基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的地磁日變數(shù)據(jù)處理方法研究

龍生海，鄒時(shí)林，王勝平

（東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

地磁是地球的一個(gè)重要的地球物理特征。地磁場(chǎng)不是恒定不變的，而是隨時(shí)間緩慢變化的。研究這種變化的時(shí)空分布規(guī)律對(duì)于了解地球內(nèi)部物質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)具有重要意義。近年來地磁在水下無源導(dǎo)航以及地震預(yù)報(bào)方面的研究也取得了突破性的進(jìn)展［1－3］，已經(jīng)成為地震監(jiān)測(cè)的重要手段。地磁臺(tái)站是最基本的地磁監(jiān)測(cè)手段。我國(guó)的地磁臺(tái)網(wǎng)發(fā)展迅速，1Hz采樣率的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)［4－5］。如何對(duì)如此高密度的地磁時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析計(jì)算成為研究的重點(diǎn)，包含準(zhǔn)確變化特征的地磁日變數(shù)據(jù)是地震科學(xué)研究的根本保障。

正是基于此背景，本文提出基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的地磁日變處理技術(shù)，并對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行深入分析。

1 理論方法

傅里葉變化是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中最經(jīng)典的算法，對(duì)于離散的地磁觀測(cè)序列，離散傅里葉變換實(shí)現(xiàn)了頻域離散化，在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中起著及其重要的作用，它可以直接用來分析信號(hào)的頻譜、計(jì)算濾波器頻率響應(yīng)，以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)通過線性系統(tǒng)的卷積運(yùn)算等。該方法既可以大大減少運(yùn)算時(shí)間，在選取合適的截止頻率的情況下又可以實(shí)現(xiàn)有用信息的最大保留。

傅里葉變化可以看做是傅里葉級(jí)數(shù)的連續(xù)形式。傅里葉級(jí)數(shù)把定義在［－π，π］上的信號(hào)分解為頻率為整數(shù)倍關(guān)系的諧波分量組合，相應(yīng)的傅里葉變換將一個(gè)無限時(shí)寬的信號(hào)分解為頻率為λ的一系列頻率分量，其中λ可以是任意實(shí)數(shù)（甚至是復(fù)數(shù)）。如果x（t）是定義在整個(gè)實(shí)軸上的實(shí)值或復(fù)值函數(shù)，則其傅里葉變換可由式（1）給出。

若對(duì)任意參數(shù)f，上述積分都存在，則式（1）確定了一個(gè)函數(shù)X（f），稱為X（f）的傅里葉變換，如果已知X（f），則利用如下的傅里葉逆變換，還可以復(fù)原x（t）。

若x（t）和X（f）同時(shí)滿足式（1）和式（2），則稱它們是一個(gè)傅里葉變換對(duì)，記為x（t）?X（f），通常X（f）是一個(gè)復(fù)函數(shù)，因此可以寫成以下2部分：

式中：R（f）和I（f）分別是X（f）的實(shí)部和虛部。將式（3）表示成指數(shù)形式常常是方便的。

快速傅氏變換（FFT），是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅里葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。它對(duì)傅氏變換的理論并沒有新的發(fā)現(xiàn)，但是對(duì)于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者說數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅里葉變換是很大進(jìn)步。

該算法可以實(shí)現(xiàn)離散信號(hào)從時(shí)間域到頻率域的轉(zhuǎn)換，在得到信號(hào)的頻率之后，可以根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)h除或保留自己需要的頻率段，將所保留的數(shù)據(jù)再進(jìn)行傅里葉逆變換。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)離散地磁數(shù)據(jù)的平滑處理。

2 處理過程

2.1 質(zhì)量控制

各類地磁變化具有不同的相態(tài)和時(shí)空分布特征，并且常常疊加在一起，起伏變化有時(shí)比較平緩，有時(shí)比較劇烈。有時(shí)就形成了一種復(fù)雜的干擾。同時(shí)地磁數(shù)據(jù)對(duì)外界的干擾十分的敏感。如果測(cè)站周圍有任何磁性體都會(huì)對(duì)原始地磁數(shù)據(jù)序列產(chǎn)生很大的干擾，從而引起地磁數(shù)據(jù)的異常突變。因此在數(shù)據(jù)處理之前必須首先對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量控制［6－8］。

本文所述方法采用抗差卡爾曼濾波與人工交互式方法相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)了對(duì)地磁日變數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。

2.2 基于FFT的地磁數(shù)據(jù)平滑方法研究

目前地磁數(shù)據(jù)的采樣率已經(jīng)可以到達(dá)1Hz的頻率。如此高采樣率的地磁數(shù)據(jù)雖然可以更好反應(yīng)地磁變化，但是由于各種原因引起的小的噪聲，使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一種鋸齒狀的變化特征。具有不同時(shí)變特征的數(shù)據(jù)有不同的用處，因此研究可以方便為不同用戶快速提供不同特征數(shù)據(jù)的方法顯得至關(guān)重要。本文基于第一部分提出的FFT數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，展開對(duì)地磁日變數(shù)據(jù)的平滑處理。

地磁日變數(shù)據(jù)的平滑處理一直是地磁數(shù)據(jù)處理中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。利用FFT算法可以將地磁日變觀測(cè)數(shù)據(jù)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域，再根據(jù)相應(yīng)的截止提取地磁日變序列中的長(zhǎng)周期信號(hào)，最后將提取出的信號(hào)通過FFT逆變換轉(zhuǎn)換到時(shí)間域。該方法也可以實(shí)現(xiàn)地磁數(shù)據(jù)的平滑。但是其中截止周期的確定是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

本文通過研究表明，選擇不同的截止周期可以為用戶提供不同特征的數(shù)據(jù)，可以滿足不同的需求。圖1～4為采樣間隔為1s的原始數(shù)據(jù)分別在周期為100s、300s以及500s所對(duì)應(yīng)的結(jié)果圖，圖中細(xì)線代表原始數(shù)據(jù)，粗線代表計(jì)算結(jié)果。

由圖1～4可以看出，采用FFT算法，選取不同的周期提取數(shù)據(jù)的特征各不相同。圖1選用周期為100s，提取數(shù)據(jù)很好地反映了數(shù)據(jù)細(xì)微的變化，同時(shí)也將可能是噪聲的誤信號(hào)帶入其中。該數(shù)據(jù)可以用于物探、地震、磁暴預(yù)測(cè)等對(duì)數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)要求很高的鄰域，并不是數(shù)據(jù)平滑的最佳截止周期。圖2選用周期為300s，提取數(shù)據(jù)很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的平滑，與圖3相比在細(xì)節(jié)部分對(duì)數(shù)據(jù)的反映更加真實(shí)。圖4選用周期為1 000s，該數(shù)據(jù)反映了地磁變化趨勢(shì)，通過選用合適的濾波門限可以用于地磁日變數(shù)據(jù)的消噪，但是其也丟失了過多的地磁數(shù)據(jù)時(shí)變特征，不能很好反映整個(gè)地磁序列的細(xì)部特征。因此，建議確定300s為地磁日變數(shù)據(jù)平滑的截止周期。同時(shí)通過上述研究，分別得出了幾種數(shù)據(jù)截止周期（見表1）。

表1 1Hz采樣率原始數(shù)據(jù)不同的截止周期選擇 s

圖1 周期為100s時(shí)的計(jì)算結(jié)果

3 試驗(yàn)分析

通常地磁數(shù)據(jù)的平滑多選用多項(xiàng)式擬合逼近的辦法來實(shí)現(xiàn)。如果曲線的階數(shù)選擇的過小，擬合效果不好；如果曲線的階數(shù)過高，雖然數(shù)據(jù)點(diǎn)上看到效果好，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間會(huì)出現(xiàn)有數(shù)據(jù)振蕩的問題且計(jì)算速度很慢效率較低，同時(shí)可調(diào)節(jié)性過小。為驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性與可靠性以及與傳統(tǒng)方法相比較具有的優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用中國(guó)西部某地磁日變站2008年某一天的地磁日變?cè)加^測(cè)數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)?；谖闹兴鯢FT方法及截止周期的確定，選取300s的截止周期，將數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，并與5階多項(xiàng)式模型進(jìn)行比較（見圖5、圖6）。

通過圖5、圖6可以看出，二者在圖像上都實(shí)現(xiàn)了與原始數(shù)據(jù)的逼近，均可以對(duì)原始地磁序列的平滑處理，但是FFT算法可以更真實(shí)地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，與原始數(shù)據(jù)的趨勢(shì)吻合的更好。多項(xiàng)式方法的擬合結(jié)果雖然也實(shí)現(xiàn)了趨勢(shì)的反映，但是其對(duì)圖像的一些細(xì)部特征未能很好地表達(dá)，由圖5還可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)算法有一定的時(shí)延效應(yīng)。平滑曲線與原始趨勢(shì)相比有一定的滯后。

4 結(jié) 論

本文通過實(shí)驗(yàn)分析得出如下結(jié)論：

1）基于FFT數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的地磁日變處理方法是正確和可靠的。用于1Hz采樣率的地磁日變數(shù)據(jù)平滑的截止周期建議選擇300s。同時(shí)利用該法還可以根據(jù)自己的需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)部特征提取及消噪。

2）傳統(tǒng)的多項(xiàng)式擬合逼近的辦法可以實(shí)現(xiàn)地磁日變數(shù)據(jù)的平滑，但是其反映數(shù)據(jù)細(xì)部特征的能力有限，同時(shí)還存在一定的滯后性，性能略低于FFT算法。

3）地磁日變數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是地磁日變數(shù)據(jù)處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在地磁日變數(shù)據(jù)處理之前，必須進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。

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