地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)中典型干擾識(shí)別與處理

楊學(xué)慧，楊正綱，姚休義，王赟輝

(云南省地震局，云南昆明 650224)

0 引 言

基于地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究成果廣泛服務(wù)于國(guó)防建設(shè)、能源和礦產(chǎn)資源的探查、導(dǎo)航及航天環(huán)境的監(jiān)測(cè)，以及震磁關(guān)系研究和地震預(yù)報(bào)實(shí)踐等諸多領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)，一些學(xué)者如馮志生[3]利用地磁垂直分量日變化幅度響應(yīng)比、逐日比和空間分布特征等方法，綜合分析了江蘇及周邊地區(qū)中強(qiáng)震前異常的特征。倪曉寅[4]、李霞[5]等分析了強(qiáng)震前短周期地磁諧波振幅比變化特征。這些研究為短臨跟蹤、長(zhǎng)趨勢(shì)分析等工作提供了顯著的支持，為震磁關(guān)系研究積累了大量資料，而支撐這些研究的基礎(chǔ)就是地磁臺(tái)站產(chǎn)出的連續(xù)完整、準(zhǔn)確可靠的觀測(cè)資料[6]。隨著地磁觀測(cè)技術(shù)的不斷改進(jìn)、電子技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化地磁觀測(cè)儀器陸續(xù)安裝和運(yùn)行，地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)日益豐富，觀測(cè)技術(shù)更加完善。然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，鐵路、公路和電網(wǎng)等國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)運(yùn)行，地磁臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境不可避免受到不同程度的干擾，進(jìn)而影響地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，制約地磁觀測(cè)工作的發(fā)展和應(yīng)用效能的發(fā)揮，同時(shí)也影響依賴地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)科學(xué)研究。

1 觀測(cè)現(xiàn)狀

目前云南地區(qū)共有地磁觀測(cè)臺(tái)站11個(gè)，臺(tái)站分布見(jiàn)圖1。其中，通海、楚雄和永勝三個(gè)臺(tái)站地磁數(shù)字化觀測(cè)始于2008年。為加強(qiáng)云南地區(qū)地磁觀測(cè)能力，2015年云南省地震局依托中國(guó)地震局背景場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目，新建了景谷、勐臘、富源、西盟、盈江、馬關(guān)和云龍7個(gè)相對(duì)觀測(cè)臺(tái)和麗江基準(zhǔn)地磁臺(tái)，較大程度提升了云南地磁觀測(cè)密度，各臺(tái)站觀測(cè)儀器配置狀況詳見(jiàn)表1。

圖1 云南省地磁臺(tái)站分布

背景場(chǎng)項(xiàng)目新建地磁臺(tái)站觀測(cè)運(yùn)行至今，部分臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境受到不同程度的干擾，其中盈江、勐臘、西盟、富源及景谷等5個(gè)臺(tái)站受到高壓直流輸電、車輛、裝置系統(tǒng)和人為等干擾的影響。這些影響在數(shù)據(jù)曲線上表現(xiàn)為尖峰、大小臺(tái)階(驟變、緩變)或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等。以盈江地震臺(tái)和富源地震臺(tái)為例，2016年8月11日，盈江地震臺(tái)2號(hào)測(cè)點(diǎn)的GM4-XL儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)中就存在2184個(gè)干擾信號(hào)，Z分量最大變化幅度達(dá)31 nT；2018年11月24日，富源地震臺(tái)受高壓直流輸電影響，Z分量受嚴(yán)重影響，干擾幅度高達(dá)43 nT(圖2)。

圖2 觀測(cè)儀器受各類典型干擾

對(duì)于上述的干擾變化，只能采取人工逐項(xiàng)識(shí)別、手動(dòng)干預(yù)的方法進(jìn)行處理，這種方法涉及高采樣率導(dǎo)致工作量極為龐大，加之分量多、干擾類型復(fù)雜等因素進(jìn)一步增加了人工處理難度。鑒于以上情況，謝凡等[7-9]通過(guò)建立干擾模型模擬軌道交通對(duì)地磁觀測(cè)的干擾，利用小波方法對(duì)其進(jìn)行干擾抑制，取得較好結(jié)果。吳利輝[10]利用經(jīng)典功率譜估計(jì)法對(duì)地鐵干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行了功率譜對(duì)比分析,然后通過(guò)小波變換對(duì)受干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾抑制處理，再進(jìn)行多級(jí)分解和重構(gòu)，取得了較好的處理效果。鄭星亮[11]、苑益軍[12]采用窗函數(shù)、同相疊加技術(shù)和信號(hào)延時(shí)疊加來(lái)提高信噪比，降低信號(hào)受干擾程度。然而，地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)往往同時(shí)受多種干擾影響，且時(shí)間尺度不同，導(dǎo)致單一的分析處理方法不適用于日常預(yù)處理工作，亟需一種能快速識(shí)別典型干擾信號(hào)并自動(dòng)預(yù)處理的方法。通過(guò)對(duì)地磁數(shù)據(jù)中的典型干擾特征進(jìn)行分類，使用一階差分識(shí)別、參考分量斜率反算及線性插值等處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，嘗試研究一套適用于地磁干擾自動(dòng)識(shí)別及預(yù)處理的方法，以期在保證正常數(shù)據(jù)形態(tài)的基礎(chǔ)上，將曲線中的臺(tái)階、尖峰、高壓直流輸電干擾和畸變等信號(hào)去除，實(shí)現(xiàn)典型干擾的識(shí)別與自動(dòng)預(yù)處理。

2 干擾特征分類

目前，對(duì)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)造成干擾的主要因素包括交通運(yùn)輸、基建施工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及高壓直流輸電等。交通運(yùn)輸干擾是指車輛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中近距離接觸觀測(cè)室，產(chǎn)生近場(chǎng)區(qū)偶極源電磁場(chǎng)導(dǎo)致觀測(cè)環(huán)境受到干擾，其影響程度主要取決于車輛距觀測(cè)儀器距離的遠(yuǎn)近，在垂直分量上表現(xiàn)為隨著干擾源由遠(yuǎn)及近再遠(yuǎn)離的過(guò)程，曲線呈現(xiàn)快速下降又恢復(fù)的形態(tài)(圖3a)?；ǜ蓴_和農(nóng)業(yè)活動(dòng)是指觀測(cè)臺(tái)站附近由于建筑施工、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等，鐵磁性物質(zhì)接近觀測(cè)室產(chǎn)生的近場(chǎng)區(qū)偶極源電磁場(chǎng)干擾和施工過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲干擾[6]，多表現(xiàn)為曲線呈雜亂無(wú)章的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)(圖3c)或者尖峰現(xiàn)象(圖3d)。高壓直流輸電技術(shù)是將三相交流電通過(guò)換流站整流變成直流電，然后通過(guò)直流輸電線路送往另一個(gè)換流站逆變成三相交流電的輸電技術(shù)[13]，其對(duì)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)造成的影響有時(shí)域特征：同一條干擾線路同一個(gè)干擾事件對(duì)線路兩邊的地磁臺(tái)站觀測(cè)造成的干擾同步發(fā)生、方向及幅度特征表現(xiàn)為在導(dǎo)線的兩邊產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，大小與輸電線路中的不平衡電流的大小成正比，與輸電線距臺(tái)站的視距離成反比等，主要體現(xiàn)在垂直分量上，高壓直流輸電干擾在地磁數(shù)據(jù)曲線上表現(xiàn)為緩變臺(tái)階(圖3b)和直上直下的驟變臺(tái)階，其中驟變臺(tái)階可以通過(guò)定量改正處理，而緩變臺(tái)階由于起始和結(jié)束時(shí)間難以確定，通常需要人工判定，此干擾類型是本次研究的重點(diǎn)?？傮w而言，除驟變臺(tái)階和單點(diǎn)尖峰以外，其余干擾形態(tài)具有多點(diǎn)復(fù)雜畸變、幅度大、逐漸偏離日變形態(tài)的共性。由此，可嘗試?yán)眠@一共性，歸類為緩慢變化處理。

圖3 干擾形態(tài)示意圖

3 干擾識(shí)別與處理

3.1 干擾識(shí)別方法

將需要進(jìn)行預(yù)處理臺(tái)站定義為對(duì)象臺(tái)站，其受干擾的地磁某一分量定義為對(duì)象分量，選取參考臺(tái)站的同一分量作為參考分量。參考分量及參考臺(tái)需滿足以下條件：觀測(cè)環(huán)境干擾較小、背景噪聲低于臺(tái)網(wǎng)平均噪聲水平，預(yù)處理當(dāng)日數(shù)據(jù)連續(xù)完整、內(nèi)精度好，無(wú)鐘差，未受高壓直流輸電干擾影響，已產(chǎn)出預(yù)處理數(shù)據(jù)，對(duì)象分量和參考分量應(yīng)為同一分量。經(jīng)調(diào)研，通海地震臺(tái)、云龍地震臺(tái)(自2017年以來(lái))及麗江地震臺(tái)的地磁觀測(cè)滿足上述條件。

3.1.1 編碼

3.1.2 閾值的設(shè)定及確定需處理時(shí)段

前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在觀測(cè)系統(tǒng)工作正常，無(wú)高壓直流輸電、基建干擾、車輛干擾或人為干擾等觀測(cè)環(huán)境極為優(yōu)秀的臺(tái)站產(chǎn)出的數(shù)據(jù)中，一階差分均小于等于0.4 nT。而富源、通海等地震臺(tái)站受高壓直流輸電影響時(shí)段內(nèi)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)中，一階差分均大于等于0.5 nT(如圖4，為2020年5月5日富源地震臺(tái)受高壓直流輸電影響時(shí)段的數(shù)據(jù))。其余干擾導(dǎo)致的一階差分結(jié)果更大，擾動(dòng)時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)一階差分結(jié)果也大于0.5 nT，故在排除擾動(dòng)時(shí)段的基礎(chǔ)上，以0.5 nT為閾值，能最大限度保證干擾信號(hào)被處理而又不會(huì)導(dǎo)致過(guò)度處理，這也是目前全國(guó)地磁秒數(shù)據(jù)人工預(yù)處理普遍采用的閾值，據(jù)此，將閾值設(shè)定為0.5 nT。

圖4 2020年5月5日富源地震臺(tái)受高壓直流輸電干擾影響

將對(duì)象分量進(jìn)行兩次一階差分計(jì)算依次檢測(cè)，閾值R=0.5 nT，第一次檢測(cè)， 當(dāng)|Yn-Yn-1|≥R且|Yn+1-Yn|

(1)

3.2 數(shù)據(jù)處理

(2)

由于前期對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行過(guò)編碼，故：

Xn+1-Xn=1

(3)

K=Yn+1-Yn

(4)

即，值等于一階差分的計(jì)算結(jié)果。

由于定點(diǎn)觀測(cè)的磁場(chǎng)變化相對(duì)穩(wěn)定，兩定點(diǎn)觀測(cè)地磁臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)極高，因此嘗試將參考分量數(shù)據(jù)段內(nèi)相鄰兩點(diǎn)的斜率應(yīng)用在對(duì)象分量上，即設(shè)定對(duì)象分量與參考分量的斜率相同，即：

K(n+1)=K'(n+1)

(5)

=Y(n+1)-Yn

(6)

Y(n+1)=K'(n+1)+Yn

(7)

至此，即可對(duì)緩變時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)依次插值。

基于上述方法，開(kāi)發(fā)了處理軟件，可直接連接數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)臺(tái)站實(shí)際情況選擇參考臺(tái)站、分量，以及設(shè)定處理時(shí)段，該軟件在經(jīng)過(guò)驗(yàn)收后可直接推廣至各個(gè)地磁臺(tái)使用(圖5)。

圖5 地磁干擾數(shù)據(jù)自動(dòng)處理軟件界面

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理效果檢驗(yàn)

前期大量統(tǒng)計(jì)分析顯示，相鄰兩個(gè)臺(tái)站的相同分量之間的相關(guān)性相對(duì)穩(wěn)定，臺(tái)間距相近的兩個(gè)臺(tái)站、相同分量之間相關(guān)性亦保持相同水平，故可以此檢驗(yàn)該方法的處理效果。以云龍臺(tái)為參考臺(tái)(其一階差分結(jié)果遠(yuǎn)低于閾值0.5 nT)、盈江地震臺(tái)為對(duì)象臺(tái)站，處理后的相關(guān)系數(shù)將與臺(tái)間距相近的永勝地震臺(tái)至云龍地震臺(tái)的相關(guān)系數(shù)作比對(duì)，若兩個(gè)相關(guān)系數(shù)相近，則認(rèn)定處理成功，該方法有效。結(jié)果如表2所示，可以看出處理后盈江地震臺(tái)與云龍地震臺(tái)的相關(guān)性與已知的永勝地震臺(tái)與云龍地震臺(tái)的相關(guān)性相近(表2)；同樣，以景谷地震臺(tái)為參考臺(tái)，西盟地震臺(tái)為對(duì)象臺(tái)站，處理后的相關(guān)系數(shù)與臺(tái)間距相近的勐臘地震臺(tái)至景谷地震臺(tái)的相關(guān)系數(shù)作對(duì)比(表2)，根據(jù)兩次的結(jié)果可以看出處理效果較好，達(dá)到研究目的效果(圖6)：

表2 處理前后的相關(guān)性

圖6 盈江地震臺(tái)Z分量處理效果

本文曾嘗試使用交通運(yùn)輸干擾、基建干擾基本為零的對(duì)象分量的子夜值與參考分量子夜值計(jì)算背景相關(guān)系數(shù)，再用處理后的相關(guān)性與之對(duì)比，以期檢驗(yàn)處理效果。但由于子夜時(shí)間段內(nèi)磁層電流特別微弱、來(lái)自于磁層的變化磁場(chǎng)也很弱，更多是電離層電流體系在不同的地下結(jié)構(gòu)感應(yīng)出的不同的感應(yīng)磁場(chǎng)，受局部環(huán)境影響比較大，相關(guān)性較差，不具備可比性。

5 討 論

在處理效果檢驗(yàn)的過(guò)程中，曾嘗試使用車輛干擾、基建干擾基本為零的對(duì)象分量子夜值與參考分量子夜值計(jì)算背景相關(guān)系數(shù)，再用處理后的相關(guān)性與之對(duì)比，以期衡量和檢驗(yàn)處理效果。但由于子夜時(shí)間段內(nèi)磁層電流特別微弱、來(lái)自于磁層的變化磁場(chǎng)也很弱，計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)不穩(wěn)定，不具備參考性。

筆者將本研究方法應(yīng)用在盈江地震臺(tái)，經(jīng)過(guò)近半年的在線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢測(cè)，能在保證數(shù)據(jù)曲線正常形態(tài)的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)曲線中的臺(tái)階、尖峰、畸變信號(hào)較好的去除。但由于地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)包含外源磁場(chǎng)和內(nèi)源磁場(chǎng)的信息，一旦替換窗口較長(zhǎng)會(huì)引起不可忽視的誤差，且在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)干擾皆為偶發(fā)性、時(shí)間短，故建議窗長(zhǎng)不宜超過(guò)1個(gè)小時(shí)。