GM4磁通門磁力儀觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理分析

王秀敏 暢國平 王志敏 張建國

1）中國河北 054000 河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺

2）中國河北 075001 河北省地震局張家口地震監(jiān)測中心站

3）中國河北 056001 河北省地震局邯鄲地震監(jiān)測中心站

0 引言

地磁臺站的基本任務(wù)是取得連續(xù)、完整、準(zhǔn)確、可靠的地磁觀測資料，為地磁學(xué)及地震預(yù)報(bào)等相關(guān)學(xué)科研究和發(fā)展提供服務(wù)。然而，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路、公路、軌道交通、國家電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)和投入使用，地磁臺站觀測環(huán)境受到不同程度的干擾（國家地震局科技監(jiān)測司，1995；謝凡等，2011；劉敏等，2012），嚴(yán)重影響地磁觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，為干擾數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作帶來挑戰(zhàn)。探索地磁干擾數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，不僅有助于提高地磁觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)揮地磁觀測數(shù)據(jù)在防震減災(zāi)和其他科學(xué)研究領(lǐng)域的作用，而且可以促進(jìn)地磁學(xué)科的應(yīng)用發(fā)展，對地震地磁觀測工作具有重要的實(shí)用價(jià)值和研究意義（王秀敏等，2016）。

文中選取北京、昌黎、紅山地震臺2017—2018 年GM4 磁通門磁力儀（下文簡稱GM4 磁力儀）觀測資料，采用常規(guī)和小波變換方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除地鐵輕軌、地電阻率、高壓直流輸電對地磁觀測數(shù)據(jù)的影響，分析數(shù)據(jù)預(yù)處理效果，以便提高數(shù)據(jù)預(yù)處理效率，為地震研究提供連續(xù)、完整、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 地磁干擾及資料選取

1.1 干擾統(tǒng)計(jì)

表1 典型干擾對地磁觀測的影響統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the effects of typical interference on geomagnetic observations

1.2 資料選取

北京、昌黎和紅山地磁臺站均位于首都圈地區(qū)，多年來受到臺站周邊地鐵輕軌、地電阻率、高壓直流輸電等典型干擾因素的影響。其中：北京臺自20 世紀(jì)90 年代后期起受到地鐵運(yùn)行干擾，干擾形態(tài)表現(xiàn)為毛刺狀，地磁垂直分量Z受干擾較嚴(yán)重，幅度達(dá)十幾nT，磁偏角D和水平分量H所受干擾幅度較小，在地鐵停運(yùn)時(shí)段，地磁觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)正常；昌黎臺自2010 年10 月29 日起，地磁觀測受到地電阻率觀測的影響，干擾頻次為1 次/h，干擾形態(tài)表現(xiàn)為臺階，地磁垂直分量Z所受干擾幅度最大，達(dá)3.5 nT，磁偏角D和水平分量H所受干擾幅度較小；紅山臺自2010 年10 月28 日起，地磁觀測受到高壓直流輸電干擾，干擾形態(tài)表現(xiàn)為臺階，具有緩變、急始特點(diǎn)，地磁垂直分量Z所受干擾幅度最大，達(dá)幾十nT，磁偏角D和水平分量H所受干擾幅度較小。

選取2017 年1 月1 日至2018 年11 月30 日紅山、北京和昌黎地震臺地磁觀測數(shù)據(jù)，采用常規(guī)和小波變換分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

隨著城市化進(jìn)程的加速，地磁觀測所受干擾因素逐漸增多，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)的完整性。目前，多采用秒轉(zhuǎn)分方法對地磁觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對于受地鐵輕軌、高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)的預(yù)處理效果明顯，既提高了工作效率，又提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.1 常規(guī)處理方法

（1）分轉(zhuǎn)秒數(shù)據(jù)。利用中國地震前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（V2020.2 版本），對分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行干擾預(yù)處理，然后據(jù)此對秒數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化反處理，若有干擾數(shù)據(jù)（尖峰、臺階）遺漏，進(jìn)行人工分轉(zhuǎn)秒處理即可。

（2）秒轉(zhuǎn)分?jǐn)?shù)據(jù)。利用中國地震地磁前兆處理系統(tǒng)，對秒數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾預(yù)處理，使用高斯濾波算法對分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行反處理，且處理過程均不計(jì)入預(yù)處理日志，若預(yù)處理秒數(shù)據(jù)不存在，將跳過計(jì)算下一分量。

設(shè)計(jì)算第i分鐘（imin）的分鐘值，取imin00 s 及其前后各45 s 共91 s 的秒采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波計(jì)算。公式如下

式中，Bi為第i分鐘的分鐘值；bi,j為第i分鐘第j秒的秒采樣數(shù)據(jù)，其中i、j的取值范圍為00—59；Cn=C-n，為高斯系數(shù)（共91 個）。

計(jì)算00 h00 min 的分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，需要調(diào)用前一天的后45 個秒數(shù)據(jù)參與計(jì)算。當(dāng)1 min的60 個秒數(shù)據(jù)中缺數(shù)≥10 時(shí)，對應(yīng)的分?jǐn)?shù)據(jù)為缺數(shù)。

“假作真時(shí)真亦假，無為有處有還無。黃梁村于萬花谷固然是進(jìn)入關(guān)鍵之一，萬花谷在秦嶺之中，秦嶺在九州之中，九州在天地之中，又豈是偶然，說不定，它也會是天地之中的一子解雙征。”

2.2 小波變換

小波變換也稱多分辨分析，就是將信號或函數(shù)分解為不同頻率的分量，依每個分的尺度（頻率高低），按相應(yīng)分辨率進(jìn)行分析的方法。小波變換被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的研究工作，并得出不少有意義的成果，如：吳利輝等（2009）利用小波變換分析處理南京臺地磁觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地鐵干擾被有效剔除；張明東等（2015）利用小波變換對天津地區(qū)地磁臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲頻譜分析；張秀玲等（2018）對北京臺地磁場環(huán)境干擾進(jìn)小波變換分析，得出北京地磁場干擾特征。該方法的原理是，將基本小波（mother wavelet）函數(shù)位移τ，在不同尺度α下，與待分析信號χ（t）作內(nèi)積，即

式中，α＞ 0，稱為尺度因子，其作用是，對基本小波φ（t）函數(shù)作伸縮，τ反映了位移大小，其值可正可負(fù)，α和τ均為連續(xù)變量。式（2）又稱為連續(xù)小波變換（continue wavelet transform，簡記Ct-WT）。在不同尺度下，小波持續(xù)時(shí)間隨α和τ值的加大而增寬，幅度則與呈反比，但波形保持不變。

文中利用Symlet 小波函數(shù)系列中的Sym4 小波，對北京地震臺GM4 磁力儀原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，考慮到地鐵軌道交通對地磁觀測數(shù)據(jù)的干擾，頻譜主要集中在0.04 Hz 及更高頻率范圍內(nèi)，采用Sym4 小波對數(shù)據(jù)進(jìn)行8 層分解，第一階至第七階細(xì)節(jié)系數(shù)置為零，進(jìn)行信號重構(gòu)得到濾波數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理分析

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，北京地震臺地磁觀測受地鐵干擾嚴(yán)重，昌黎地震臺則受到地電阻率觀測影響，紅山地震臺受到高壓直流輸電影響，選取3 個地震臺站GM4 磁力儀觀測數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行常規(guī)預(yù)處理，并選取北京地震臺地磁觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，與不存在地鐵干擾的紅山地震臺GM4 磁力儀觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，以便為選擇合適的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法提供參考。

3.1 常規(guī)處理

3.1.1 地鐵輕軌干擾分析。選取2017 年8 月8 日和8 月9 日北京臺GM4（3）磁力儀觀測數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行秒轉(zhuǎn)分、分轉(zhuǎn)秒處理，分析地鐵輕軌對地磁觀測數(shù)據(jù)的干擾特征。數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖1、圖2。由圖1 中原始數(shù)據(jù)曲線可見，16 時(shí)20 分至20 時(shí)12 分?jǐn)?shù)據(jù)變化正常，其他時(shí)段數(shù)據(jù)受到地鐵輕軌干擾的影響，其中Z分量所受干擾較嚴(yán)重，幅度達(dá)11.3 nT。

圖1 2017 年8 月8 日北京臺GM4 磁力儀分轉(zhuǎn)秒數(shù)據(jù)曲線Fig.1 The converted second-sampled data from minute-sampled Data of GM4 magnetometer observation of Beijing Station on Aug.8,2017

圖2 2017 年8 月9 日北京臺GM4 磁力儀秒轉(zhuǎn)分?jǐn)?shù)據(jù)對比曲線Fig.2 The converted minute-sampled data from second-sampled data of GM4 magnetometer observation of Beijing Station on Aug.9,2017

對2017 年8 月8 日地磁觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分轉(zhuǎn)秒處理，結(jié)果見圖1，可見秒數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺記現(xiàn)象，且Z分量數(shù)據(jù)缺記明顯，其中D分量秒數(shù)據(jù)完整率為34.03%，H分量為32.15%，Z分量為17.57%。對2017 年8 月9 日地磁觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行秒轉(zhuǎn)分處理，結(jié)果見圖2，可見分?jǐn)?shù)據(jù)D、H、Z分量數(shù)據(jù)完整率均為100%。

3.1.2 地電阻率干擾。選取2018 年3 月12 日和3 月13 日昌黎臺GM4（2）磁力儀觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地電阻率對地磁數(shù)據(jù)造成的干擾每小時(shí)一次，干擾持續(xù)時(shí)長180 s，其中Z分量所受干擾明顯，干擾幅度達(dá)3.5 nT。對2018 年3 月12 日地磁觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分轉(zhuǎn)秒處理，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)秒數(shù)據(jù)缺記現(xiàn)象。對秒數(shù)據(jù)完整率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中Z分量為90.90%，H分量為92.22%，D分量為92.05%。對2018 年3 月13 日地磁觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行秒轉(zhuǎn)分處理，分?jǐn)?shù)據(jù)3 個分量數(shù)據(jù)完整率均達(dá)100%。限于篇幅，文中僅列出干擾明顯的Z分量預(yù)處理曲線，結(jié)果圖3。

圖3 2018 年3 月12 日和3 月13 日昌黎臺GM4磁力儀數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果曲線Fig.3 The preprocessed curves of GM4 magnetometer observation at Changli Station on March 12 and 13,2018

3.1.3 高壓直流輸電干擾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國有31 條高壓直流輸電線路對地磁臺站造成影響（干擾類型有緩始型和急始型），給地磁觀測數(shù)據(jù)的判別和預(yù)處理造成困難。

紅山臺GM4（1）磁力儀受到晉北至南京高壓直流輸電線路的干擾，選取2017 年5 月12 日該臺地磁觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)垂直分量Z干擾幅度最大為12.9 nT。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分轉(zhuǎn)秒處理，造成秒數(shù)據(jù)缺記。對秒數(shù)據(jù)完整率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知Z分量為93.59%，H分量為97.50%，D分量為97.78%。對數(shù)據(jù)進(jìn)行秒轉(zhuǎn)分處理，可知分?jǐn)?shù)據(jù)3 個分量完整率均達(dá)100%。限于篇幅，文中僅列出影響較嚴(yán)重的Z分量預(yù)處理曲線，結(jié)果見圖4。

圖4 2017 年5 月12 日紅山臺GM4磁力儀數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果曲線Fig.4 The preprocessed curves of GM4 magnetometer observation at Hongshan Station on May 12,2017

3.2 小波變換

北京臺GM4（3）磁力儀觀測受地鐵輕軌干擾，選取該臺2018 年12 月16 日地磁觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行小波變換和頻譜分析。圖5 給出北京臺2018 年12 月16 日D、H、Z分量原始數(shù)據(jù)和小波變換處理數(shù)據(jù)對比曲線。選取不存在地鐵輕軌干擾的紅山臺（LYH）Z分量原始數(shù)據(jù)，與北京臺（BJI）Z分量原始數(shù)據(jù)及小波變換（CWT）數(shù)據(jù)，進(jìn)行頻譜分析，將頻段分別設(shè)定為0—0.001 Hz、0.001—0.01 Hz、0.01—0.1 Hz 和0.1—0.5 Hz，頻譜對比結(jié)果見圖6。由圖5 可見，數(shù)據(jù)經(jīng)小波變換處理，在保持地磁日變形態(tài)基本不變的同時(shí)，降低了地鐵干擾幅度。由圖6 可知，在0—0.001 Hz 頻帶，北京臺地磁觀測數(shù)據(jù)濾波信號（小波變換處理）較好保留了原始信號的低頻成分，未改變其低頻成分頻譜結(jié)構(gòu)；在其他頻帶范圍內(nèi)，經(jīng)小波變換后的濾波信號與紅山臺數(shù)據(jù)頻譜一致性更高，表明小波變換可有效濾除地鐵干擾。

圖5 北京臺GM4 儀原始數(shù)據(jù)和小波變換數(shù)據(jù)曲線（a）原始數(shù)據(jù)；（b）小波變換數(shù)據(jù)Fig.5 The curves of original and wavelet transform processed data of GM4 magnetometer observations at Beijing Station

圖6 北京臺（BJI）、紅山臺（LYH）原始波形與北京臺（BJI）小波變換（CWT）Z 分量功率譜對比（a）0—0.001 Hz；（b）0.001—0.01 Hz；（c）0.01—0.1 Hz；（d）0.1—0.5 HzFig.6 The power spectrum of Z component original waveforms at BJI and LYH stations and the wavelet transform（CWT）waveforms at BJI station

4 討論與結(jié)論

通過對GM4 磁通門磁力儀3 種典型干擾數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析，可得出以下認(rèn)識。

（1）采用常規(guī)方法，對受到地鐵輕軌、地電阻率、高壓直流輸電干擾的GM4 磁力儀數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，分轉(zhuǎn)秒均造成數(shù)據(jù)缺記，且完整率多低于90%，尤其是地鐵輕軌干擾，數(shù)據(jù)完整率僅17.57%；而秒轉(zhuǎn)分預(yù)處理數(shù)據(jù)無缺記，且完整率均達(dá)到100%。

（2）利用小波變換方法，對受到地鐵輕軌干擾的GM4 磁力儀數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，預(yù)處理數(shù)據(jù)具有正常日變形態(tài)，干擾幅度明顯減小。

（3）對于受地鐵輕軌干擾的數(shù)據(jù)，小波頻譜分析顯示，濾波信號未改變原始信號中低頻部分的頻譜結(jié)構(gòu)，較好保留了原始信號的低頻成分。因此，小波變換方法可有效抑制地鐵輕軌對GM4 磁通門磁力儀觀測的影響。

綜上所述，受到地鐵輕軌、地電阻率、高壓直流輸電的干擾，GM4 磁通門磁力儀觀測數(shù)據(jù)可采用秒轉(zhuǎn)分預(yù)處理，不但節(jié)省秒數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)間，而且保證了數(shù)據(jù)的正確性和完整率，而小波變換方法對地鐵輕軌干擾具有有效的抑制作用。該研究結(jié)果可為地磁觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理提供借鑒與參考。