CN103852795A - 一种水下小目标的磁异常信号提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下小目标的磁异常信号提取方法，其主要技术特点是：通过海洋磁力仪探头探测海底磁力并得到测试数据曲线；计算每个测点沿测线方向的磁场变化梯度，并以磁场梯度突变点作为磁异常信号的初位置；确定磁异常信号段；将每条测线上所有测点分解为磁异常信号段和非磁异常信号段，分别拟合各个测点的地磁背景场；将每个测点的实际磁力测量值减去其地磁背景场值，得到剔除背景场后的磁异常值，从而得到水下小目标的磁异常信号。本发明能够在强大的地磁背景场环境中提取水下小目标产生的微弱磁异常，有效剔除了地磁背景场的影响，提高水下小目标的识别、定位和定性分析能力，可广泛用于海洋测量船对海洋水下小目标的测量与分析处理。

Description

一种水下小目标的磁异常信号提取方法

技术领域

本发明属于海洋测量技术领域，尤其是一种水下小目标的磁异常信号提取方法。

背景技术

测量船拖曳海洋磁力仪探头在目标水域航行过程中，能够连续探测海底磁力，通过数据处理和分析研究，可确定水下磁性目标的大小、材质、形状和具体位置。在水下小目标磁探测中，海洋磁力仪探头实际采集的磁力测量值中不仅包括水下小目标产生的磁异常，还包括地心磁偶极子磁场、非磁偶极子磁场、地壳磁异常场、地磁日变化等，实际上是一个多种分量磁场的矢量叠加体，而从中提取有用的水下小目标微弱磁异常，并采用适当的形式直观地展现给用户，是海洋磁力测量数据处理的重要内容。

磁异常场是个相对正常磁场而言的，正常磁场可认为是磁异常的背景场或基准场。在地质勘探中，在磁性岩层中圈定非磁性岩层时，磁性岩层的磁场可认为是正常磁场，由非磁性岩层导致的岩层磁场变化，可认为是异常磁场；反之在非磁性岩层中圈定磁性岩层，则来自非磁性岩层的磁场可认为是正常磁场。

水下小目标磁探测的物理基础是：水下铁磁性小目标的存在导致其周围平缓的海洋地磁场发生畸变。在磁性体周围不同位置，磁异常强度是不同的，高于正常场的异常称为正异常，用正数表示，低于正常场的异常称为负异常，以负数表示。磁异常一般都是由正负两部分组成的，有时以正值为主，有时也会以负值为主。磁异常强度指磁异常的最大值与最小值之差值，也称为磁异常幅度，磁异常强度受磁性体的形状、规模大小、埋藏深度、产状及磁性大小和方向等因素控制。磁异常幅值的大小与磁性体的磁化强度成正比，且随磁性体的体积增大而增加。当磁性体体积一定时，磁异常随其埋深加大而减小，且曲线梯度小，异常范围加宽。

地质勘探中关心的磁异常主要是来自地壳岩层中磁场，其正常场通过国际地磁参考场（IGRF）模型计算求得，同时通过设立地磁日变站消除短期变化磁场。水下小目标磁探测中所关心的磁异常来自小目标本身，地球自身磁场和来自地球外部的变化磁场等均认为是背景场。地球本身的平均磁场可以达到5000nT，而水下小目标产生的磁异常一般不超过10nT，所以水下小目标磁探测的数据处理方法与地质调查不一致，因此，迫切需要一种对水下小目标的磁异常信号的提取方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、精度高且稳定性强的水下小目标的磁异常信号提取方法。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种水下小目标的磁异常信号提取方法，包括以下步骤：

步骤1、通过海洋磁力仪探头探测海底磁力并得到测试数据曲线；

步骤2、计算每个测点沿测线方向的磁场变化梯度，并以磁场梯度突变点作为磁异常信号的初位置；

步骤3、根据步骤2的计算结果和特定水下小目标的磁异常信号宽度，确定磁异常信号段；

步骤4、将每条测线上所有测点分解为磁异常信号段和非磁异常信号段，分别拟合各个测点的地磁背景场；

步骤5、对于磁异常信号段，将每个测点的实际磁力测量值减去其地磁背景场值得到剔除背景场后的磁异常值；对于非磁异常信号段上各点，磁异常值为零。

而且，所述步骤2磁场梯度突变点的判断准则是：当测点的测线方向绝对梯度大于测线方向梯度标准差的3倍时，为磁场梯度突变点。

而且，所述测线方向绝对梯度▽_i的计算公式为：

${\▿}_i=|z_{i+1}-z_i|/\sqrt{{(x_{i+1}-x_i)}^2+{(y_{i+1}-y_i)}^2}$

其中，i，i+1为相邻两点的测点编号，z为磁力测量值，x、y为测点坐标；

所述测线方向梯度标准差的计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\▿}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\▿}_i-{\stackrel{\‾}{\▿}}_i)}^2}{n-1}}$

其中n为测线上的测点个数，i为测点编号，为所有测点的测线梯度绝对值的均值。

而且，所述步骤3确定磁异常信号段的方法为：根据特定水下小目标的磁异常信号宽度，选择初位置附近的若干测点构成完整的磁异常信号段。

而且，所述步骤4拟合各个测点的地磁背景场的方法为：在磁异常信号段，选择两端少数测点参与计算，拟合二次曲线，据此内插计算中间各点的磁力值作为其中间各点的地磁背景场值；在非磁异常信号段，直接将各点的磁力测量值作为其地磁背景场值。

本发明的优点和积极效果是：

本发明能够在强大的地磁背景场环境中提取水下小目标产生的微弱磁异常，从原始磁力测量值中确定了水下小目标磁异常的具体位置，有效剔除了地磁背景场的影响，突出了水下小目标产生的微弱磁异常信号，提高水下小目标的识别、定位和定性分析能力，可广泛用于海洋测量船对海洋水下小目标的测量与分析处理。

附图说明

图1为未剔出地磁背景场的测线数据曲线图；

图2为已剔除地磁背景场后的水下小目标磁异常曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种水下小目标的磁异常信号提取方法，包括以下步骤：

步骤1、通过海洋磁力仪探头探测海底磁力并得到测试数据曲线。

通过海洋磁力仪探头探测海底磁力包括地磁背景场和小目标磁场，其测试数据曲线如图1所示。

步骤2、计算每个测点沿测线方向的磁场变化梯度，并以磁场梯度突变点作为磁异常信号的初位置；

在本步骤中，利用磁场梯度突变性确定磁异常信号的初位置。在计算测线上每个测点的测线方向梯度时，如果某点的绝对梯度大于其标准差的3倍，即|▽_i|＞3σ_▽，则认为该测点为梯度突变点。测线方向梯度的计算公式为：

${\▿}_i=|z_{i+1}-z_i|/\sqrt{{(x_{i+1}-x_i)}^2+{(y_{i+1}-y_i)}^2}---\left(1\right)$

其中，i，i+1为相邻两点的测点编号，z为磁力测量值，(x,y)为测点坐标。

测线方向梯度标准差的计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\▿}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\▿}_i-{\stackrel{\‾}{\▿}}_i)}^2}{n-1}}---\left(2\right)$

其中n为测线上的测点个数，i为测点编号，▽_i为测线方向的绝对梯度，简称测线梯度，

为所有测点的测线梯度绝对值的均值。

步骤3、根据步骤2的计算结果和特定水下小目标的磁异常信号宽度，确定磁异常信号段。

在本步骤中，根据特定水下小目标的磁异常信号宽度，选择初位置附近的若干测点构成完整的磁异常信号段，即：以磁场梯度突变点为中心、以特定水下目标的磁异常宽度为半径，确定磁异常信号段。不同的水下目标具有不同的磁异常宽度，一般情况下，千吨铁船的磁异常宽度为200m，水下铁锚的磁异常宽度为30m，其它目标的一般为10m。由于水下小目标一般指不超过500kg的铁磁体，磁异常宽度选择30m即可。

分别取磁异常信号段前后两端的几个测点的磁力测量值和位置坐标，测点编号依次为(i,i+1,…,j)拟合二次曲线：

z＝a₀+a₁s+a₂s²   （3）

曲线拟合模型为：

$Z=\mathrm{AX},X={(A^T,A)}^{-1}{A}^{T}Z,Z=\left(\begin{array}{c}{z}_i\\ ...\\ z_j\end{array}\right)A=\left(\begin{array}{ccc}1& s_i& s_i^2\\ ...& ...& ...\\ 1& s_j& s_j^2\end{array}\right),X=\left(\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中zi为测点i的磁力测量值，a₀,a₁,a₂为曲线方程系数，s为测点之间的距离即 $s_i=\sqrt{{(x_{i+1}-x_i)}^2+{(y_{i+1}-y_i)}^2},$ (x_i,y_i)为i点的坐标。

步骤4、将每条测线上所有测点分解为磁异常信号段和非磁异常信号段，分别拟合各个测点的地磁背景场。

在本步骤中，针对磁异常信号段和非磁异常信号段分别采用不同的方法拟合各个测点的地磁背景场：

在磁异常信号段，选择两端少数测点参与计算，拟合二次曲线，据此内插计算中间各点的磁力值作为其中间各点的地磁背景场值，即：把每个测点的坐标代入式（2），求出各点的磁力值作为其对应的地磁背景场值；

在非磁异常信号段，直接将各点的磁力测量值作为其地磁背景场值即可。

步骤5、对于磁异常信号段，将每个测点的实际磁力测量值减去其地磁背景场值得到剔除背景场后的磁异常值；对于非磁异常信号段上各点，磁异常值为零。

本发明对测试数据曲线处理前后的效果如图1和图2所示，从图1及图2对比可以看出，原始测量数据中包括强大的地磁背景场和微弱的水下小目标磁异常，通过采取本发明方法，隐含在强大地磁背景场中的水下小目标磁异常得到有效提取，便于通过等值线图、平面剖面图等形式进行可视化展示。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种水下小目标的磁异常信号提取方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、通过海洋磁力仪探头探测海底磁力并得到测试数据曲线；

步骤2、计算每个测点沿测线方向的磁场变化梯度，并以磁场梯度突变点作为磁异常信号的初位置；

步骤3、根据步骤2的计算结果和特定水下小目标的磁异常信号宽度，确定磁异常信号段；

步骤4、将每条测线上所有测点分解为磁异常信号段和非磁异常信号段，分别拟合各个测点的地磁背景场；

步骤5、对于磁异常信号段，将每个测点的实际磁力测量值减去其地磁背景场值得到剔除背景场后的磁异常值；对于非磁异常信号段上各点，磁异常值为零，从而得到水下小目标的磁异常信号。

2.根据权利要求1所述的一种水下小目标的磁异常信号提取方法，其特征在于：所述步骤2磁场梯度突变点的判断准则是：当测点的测线方向绝对梯度大于测线方向梯度标准差的3倍时，为磁场梯度突变点。

3.根据权利要求2所述的一种水下小目标的磁异常信号提取方法，其特征在于：所述测线方向绝对梯度▽_i的计算公式为：

${\▿}_i=|z_{i+1}-z_i|/\sqrt{{(x_{i+1}-x_i)}^2+{(y_{i+1}-y_i)}^2}$

其中，i，i+1为相邻两点的测点编号，z为磁力测量值，x、y为测点坐标；

所述测线方向梯度标准差的计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\▿}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\▿}_i-{\stackrel{\‾}{\▿}}_i)}^2}{n-1}}$

其中n为测线上的测点个数，i为测点编号，为所有测点的测线梯度绝对值的均值。

4.根据权利要求1所述的一种水下小目标的磁异常信号提取方法，其特征在于：所述步骤3确定磁异常信号段的方法为：根据特定水下小目标的磁异常信号宽度，选择初位置附近的若干测点构成完整的磁异常信号段。

5.根据权利要求1所述的一种水下小目标的磁异常信号提取方法，其特征在于：所述步骤4拟合各个测点的地磁背景场的方法为：在磁异常信号段，选择两端少数测点参与计算，拟合二次曲线，据此内插计算中间各点的磁力值作为其中间各点的地磁背景场值；在非磁异常信号段，直接将各点的磁力测量值作为其地磁背景场值。

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