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地磁臺(tái)站觀測(cè)異常識(shí)別與數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)研究

姚休義

(中國(guó)地震局地球物理究所，北京100081)

地磁學(xué)是一門以觀測(cè)為基礎(chǔ)的學(xué)科。 完整的高精度地磁數(shù)據(jù)不僅服務(wù)于地磁學(xué)本身更是地震研究、 地質(zhì)構(gòu)造研究、 地球深部研究和礦產(chǎn)勘探等研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)。 自2008年我國(guó)數(shù)字化地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建成以來(lái)，雖然大批量高精度的數(shù)據(jù)得以積累，但同時(shí)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中大部分地磁臺(tái)站正受到外界人工電磁干擾源的干擾。 由于干擾形態(tài)復(fù)雜，干擾時(shí)間不規(guī)律和干擾與正常磁擾疊加給數(shù)據(jù)處理造成了困難，截止目前，尚未形成統(tǒng)一的觀測(cè)異常辨識(shí)和處理方法，導(dǎo)致產(chǎn)出的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，應(yīng)用效能降低。

本文系統(tǒng)分析了各種典型觀測(cè)異常時(shí)間特征，在對(duì)變化磁場(chǎng)時(shí)間域和頻率域特征分析的基礎(chǔ)上，提出了基于時(shí)頻的觀測(cè)異常識(shí)別方法，將觀測(cè)異常區(qū)別于正常磁擾進(jìn)行識(shí)別，并針對(duì)受干擾觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)記錄中造成的缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，保障數(shù)據(jù)的完整性及可用性。

論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：

(1) 秒采樣數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱秒數(shù)據(jù))頻譜分析。 秒數(shù)據(jù)因其采樣最高，覆蓋頻段最寬，是本文研究所用數(shù)據(jù)。 將短時(shí)快速傅里葉變換方法應(yīng)用于地磁秒數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了秒數(shù)據(jù)頻譜的時(shí)空分布特征。

(2) 變化磁場(chǎng)時(shí)、 空及頻率分布特征研究。 系統(tǒng)分析了變化磁場(chǎng)在時(shí)間、 空間和頻率域內(nèi)固有的變化特征。 變化磁場(chǎng)每日隨時(shí)間呈現(xiàn)出規(guī)律的日變形態(tài)，不同地方時(shí)磁場(chǎng)活動(dòng)程度不同，與此同時(shí)還存在顯著的27天重現(xiàn)性和季節(jié)變化。 空間上隨緯度增加，振幅增大，隨經(jīng)度呈現(xiàn)雙峰雙谷變化特征。 變化磁場(chǎng)在頻率域內(nèi)呈現(xiàn)出固有的低頻能量集中且高于高頻的特點(diǎn)。 基于時(shí)域和頻域的變化特征，本文提出將時(shí)間和頻率共同考量的觀測(cè)異常辨識(shí)方法。

(3) 觀測(cè)異常識(shí)別方法中的參數(shù)確定。 通過(guò)數(shù)據(jù)仿真，模擬不同信噪比情況下不同幅度的觀測(cè)異常所對(duì)應(yīng)閾值及異常參數(shù)的變化，結(jié)合臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)異?，F(xiàn)狀，確定異常提取算法中的各項(xiàng)參數(shù)。 對(duì)異常提取算法進(jìn)行檢驗(yàn)后將該方法用于所選秒數(shù)據(jù)臺(tái)站，并按時(shí)間和頻率進(jìn)行遍歷，將觀測(cè)異常區(qū)別于正常變化磁場(chǎng)提取出來(lái)。 根據(jù)識(shí)別結(jié)果分析了臺(tái)網(wǎng)中由于環(huán)境干擾、 儀器故障和震動(dòng)異常等原因造成的典型觀測(cè)異常。

(4) 數(shù)據(jù)重構(gòu)方法研究。 將空間加權(quán)法和誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練法(back-propagation network)用于觀測(cè)異常和記錄缺失的數(shù)據(jù)重構(gòu)，通過(guò)數(shù)據(jù)仿真，重構(gòu)數(shù)據(jù)和原始記錄數(shù)據(jù)吻合程度較高，重構(gòu)殘差較小。 從時(shí)域和頻域驗(yàn)證了空間加權(quán)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在重構(gòu)地磁數(shù)據(jù)上的有效性，并將其運(yùn)用于實(shí)際干擾數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)重構(gòu)，取得較好效果。

關(guān)鍵詞秒數(shù)據(jù)； 快速傅里葉變換； 觀測(cè)異常； 數(shù)據(jù)仿真； 數(shù)據(jù)重構(gòu)

(作者電子信箱，姚休義： xiuyiyao@126.com)

中圖分類號(hào)：P318.6；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.019