各受干擾尺度閾值進(jìn)行有效估算并進(jìn)行抑制。該方法利用信號(hào)本身或者一些參考信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)對(duì)小波系數(shù)建立更準(zhǔn)確的模型，同時(shí)在整體問題的不同層次上，把多種濾波方法有機(jī)結(jié)合起來，以取得最優(yōu)濾波效果。在結(jié)果分析中引入多種評(píng)價(jià)方法對(duì)抑制結(jié)果進(jìn)行了多角度的對(duì)比。

（4）將數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波這類非線性數(shù)據(jù)濾波方法應(yīng)用于偶發(fā)性隨機(jī)干擾中鐵磁性物質(zhì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖狀干擾以及儀器噪聲干擾抑制。構(gòu)造了適用于這類干擾結(jié)構(gòu)特征的形態(tài)學(xué)濾波器。通過地磁數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波器具有抑制脈沖干擾地磁信號(hào)噪聲，降低儀器噪聲干擾，保留地磁信號(hào)特征，提高地磁信號(hào)信噪比等良好的特性。最后通過對(duì)實(shí)際受干擾地磁信號(hào)的處理，取得較好效果。

（5）把極值特征尺度引入地電干擾辨識(shí)技術(shù)作為主要參數(shù)。并采用預(yù)白化技術(shù)在原始地磁數(shù)據(jù)中加入正態(tài)分布的白噪聲的輔助技術(shù)來達(dá)到輸入信號(hào)、噪聲以及系統(tǒng)非線性三者之間達(dá)到最佳的匹配關(guān)系，使得地電干擾的極值特征尺度的辨識(shí)方法更為穩(wěn)定和精確。

（6）開發(fā)了地磁數(shù)據(jù)干擾抑制系統(tǒng)。使用基于MATLAB的核心干擾識(shí)別和抑制算法以組件對(duì)象技術(shù)（COM）的形式提供給該系統(tǒng)調(diào)用。在系統(tǒng)架構(gòu)上采用Windows DNA架構(gòu)。在界面的開發(fā)上采用微軟成熟的MFC架構(gòu)。同時(shí)給出了系統(tǒng)架構(gòu)模型及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這一系統(tǒng)及其各模塊實(shí)現(xiàn)技術(shù)具有高效靈活、便捷、交互性好等特點(diǎn)，在地磁數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域具有一定的推廣價(jià)值。

地磁干擾抑制；軌道交通干擾模型；小波域噪聲閾值抑制模型；獨(dú)立分量分析；數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)；地電干擾；極值特征尺度；MATLAB

（作者電子信箱，謝凡：xiefan＠cea-igp.ac.cn）

P318.6；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.01.019