地磁观测数据中人工电磁干扰抑制技术研究

论文摘要

地磁观测数据不仅具有学术研究意义,也是不可或缺的国家基础战略资源。但是,目前我国地磁台网中近1/3地磁台站正日益受到由外界人工电磁干扰源的干扰,产出的地磁观测数据质量下降。本文系统的调研分析了我国地磁台网中常见的人工电磁干扰源及其在全国地磁台站的分布情况。研究了这类常见干扰源的干扰影响机理和模式。进而“对症下药”,引入适当的数字信号处理方法对干扰进行辨识和抑制。论文的主要研究内容包括：1.在直流供电城市轨道交通干扰模型方面,采用经典的真空中的线电流磁场计算模型,通过简洁的代数表达式来对轨道交通干扰的远场干扰模型进行建模。该模型计算远场任意一点受到的干扰的数值大小,模拟了随时间变化的干扰变化曲线和随垂直距离变化的干扰衰减曲线。通过对天津地铁干扰的理论计算和实地观测表明该模型模拟干扰值和实际干扰幅度相吻合。2.将独立分量分析技术作为一种数据分析工具引入地磁数据轨道交通干扰辨识。使用满足统计意义上独立并且正交的线性变换矩阵对地磁观测台阵中对含有轨道交通干扰的多通道观测数据提取独立分量。通过功率谱分析以及时频分析方法提取与轨道交通干扰特征一致的独立分量成分。通过对混合矩阵的逆变换,剥离观测信号中的轨道交通干扰。3.提出了适用于轨道交通干扰的小波域噪声阈值抑制模型及方法。采用小波域噪声阂值抑制模型及方法对天津静海台受轨道交通干扰的地磁数据进行抑制。采用小波域尺度间模型对晚间未受干扰时间段进行提取;采用尺度内模型对各受干扰尺度阈值进行有效估算并进行抑制。该方法利用信号本身或者一些参考信号的先验知识对小波系数建立更准确的模型,同时在整体问题的不同层次上,把多种滤波方法有机结合起来,以取得最优滤波效果。在结果分析中引入多种评价方法对抑制结果进行了多角度的对比。4.将数学形态学滤波这类非线性数据滤波方法应用于偶发性随机干扰中铁磁性物质运动所产生的脉冲状干扰以及仪器噪声干扰扰抑制。构造了适用于这类干扰结构特征和形态学滤波器。通过地磁数据的数值模拟,验证了该数学形态学滤波器具有抑制脉冲干扰地磁信号噪声，降低仪器噪声干扰，保留地磁信号特征，提高地磁信号信噪比等良好的特性。最后通过刘实际受干扰地磁信号的处理,取得较好效果。5.把极值特征度建引入地电干扰辨识技术作为主要参数。并采用预白化技术在原始地磁数据中加入正态分布的白噪声的辅助技术来达到输入信号、噪声以及系统非线性三者之间达到最佳的匹配关系,使得地电干扰的极值特征尺度的辨识方法更为稳定和精确。6.开发了地磁数据干扰抑制系统。使用基于MATLAB(?)勺核心干扰识别和抑制算法以组件对象技术(COM)的形式提供给该系统调用。在系统架构上采用WindowsDNA架构。在界面的开发上采用微软成熟的MFC架构。同时给出了系统架构模型及关键技术实现。这一系统及其各模块实现技术具有高效灵活、便捷、交互性好等特点,在地磁数据处理领域具有一定的推广价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 地磁台站干扰现状
• 1.2.2 地磁台站干扰抑制技术现状
• 1.2.3 地磁干扰分析及抑制之方法发展现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 地磁观测中人工干扰源简介
• 2.1 地磁观测的原理及方法
• 2.2 地磁观测中已知的人工干扰源简介
• 2.2.1 直流供电轨道交通干扰特点
• 2.2.2 超高压直流输电干扰
• 2.2.3 地电供电引起的干扰
• 2.2.4 其他偶发性随机干扰
• 2.3 本章小结
• 第三章 直流供电轨道交通干扰抑制技术
• 3.1 直流供电轨道交通干扰机理
• 3.1.1 直流供电轨道交通干扰模型
• 3.1.2 干扰模型的数值模拟
• 3.1.3 野外试验
• 3.2 轨道交通干扰分析及辨识技术
• 3.2.1 技术背景介绍
• 3.2.2 干扰数据的获取
• 3.2.3 独立分量分析
• 3.2.4 仿真试验及分析
• 3.2.5 基于ICA的轨道交通干扰特征提取与识别
• 3.3 轨道交通干扰抑制技术
• 3.3.1 干扰数据的获取
• 3.3.2 离散小波变换及小波滤波方法
• 3.3.3 轨道交通干扰的功率谱及小波多尺度分析
• 3.3.4 基于小波尺度间模型的干扰辨识方法
• 3.3.5 基于小波阂值方法的地磁前兆观测中轨道交通干扰抑制方法
• 3.3.6 干扰抑制结果及评价标准
• 3.4 本章小结
• 第四章 地电供电引起的干扰抑制技术
• 4.1 地电供电干扰机理
• 4.2 地电供电干扰辨识技术
• 4.2.1 技术背景介绍
• 4.2.2 基于预白化极值特征尺度的地电干扰辨识技术
• 4.3 地电供电干扰抑制技术
• 4.4 本章小结
• 第五章 偶发性随机干扰抑制技术
• 5.1 偶发性随机干扰中的车辆干扰机理
• 5.2 偶发性随机于扰柳制技术
• 5.2.1 技术背景介绍
• 5.2.2 数学形态学基本原理
• 5.2.3 数学形态滤波器设计
• 5.3 仿真试验及分析
• 5.3.1 地磁日变数据的仿真
• 5.3.2 白噪声的模拟抑制
• 5.3.3 脉冲状干扰的模拟抑制
• 5.4 实际含噪声地磁信号的处理
• 5.4.1 含有仪器噪声信号的处理
• 5.4.2 脉冲状干扰的抑制处理
• 5.5 本章小结
• 第六章 地磁数据干扰抑制系统的实现
• 6.1 背景介绍
• 6.2 MATLAB中的组件对象技术
• 6.2.1 组件对象技术
• 6.2.2 MATLAB中的.NET组件
• 6.3 基于组件的地磁干扰抑制系统的实现
• 6.3.1 系统架构模型
• 6.3.2 数据存取模块的设计与实现
• 6.3.3 数据库连接模块的设计与实现
• 6.3.4 算法集成模块的实现
• 6.3.5 图形显示模块的设计与实现
• 6.4 本章小结
• 第七章 典型干扰台站数据处理报告
• 7.1 直流供电城市轨道交通干扰抑制报告（1）
• 7.1.1 台站基本情况
• 7.1.2 台站干扰情况
• 7.1.3 干扰抑制处理
• 7.2 地电干扰抑制报告
• 7.2.1 台站基本情况
• 7.2.2 台站干扰情况
• 7.2.3 干扰抑制处理
• 7.3 含有偶发性脉冲干扰及地电干扰抑制报告
• 7.3.1 台站基本情况
• 7.3.2 台站干扰情况
• 7.3.3 干扰抑制处理
• 7.4 直流供电城市轨道交通干扰抑制报告（2）
• 7.4.1 台站基本情况
• 7.4.2 台站干扰情况
• 7.4.3 干扰抑制处理
• 第八章 总结与展望
• 8.1 研究总结
• 8.2 需要进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的相关文章
• 论文作者简介