汪金花，張恒嘉，侯金亮，楊華文，劉暑明

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引 言

地磁定位技術(shù)是一種主動(dòng)式定位方法，具有長期穩(wěn)定、全天候無源定位的特點(diǎn)，近幾年成為室內(nèi)定位、地下工程和應(yīng)急定位的研究熱點(diǎn)[1-3].但是實(shí)時(shí)測(cè)量地磁數(shù)值會(huì)隨著環(huán)境、時(shí)間等因素發(fā)生波動(dòng)，會(huì)直接造成關(guān)聯(lián)匹配不準(zhǔn)確或者定位失敗，這種現(xiàn)象是制約地磁定位實(shí)際應(yīng)用的瓶頸之一.在實(shí)際測(cè)量地磁數(shù)值中會(huì)存在諸多類型噪聲，恒值擾動(dòng)和瞬間跳動(dòng)，有的擾動(dòng)數(shù)值達(dá)幾百納特，有的數(shù)值只有幾十納特.汪金花等研究了井下小區(qū)域地磁數(shù)值的時(shí)域變化與波動(dòng)，發(fā)現(xiàn)同一時(shí)段測(cè)量不同點(diǎn)位在磁總場(chǎng)擾動(dòng)值相對(duì)穩(wěn)定[4]；王衛(wèi)平研究高壓輸電線對(duì)地磁數(shù)值的部分?jǐn)_動(dòng)因子的擾動(dòng)特征[5].康瑞清和李鵬飛研究了電梯、鐵門和空調(diào)、地面消防柜等磁性物體對(duì)周圍點(diǎn)位磁數(shù)值的擾動(dòng)影響[6-7].關(guān)于這些磁擾動(dòng)處理算法也有學(xué)者展開一定的研究，例如對(duì)恒值噪聲進(jìn)行相鄰點(diǎn)位的磁總場(chǎng)做差運(yùn)算進(jìn)行去除[8]，通過Hilbert-huang變換(HHT)變換降低地磁場(chǎng)的噪聲[9-10]，通過小波去噪算法和低通濾波減弱磁數(shù)據(jù)中的噪聲[11-14].

井下地磁匹配定位是通行路徑地磁序列與地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫相關(guān)性的匹配計(jì)算，來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的相對(duì)定位的，噪聲是直接影響地磁匹配精度原因之一.前期研究表明，金屬物體的動(dòng)態(tài)位移會(huì)產(chǎn)生瞬間強(qiáng)干擾噪聲.前期研究表明，金屬物體的體積大小、運(yùn)動(dòng)快慢都會(huì)產(chǎn)生數(shù)值不等強(qiáng)噪聲，直接導(dǎo)致待匹配地磁序列產(chǎn)生異常偏離或突變，最終影響地磁匹配結(jié)果的正確性.目前針對(duì)井下工程瞬間磁擾動(dòng)的特點(diǎn)，如擾動(dòng)時(shí)間長短、擾動(dòng)距離和擾動(dòng)幅度等因子量化研究還鮮有報(bào)道.文中選擇井下工程巷道為試驗(yàn)區(qū)，對(duì)井下車輛運(yùn)輸、機(jī)電設(shè)施產(chǎn)生的瞬間磁擾動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，為地磁匹配算法抗噪性能測(cè)試提供依據(jù).

1 井下瞬間磁擾動(dòng)

1.1 井下工程瞬間磁擾動(dòng)

天然地磁場(chǎng)是地球固有的矢量場(chǎng)之一.井下地磁場(chǎng)是一個(gè)小尺度區(qū)域地磁場(chǎng)，大背景恒定場(chǎng)天然地磁場(chǎng)變化微小，然而附加天然場(chǎng)上的巷道內(nèi)部各種建筑材料及附屬設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)特征十分明顯，具備井下地磁定位可行性.地磁匹配定位精度取決于地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫精度、實(shí)測(cè)地磁數(shù)值精度及匹配算法等方面.井下實(shí)測(cè)地磁數(shù)值精度易受多方面擾動(dòng)，如天然場(chǎng)日變、人員行走、車輛運(yùn)輸、作業(yè)面采掘、機(jī)電設(shè)施工作狀態(tài)等因素影響.實(shí)時(shí)測(cè)量的地磁數(shù)值與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比，會(huì)有較大的擾動(dòng)，擾動(dòng)幅度從幾十納特到幾百納特，甚至達(dá)到上千納特；影響時(shí)間從幾秒到幾十分鐘不等.井下空間任一點(diǎn)磁數(shù)值在相對(duì)固定數(shù)值的隨機(jī)波動(dòng)現(xiàn)象，文中稱此為噪聲擾動(dòng).設(shè)井下空間點(diǎn)任一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B為：

B=BM+BC+BF+ε+σ

(1)

式中：BM為地核產(chǎn)生主磁場(chǎng)，BC為地殼巖石產(chǎn)生于磁化磁場(chǎng)，BF為井下工程區(qū)域磁異常(異常場(chǎng)).其數(shù)值除了日變、磁暴等擾動(dòng)磁場(chǎng)外，還包含了建造地下工程的混凝土、鋼筋支護(hù)等材料產(chǎn)生的環(huán)境磁場(chǎng)，還有巷道內(nèi)部的管道、通信設(shè)備等產(chǎn)生的磁場(chǎng)，是這些磁場(chǎng)的疊加.另外ε為點(diǎn)位周圍物體，如運(yùn)輸車、機(jī)車、罐籠等物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的瞬間磁擾動(dòng)；σ是測(cè)量磁通門計(jì)產(chǎn)生的隨機(jī)白噪聲.瞬間磁擾動(dòng)ε是影響實(shí)測(cè)地磁數(shù)值精度一個(gè)重要因素.前期試驗(yàn)研究表明，井下人員或者金屬鐵質(zhì)物體的動(dòng)態(tài)位移會(huì)對(duì)空間點(diǎn)位磁場(chǎng)帶來的磁干擾，有一定的規(guī)律性.圖1中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于不同水平巷道中，其中圖1(a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于在水平巷道一端，附近無明顯金屬鐵質(zhì)物體；圖1(b)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于水平巷道縱深的中部一側(cè)，運(yùn)輸車通行時(shí)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的側(cè)方距離為30 cm左右；圖1(c)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取巷道出入口處一側(cè)，距離罐籠約0.5 m左右處.一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到的地磁變化結(jié)果見圖1.

(a)人員行走對(duì)點(diǎn)位磁擾動(dòng) (b)運(yùn)輸車通行對(duì)點(diǎn)位磁擾動(dòng) (c)罐籠升降對(duì)點(diǎn)位磁擾動(dòng) 圖1 井下工程瞬間磁擾動(dòng)Fig.1 Transient magnetic disturbance of underground engineering

從圖中可以看出，人員行走、運(yùn)輸車通行以及罐籠升降都會(huì)對(duì)周邊點(diǎn)磁數(shù)值產(chǎn)生一定影響，但是影響時(shí)長、幅度及距離是不一樣的.一般來說，當(dāng)干擾源靠近某點(diǎn)時(shí)，會(huì)在幾秒內(nèi)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，當(dāng)干擾源遠(yuǎn)離后，對(duì)點(diǎn)位磁場(chǎng)強(qiáng)度值的波動(dòng)影響會(huì)逐漸變小.其中圖1(a)是人員行走對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁擾動(dòng)影響，可以看出人員對(duì)其擾動(dòng)很小，圖中波谷是多個(gè)人攜帶金屬通過，產(chǎn)生的最大磁擾動(dòng)約200 nT，平均磁擾動(dòng)100 nT以內(nèi)，干擾時(shí)長為2 s左右.由于磁通門計(jì)本身隨機(jī)白噪聲約為50 nT，因此不會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)值產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響.但是運(yùn)輸車和罐籠對(duì)周邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擾動(dòng)幅值較大，運(yùn)輸車對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均磁擾動(dòng)1 000 nT以內(nèi)，罐籠對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均磁擾動(dòng)大于1 000 nT，并且擾動(dòng)時(shí)長與擾動(dòng)距離均不一樣，需要展開系統(tǒng)試驗(yàn)研究.

1.2 噪聲數(shù)據(jù)采集

井下巷道和環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，且井下巷道相互關(guān)聯(lián)或相互交叉，巷道路面通常是坑洼泥濘路面有積水，見圖2.為了研究動(dòng)態(tài)干擾源對(duì)附近點(diǎn)瞬時(shí)磁擾動(dòng)數(shù)值范圍，選取井下不同水平的巷道，開展運(yùn)輸車通行和罐籠升降對(duì)空間點(diǎn)位磁測(cè)量擾動(dòng)影響試驗(yàn).試驗(yàn)巷道長度分別約15 m、24 m，平均寬度約為3 m，設(shè)其中點(diǎn)為磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其參考磁數(shù)值是不同太陽日無車輛通行時(shí)長期監(jiān)測(cè)磁數(shù)據(jù)的均值.

(a)井下水平巷道 (b)井下運(yùn)輸車 (c)井下罐籠 圖2 井下工程地磁測(cè)量場(chǎng)地Fig.2 Underground engineering geomagnetic survey site

井下地磁測(cè)量采用便攜式FVM-400磁通門磁力儀.其量程達(dá)到100 000 nT，分辨率達(dá)到了1 nT，測(cè)量噪聲方差50 nT，測(cè)量隨機(jī)常值誤差為10～30 nT，可以探測(cè)到地磁場(chǎng)的細(xì)微變化.試驗(yàn)時(shí)將磁力儀探頭朝正北方向，選擇單點(diǎn)和連續(xù)兩種采集方式采集點(diǎn)位的磁總場(chǎng)和三軸分量的地磁數(shù)據(jù)，單點(diǎn)采集時(shí)，在巷道中軸線上布設(shè)采樣點(diǎn)，采樣間隔為60 cm，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集10次地磁數(shù)據(jù)，計(jì)算同一個(gè)位置10次測(cè)量的地磁強(qiáng)度模值的平均值，作為該位置地磁強(qiáng)度值；快速采集時(shí)連續(xù)觀測(cè)5 d，每天10次，每次觀測(cè)約200 s.

1.3 瞬間噪聲的擾動(dòng)規(guī)律

1.3.1 運(yùn)輸車對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的磁擾動(dòng)規(guī)律

試驗(yàn)時(shí)將地磁探頭固定放置在離地面67 cm處木質(zhì)平臺(tái)上.考慮運(yùn)輸小車平均高度，試驗(yàn)時(shí)磁力儀探頭放置離地面大約45 cm位置，運(yùn)輸小車從試驗(yàn)巷道一端出發(fā)，勻速經(jīng)過測(cè)站點(diǎn)后，向相反方向走至另一端.圖3是101區(qū)域、102區(qū)域巷道內(nèi)，運(yùn)輸小車通行對(duì)觀測(cè)點(diǎn)磁數(shù)值的擾動(dòng)影響曲線圖.每個(gè)點(diǎn)位磁場(chǎng)磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)間是連續(xù)采集200 s，可以看出運(yùn)輸小車的通過會(huì)對(duì)空間點(diǎn)位磁數(shù)值產(chǎn)生一定擾動(dòng).101巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)受運(yùn)輸小車通行產(chǎn)生瞬時(shí)磁干擾數(shù)值最大約380 nT；102巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)受運(yùn)輸小車通行產(chǎn)生瞬時(shí)磁干擾數(shù)值最大約970 nT.整個(gè)監(jiān)測(cè)過程運(yùn)輸小車對(duì)點(diǎn)位磁擾的時(shí)間不到30 s，最大數(shù)值瞬間擾動(dòng)時(shí)間僅約10 s，這與運(yùn)輸小車通行速度有直接關(guān)系.

圖3 運(yùn)輸車通行磁擾動(dòng)時(shí)間變化曲線Fig.3 The time of magnetic disturbance for the vehiclepassing through the reference point

為了研究井下運(yùn)輸小車距離觀測(cè)點(diǎn)不同距離時(shí)對(duì)磁數(shù)據(jù)采集的干擾程度，在水平巷道中某個(gè)位置安放磁力儀木質(zhì)平臺(tái)，平臺(tái)距離巷道底面的高度為20 cm左右，多個(gè)運(yùn)輸車間隔地經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)與通行運(yùn)輸車的側(cè)方距離為30 cm左右.1個(gè)人員駕駛運(yùn)輸小車，從巷道一端距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)約12 m處開始，勻速逐漸通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并繼續(xù)前行.整個(gè)過程中在監(jiān)測(cè)點(diǎn)安置磁力儀并實(shí)時(shí)記錄點(diǎn)位磁數(shù)值，其磁場(chǎng)數(shù)值變化曲線如圖4所示.從圖中可以看出運(yùn)輸小車通行對(duì)點(diǎn)位磁場(chǎng)存在一定的影響，在101區(qū)域，運(yùn)輸小車距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)約4 m左右開始產(chǎn)生磁干擾，初始擾動(dòng)值50 nT左右，越接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁擾動(dòng)越大，最大至380 nT左右，隨后遠(yuǎn)離后磁數(shù)值開始逐漸減小.在102區(qū)域，運(yùn)輸小車距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)約5 m開始產(chǎn)生磁干擾，初始磁干擾約30 nT.圖5是多個(gè)車輛間隔通行時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生磁擾動(dòng).其中在101巷道選取3個(gè)運(yùn)輸車按一定間隔通過，102區(qū)域是2個(gè)運(yùn)輸小車依次間隔通過.從圖中可以看出，通行小車經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間磁擾動(dòng)，101區(qū)域有3次擾動(dòng)波谷，102區(qū)域有2次波谷出現(xiàn)，其數(shù)值在幾千納特不等.

圖4 運(yùn)輸車通行磁擾動(dòng)距離變化曲線Fig.4 The distance of magnetic disturbance forthe vehicle passing through the reference point

圖5 多個(gè)運(yùn)輸車的連續(xù)擾動(dòng)磁場(chǎng)變化曲線Fig.5 Variation curve of continuous disturbance magnetic field of several transport vehicles

1.3.2 罐籠對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的磁擾動(dòng)規(guī)律

試驗(yàn)1監(jiān)測(cè)井下罐籠升降對(duì)105和106水平巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁數(shù)值擾動(dòng)的影響范圍.監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在罐籠出口向外通行的水平巷道延伸處，第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離罐籠入口處約0.5 m以內(nèi)，其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)每間隔1 m順序布設(shè).共采集罐籠升降500余次的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)磁場(chǎng)擾動(dòng)數(shù)值.設(shè)罐籠無升降時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁總場(chǎng)數(shù)值為磁力儀相對(duì)標(biāo)定值，見圖6(a)，圖中橫坐標(biāo)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)與罐籠入口處的水平距離，縱坐標(biāo)為罐籠升降時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁數(shù)值相對(duì)變化量.數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，罐籠升降對(duì)周邊點(diǎn)位會(huì)產(chǎn)生瞬間磁擾動(dòng)，罐籠運(yùn)行過程中距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)越近，磁擾動(dòng)影響越明顯.當(dāng)接近罐籠入口處0.5 m以內(nèi)，罐籠正反向運(yùn)行產(chǎn)生最大磁擾動(dòng)約13 000 nT; 當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離罐籠約3 m時(shí)，罐籠升降運(yùn)行產(chǎn)生磁擾動(dòng)3 000～4 000 nT；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離罐籠約6 m時(shí)開始明顯產(chǎn)生磁擾動(dòng)，數(shù)值約為320 nT；而距離罐籠10 m左右時(shí)，受到的磁干擾很小，無明顯變化.圖6(b)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別離罐籠0.3 m和3 m，分別監(jiān)測(cè)不同時(shí)間段罐籠升降產(chǎn)生的磁擾動(dòng).從圖中可以看出罐籠每一次升降都會(huì)對(duì)周邊點(diǎn)位產(chǎn)生瞬間磁擾動(dòng)，整個(gè)過程會(huì)出現(xiàn)了多個(gè)數(shù)值，包含罐籠到站、繼續(xù)運(yùn)行升降等環(huán)節(jié).可以看出測(cè)量值與罐籠運(yùn)行方向、運(yùn)行速度等因素有關(guān)，產(chǎn)生的瞬時(shí)磁干擾有時(shí)是正向疊加，有時(shí)是負(fù)向疊加.

(a)罐籠升降入口水平距離與磁擾動(dòng)關(guān)系 (b)罐籠升降不同時(shí)間段產(chǎn)生的磁擾動(dòng)圖6 罐籠升降對(duì)附近點(diǎn)位的磁擾動(dòng)Fig.6 Magnetic disturbance of cage lifting to nearby point

試驗(yàn)2是選取井下103和104兩個(gè)水平的巷道，研究罐籠持續(xù)運(yùn)行對(duì)空間點(diǎn)磁數(shù)值的擾動(dòng).監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取在距離罐籠經(jīng)過2.5 m左右.試驗(yàn)時(shí)將地磁探頭固定放置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的離地面67 cm處木質(zhì)平臺(tái)上.罐籠從豎井最高點(diǎn)開使平穩(wěn)運(yùn)行，經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平巷道，繼續(xù)運(yùn)行至豎井最低點(diǎn)，然后返回經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平巷道，最后至豎井最高點(diǎn).罐籠升降對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁擾動(dòng)影響如圖7所示，罐籠運(yùn)行速度為0.3 m/s.從圖7(a)和圖7(b)可知，在103巷道和104巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)變化曲線均顯示，罐籠到站，繼續(xù)運(yùn)行升降每次都會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生一定的磁擾動(dòng)影響.圖中相對(duì)磁數(shù)值曲線隨著時(shí)間變化出現(xiàn)了多個(gè)正向或負(fù)向的磁擾動(dòng)，單次磁數(shù)值約1 000多 nT，正反向磁擾動(dòng)差可以達(dá)到3 000 nT 左右.這些強(qiáng)噪聲影響時(shí)間很短，約10 s，但是數(shù)值很大(與罐籠運(yùn)行速度有關(guān)).當(dāng)所在巷道區(qū)域地磁特征變化較平緩時(shí)，這樣的噪聲干擾有可能會(huì)淹沒巷道實(shí)際地磁微小的變化，直接導(dǎo)致地磁匹配的虛定位.

2 瞬間磁擾動(dòng)的去噪處理

一般情況下，井下實(shí)測(cè)地磁基準(zhǔn)圖或?qū)崪y(cè)地磁序列都存在噪聲擾動(dòng)，如幾十納特白噪聲或隨機(jī)噪聲，幾百納特環(huán)境持續(xù)影響的恒值噪聲，還有可能是移動(dòng)物體(運(yùn)輸車或其它機(jī)電設(shè)備)通行或工作產(chǎn)生的幾百至上千納特的瞬間強(qiáng)噪聲.特別是在地磁特征緩變區(qū)內(nèi)，較大的噪聲干擾有可能會(huì)淹沒巷道實(shí)際地磁微小的變化，直接導(dǎo)致虛定位，影響了地磁匹配的精確度.對(duì)于幾十納特隨機(jī)噪聲和幾百納特征的恒值噪聲，通?？梢圆捎眠m應(yīng)性強(qiáng)(魯棒好)的匹配算法進(jìn)行匹配處理；而對(duì)于短時(shí)間、強(qiáng)噪聲，需要在匹配前進(jìn)行地磁數(shù)值濾波，從而減小隨機(jī)噪聲擾動(dòng)對(duì)地磁匹配的影響.

(a)罐籠1次升降 (b)罐籠2次升降圖7 罐籠升降的監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)變化曲線Fig.7 Variation curve of magnetic field at monitoring points of cage lifting

2.1 瞬間磁擾動(dòng)去噪算法

1)中值濾波是一種非線性的去噪聲的方法，原理簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，可以對(duì)含有噪聲的大批量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一平滑濾波，處理速度較快[13]，如公式(2)所示.

(2)

2)小波分析是一種時(shí)頻分析的辦法，它能夠?qū)π盘?hào)中任意一些細(xì)節(jié)做多分辨率的時(shí)頻域分析，對(duì)高斯噪聲有很好的去噪效果[14].若信號(hào)f(t)的離散采樣數(shù)據(jù)為f(k)，則有小波分解算法為：

(3)

式中：c0,k=f(k)為原始數(shù)據(jù)；k=1，2，…，n；cj,k為尺度系數(shù)；dj,k為小波系數(shù)；h、g為正交鏡像濾波器組；j為分解層；n為離散采樣點(diǎn)數(shù).

小波分解的逆算法就是小波的重構(gòu)，小波重構(gòu)的公式如公式(4)所示.

(4)

2.2 瞬間磁擾動(dòng)去噪試驗(yàn)

圖8(a)為運(yùn)輸小車通行平滑前后點(diǎn)位磁場(chǎng)曲線變化圖.可以看出直接將采樣值作為有效的輸出點(diǎn)位磁場(chǎng)值干擾較大，運(yùn)輸小車通過產(chǎn)生點(diǎn)位磁擾動(dòng)在經(jīng)過小波去噪已經(jīng)較好地改善了原始采樣值，而采用中值濾波的方法更好地增加了原始采樣值的穩(wěn)定性，波動(dòng)性更小，去除擾動(dòng)峰值；圖8(b)是罐籠升降平滑前后點(diǎn)位相對(duì)磁場(chǎng)曲線變化圖.可以看出，罐籠升降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)值產(chǎn)生了多個(gè)擾動(dòng)，經(jīng)過小波去噪和中值濾波后，點(diǎn)位地磁曲線變得均較為光滑，但采用中值濾波的方法更接近原始采樣值，波動(dòng)性更小，在一定程度上滿足了去噪的要求.

(a)運(yùn)輸小車瞬間磁噪聲去噪處理 (b)井下罐籠瞬間磁噪聲去噪處理圖8 平滑前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的地磁曲線變化Fig.8 Geomagnetic curve changes of monitoring points before and after smoothing

總體可以看出，中值濾波和小波去噪對(duì)短時(shí)間強(qiáng)噪聲的處理均有效果，能達(dá)到抑制瞬間噪聲擾動(dòng)目的.但是中值濾波算法簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，且平滑效果理想.

2.3 去除噪聲匹配有效性檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究瞬間噪聲對(duì)匹配精度的影響，檢驗(yàn)濾波平滑去噪對(duì)地磁匹配有效性的影響.選取103和104巷道20個(gè)待匹配地磁序列，每個(gè)地磁序列含有30個(gè)地磁點(diǎn)數(shù)值，進(jìn)行匹配定位的仿真試驗(yàn).參考前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)輸車平均磁擾動(dòng)值約為幾百納特，罐籠升降瞬間最大磁擾動(dòng)可以達(dá)到幾千納特.因此對(duì)103和104巷道20個(gè)待匹配地磁序列進(jìn)行加噪處理，分別加入為800 nT和3 000 nT隨機(jī)噪聲，進(jìn)行去噪前后的MSD地磁匹配定位仿真試驗(yàn).加噪前后MSD匹配仿真試驗(yàn)的匹配指標(biāo)，見表1.

表1 濾波前后MSD匹配結(jié)果指標(biāo)

表1為無濾波、中值濾波、小波去噪3種狀態(tài)下匹配結(jié)果.當(dāng)匹配序列中有800 nT左右的噪聲時(shí)，未經(jīng)過濾波的磁匹配結(jié)果出現(xiàn)了多次誤匹配，虛定位次數(shù)高，定位精度低.經(jīng)過中值濾波、小波去噪平滑后，磁匹配概率得到了明顯的提高.其中中值濾波的匹配概率為95%，小波平滑的匹配概率為75%.當(dāng)匹配序列中有3 000 nT左右的噪聲時(shí)，不經(jīng)過處理磁數(shù)值匹配定位失敗，匹配概率為10，而經(jīng)過中值濾波、小波平滑后再進(jìn)行磁匹配定位的結(jié)果，虛定位現(xiàn)象明顯減少，其中經(jīng)過中值濾波，匹配概率為90%，而經(jīng)過小波平滑后，匹配概率為70%.中值濾波與小波去噪相對(duì)比，對(duì)于瞬間10 s內(nèi)強(qiáng)噪聲，中值濾波會(huì)相對(duì)較好.數(shù)值上中值濾波的匹配概率較高，但是有可能會(huì)過度平滑，造成數(shù)據(jù)特征損失.

3 結(jié) 論

地磁定位是實(shí)時(shí)測(cè)量地磁序列與地磁基準(zhǔn)圖的匹配運(yùn)算，實(shí)時(shí)測(cè)量磁數(shù)值強(qiáng)噪聲擾動(dòng)會(huì)直接影響匹配定位的準(zhǔn)確度.為了研究地下工程瞬間磁噪聲擾動(dòng)時(shí)間和擾動(dòng)幅度，本文開展井下運(yùn)輸小車通行和罐籠升降的擾動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn).發(fā)現(xiàn)了運(yùn)輸車通行和罐籠升降都會(huì)對(duì)附近點(diǎn)位產(chǎn)生瞬間磁噪聲或擾動(dòng)，主要強(qiáng)噪聲擾動(dòng)時(shí)間較短，一般只有十幾秒左右，擾動(dòng)數(shù)值幾百納特至上千納特左右.對(duì)于這種瞬間強(qiáng)磁擾動(dòng)會(huì)對(duì)磁匹配產(chǎn)生直接影響，造成大量虛定位，可以通過中值濾波或小波去噪方法有效去除地磁序列中瞬間強(qiáng)噪聲，保證匹配結(jié)果的精度.另外罐籠升降對(duì)周邊點(diǎn)位磁擾動(dòng)影響較大，建議在罐籠周邊采用射頻識(shí)別為主、地磁匹配為輔的組合定位方式，來滿足必要的定位精度.