CN109858164A - 一种基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供一种基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场的方法，该方法通过利用同步观测的电场与磁场数据，估算预测点电磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数，再结合参考点数据，计算任意时刻预测点的天然电场和磁场信号，该方法可以应用于对天然电场和磁场信号的计算，还可以应用于对天然电场和磁场数据的数据处理。其实现步骤为：1.观测一段时间预测点的电场和磁场；2.持续观测参考点磁场；3.估算单位脉冲响应函数；4.计算预测点电场和磁场。通过上述实现步骤，本发明可以高精度计算预测点任意时刻的天然电场和磁场信号。

Description

一种基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场的方法

技术领域

本发明属于对地球天然电场和磁场数据处理领域，涉及一种基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电场和磁场的方法，该方法通过利用同步观测的电场与磁场数据，估算预测点电磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数，再结合参考点数据，计算任意时刻预测点的天然电场和磁场信号，该方法可以应用于对天然电场和磁场信号的计算，还可以应用于对天然电场和磁场数据的数据处理。

背景技术

地球变化的磁场主要来自于地球外部，在外磁场的作用下，地球内部感应产生感应电流，形成变化的大地电场。地球地表的电磁场除了与外部场源有关以外，还与地下介质的电阻率密切相关。通过观测地球地表的电场和磁场，可以获得地下介质的电阻率分布，如大地电磁测深法，就是一种利用天然电磁场为场源的地球物理勘探方法，广泛应用于研究深部流体分布、板块构造和大陆动力学等科学问题。再者，也大量研究发现，地震前天然电场和磁场存在异常，这是预测地震发生的一种潜在手段，目前，在我国地震观测台网中，也涵盖了对地电场和地磁场的观测，但如何从实际观测的电场和磁场数据中去除与外部场源有关的天然电磁场信号，以提取与地震相关的磁场和电场异常，是研究电磁地震前兆信号的基础。另外，在磁暴发生时，由于磁场的急剧增大，会引起大地电场的突然增大，从而引起供电设备的瘫痪，造成大范围的停电，如1989年3月的强磁爆，就导致了加拿大魁北克省电网的奔溃，造成巨大的经济损失。目前很多国家正在通过建立地下电阻率的模型，以评价和预测磁暴发生时引起地电场的变化，从而通过合理的选址，避免磁暴引起强大的电场破坏电网。由此可见，计算或者预测天然电场和磁场信号，不仅可以应用于大地电磁测深数据处理领域，还可以应用于提取与地震相关的电场和磁场异常信号，还可以应用于预测磁暴发生时，地下电场的变化，为电网选址提供重要的参考。

由于地球外部磁场场源的复杂性和地球内部地下介质电性结构的复杂性，地表上观测的电磁场具有较强的随机性，以往很难通过模型计算天然电场和磁性信号。本文提出一种基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场的方法，其应用不仅限于以上列举的三个方面。

发明内容

针对天然电磁场信号随机性强，难以通过模型计算的缺陷，本发明提供一种基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场的方法，该方法可以通过参考点磁场数据和单位脉冲响应高精度计算预测点任意时刻的天然电场和磁场。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场的方法，包括如下步骤：

1)观测一段时间预测点的电场和磁场；

2)在距离预测点较远的区域内，选择一个人文噪声干扰较小的参考点，持续观测磁场；

3)估算参考点磁场与预测点电磁场的单位脉冲响应函数；

4)利用参考点磁场数据与步骤3)中的单位脉冲响应函数计算预测点的电场和磁场。

在上述技术方案中，进一步，步骤2)中参考点磁场数据可以直接选用我国地震台网中的地磁场数据，此时，无需额外布设参考点；当有多个参考点存在是，选择一个人文噪声干扰最小的参考点磁场数据。

步骤3)中估算的站间单位脉冲响应函数，包括预测点电场与参考点磁场的单位脉冲响应函数，预测点磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数。具体地，构建公式(1)的目标函数，采用最小二乘法估算单位脉冲响应函数。

θ＝[θ_-m+1 ... θ₀ θ₁ θ₂ ... θ_n] (3)

其中N为所选取的电磁场数据长度，y为实测的预测点电场或磁场数据，u为参考点实测磁场数据，为参考点实测磁场数据矩阵，θ为估算的单位脉冲响应函数，n为单位脉冲响应函数的阶数(n>0)，m为该单位脉冲响应中非因果部分的阶数(m>0)，；具体地，当y为预测点电场数据时，θ为预测点电场与参考点磁场的单位脉冲响应函数，当y为预测点磁场数据时，θ为预测点磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数。

步骤4)对步骤2)中的实测参考点磁场数据，结合步骤3)中估算的单位脉冲响应函数，采用公式(4)计算任意时刻预测点的电场和磁场数据。

其中p_l为计算的预测点电场和磁场数据，k为电场和磁场的时刻，h_r为实测参考点磁场数据，θ为单位脉冲响应函数；具体地，当θ为预测点电场与参考点磁场的单位脉冲响应函数时，p_l为预测点的电场数据，当θ为预测点磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数时，p_l为预测点的磁场数据。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为预测点电场与参考测点磁场的单位脉冲响应函数图。

图3为预测点磁场与参考测点磁场的单位脉冲响应函数图。

图4为计算电场数据与实测电场数据对比图。

图5为计算磁场数据与实测磁场数据对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1一种基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场方法的流程图，具体按照如下步骤进行处理：

1)观测一段时间预测点的电场和磁场；

2)在距离预测点较远的区域内，选择一个人文噪声干扰较小的参考点，持续观测磁场；参考点磁场数据还可以直接选用我国地震台网中的地磁场数据，此时，无需额外布设参考点；当有多个参考点时，选择一个人文噪声干扰最小的参考点磁场数据。

3)估算参考点磁场与预测点电磁场的单位脉冲响应函数；包括预测点电场与参考点磁场的单位脉冲响应函数，预测点磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数。构建公式(1)的目标函数，可以采用最小二乘法估算单位脉冲响应函数；图2为预测点电场与参考点磁场的单位脉冲响应函数，图3为预测点磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数；

4)利用参考点磁场数据和3)中的单位脉冲响应函数，采用公式(4)计算得到预测点的电场和磁场数据；图4为计算电场数据与实测电场数据对比图，可见，计算电场数据与实测电场数据的相关系数大于0.99，拟合度为高于87％，计算数据与残差的比(信噪比)大于18dB；图5为计算磁场数据与实测磁场数据对比图，可见，计算磁场数据与实测磁场数据的相关系数大于0.98，拟合度高于83％，计算数据与残差的比(信噪比)大于15dB；从计算数据与实测数据的对比来看，计算的电场和磁场数据具有较高的精度。由于持续观测参考点磁场，因此，通过该方法可以获得任意时段预测点的电场和磁场数据。例如利用参考测点磁场数据，可以计算预测点的天然电场和磁场数据，用计算数据替换实测数据中含人文噪声的数据，就可以实现对大地电磁测深数据的去噪；再例如发生磁暴时，可以利用参考点的磁场数据，计算预测点的电场，从而评价地下电场对周围供电设备的影响；再例如利用距离地震发生较远的参考点磁场数据，计算距离地震较近测点的电场和磁场，从而去除较近测点的天然电场和磁场，提取与地震有关的电场和磁场异常信号，是研究电磁地震前兆信号的基础。本发明的应用包括以上三个实例，但不仅限于此。

Claims (3)

1.本发明涉及一种基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场的方法，其特征在于，可以通过参考点磁场数据和单位脉冲响应高精度计算预测点任意时刻的天然电场和磁场，包括如下步骤：

1)观测一段时间预测点的电场和磁场；

2)在距离预测点较远的区域内，选择一个人文噪声干扰较小的参考点，持续观测磁场；

3)估算参考点磁场与预测点电磁场的单位脉冲响应函数；

4)利用参考点磁场数据和单位脉冲响应函数计算预测点的电场和磁场。

2.根据权利要求1所述的基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的估算参考点磁场与预测点电磁场的单位脉冲响应函数，单位脉冲响应函数具体包括：包括预测点电场与参考点磁场的单位脉冲响应函数，预测点磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数；构建如下目标函数，采用最小二乘法估算单位脉冲响应函数。

其中：

θ＝[θ_-m+1 ... θ₀ θ₁ θ₂ ... θ_n]

N为所选取的电磁场数据长度，y为实测的预测点电场或磁场数据，u为参考点实测磁场数据，为参考点实测磁场数据矩阵，θ为估算的单位脉冲响应函数，n为单位脉冲响应函数的阶数(n>0)，m为该单位脉冲响应中非因果部分的阶数(m>0)，；具体地，当y为预测点电场数据时，θ为预测点电场与参考点磁场的单位脉冲响应函数，当y为预测点磁场数据时，θ为预测点磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数。

3.根据权利要求1所述的基于电磁场单位脉冲响应函数计算天然电磁场的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的利用参考点磁场数据和单位脉冲响应函数计算预测点的电场和磁场，计算公式如下：

其中p_l为计算的预测点电场和磁场数据，k为电场和磁场的时刻，h_r为实测参考点磁场数据，θ为单位脉冲响应函数；具体地，当θ为预测点电场与参考点磁场的单位脉冲响应函数时，p_l为预测点的电场数据，当θ为预测点磁场与参考点磁场的单位脉冲响应函数时，p_l为预测点的磁场数据。