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地磁臺站觀測異常識別與數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)研究

姚休義

(中國地震局地球物理究所，北京100081)

地磁學(xué)是一門以觀測為基礎(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年我國數(shù)字化地磁觀測臺網(wǎng)建成以來，雖然大批量高精度的數(shù)據(jù)得以積累，但同時觀測臺網(wǎng)中大部分地磁臺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)一的觀測異常辨識和處理方法，導(dǎo)致產(chǎn)出的地磁觀測數(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異常時間特征，在對變化磁場時間域和頻率域特征分析的基礎(chǔ)上，提出了基于時頻的觀測異常識別方法，將觀測異常區(qū)別于正常磁擾進行識別，并針對受干擾觀測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)記錄中造成的缺失數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)重構(gòu)，保障數(shù)據(jù)的完整性及可用性。

論文的主要研究內(nèi)容包括：

(1) 秒采樣數(shù)據(jù)(以下簡稱秒數(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)頻譜的時空分布特征。

(2) 變化磁場時、 空及頻率分布特征研究。 系統(tǒng)分析了變化磁場在時間、 空間和頻率域內(nèi)固有的變化特征。 變化磁場每日隨時間呈現(xiàn)出規(guī)律的日變形態(tài)，不同地方時磁場活動程度不同，與此同時還存在顯著的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。 基于時域和頻域的變化特征，本文提出將時間和頻率共同考量的觀測異常辨識方法。

(3) 觀測異常識別方法中的參數(shù)確定。 通過數(shù)據(jù)仿真，模擬不同信噪比情況下不同幅度的觀測異常所對應(yīng)閾值及異常參數(shù)的變化，結(jié)合臺網(wǎng)觀測異常現(xiàn)狀，確定異常提取算法中的各項參數(shù)。 對異常提取算法進行檢驗后將該方法用于所選秒數(shù)據(jù)臺站，并按時間和頻率進行遍歷，將觀測異常區(qū)別于正常變化磁場提取出來。 根據(jù)識別結(jié)果分析了臺網(wǎng)中由于環(huán)境干擾、 儀器故障和震動異常等原因造成的典型觀測異常。

(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)用于觀測異常和記錄缺失的數(shù)據(jù)重構(gòu)，通過數(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。 從時域和頻域驗證了空間加權(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，并將其運用于實際干擾數(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：P318.6；

文獻標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.019