CN113866836B - 一种基于归一化磁异常导数标准差的多目标边界识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于归一化磁异常导数标准差的多目标边界识别方法，属于磁探测技术领域。该方法包括：S1：基于三轴磁分量探测数据，测量平面区域内环境背景磁噪声信号T0与磁性体总磁场模Ta；S2：基于矢量三角形余弦定理以及T0和Ta之间夹角取值，计算探测区域内总强度磁异常信号△T的一阶近似；S3：根据测量区域内地磁倾角与偏角分布情况，对总强度磁异常信号化极预处理；S4：计算预处理后信号的垂向一阶导数与总水平分布导数的标准差，利用两者的比值函数，均衡不同深度目标体间的深浅异常；S5：进行归一化处理，以最大值1为特征值确定边界位置，增强微弱场源边界特征，实现多目标体边界识别。
Description
技术领域
本发明属于磁探测技术领域，涉及一种基于归一化磁异常导数标准差的多目标边界识别方法。
背景技术
铁磁性目标的存在会导致目标边界分界线上两侧磁性差异明显、磁异常的变化率变大。通过磁探测采集数据，并对数据进行处理，利用磁性差异可以实现目标边界的划分。磁探测技术能快速、有效地探测出磁性目标，在地球物理、机械工业、军事国防等领域得到了广泛的应用，对于沉船、水雷、海底电缆、潜艇探测等具有重要价值。当存在多个埋深不同的混合场源体时，由于深部场源的磁异常往往被浅部场源的磁异常掩盖，出现深浅异常问题，而一般的导数分析与解析信号模法等方法很难探测出多目标情况下的深部目标体边界，对边界识别结果产生的误判断，进而影响后续处理。
因此，亟需一种能够准确探测出多目标情况下的深部目标体边界的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于归一化磁异常导数标准差的多目标边界识别方法，针对现有深浅分布不均的铁磁性目标边界识别方法的不足，解决多目标体深浅分布时，由于深浅叠加异常、临近叠加异常等复杂分布情况下的边界识别方面存在精度低、分辨率差的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于归一化磁异常导数标准差的多目标边界识别方法，具体包括以下步骤：
S1：基于三轴磁分量探测数据，测量平面区域内环境背景磁噪声信号T0与磁性体总磁场模Ta；
S2：基于矢量三角形余弦定理以及T0和Ta之间夹角取值，计算探测区域内总强度磁异常信号△T的一阶近似；
S3：根据测量区域内地磁倾角与偏角分布情况，对总强度磁异常信号化极预处理，降低斜磁化对边界识别结果与真实目标边界的对应偏差；
S4：计算预处理后信号的垂向一阶导数与总水平分布导数的标准差，利用两者的比值函数，均衡不同深度目标体间的深浅异常，突出较深目标体的边界识别效果；
S5：进行归一化处理，以最大值1为特征值确定边界位置，进一步突出深部异常目标体的边界呈现情况，增强微弱场源边界特征，实现多目标体边界识别。
进一步，步骤S2中，探测区域内总强度磁异常信号△T的一阶近似的计算公式为：
其中，θ表示T0和Ta之间夹角取值；
进一步，步骤S3中，对总强度磁异常信号化极预处理，具体包括：在频率域中进行磁场转换，将总强度磁异常信号△T作化极处理，将磁异常转换为磁性体处于地磁极位置的磁异常，降低斜磁化导致的磁异常畸变，频域化极因子为：
其中，u、v分别为x、y方向圆频率；I、D分别为磁化方向倾角和偏角，i表示虚数单位，ΔT⊥表示化极后总强度磁异常信号；
为了减小二维傅里叶变换的边界效应，频率域化极过程中采用余弦扩边，对边界进行处理，将信号行列数扩边至2的整数幂，余弦扩边公式为：
其中，k表示当前扩边数量，l表示所需扩边的数值；ΔT⊥、ΔT⊥k分别表示化极后的总强度磁异常信号与余弦扩边生成的总强度磁异常数据。扩边目的为了减小二维傅里叶变换的边界效应，后续边界识别运算完成，需进行信号数据扩边的逆过程，只取信号中间与原始数据对应的部分。为简化表达，后文的ΔT⊥即表示扩边后的ΔT⊥k。
进一步，步骤S4中，总水平分布导数THD的计算表达式为：
其中，Δx、Δy分别表示x轴向与y轴向的相邻点增量；
进一步，步骤S4中，计算预处理后信号的垂向一阶导数VD的表达式为：
其中，z表示垂直轴向，本发明采用M.Fedi等提出综合二阶垂向导数算法计算位场各阶垂向导数；
进一步，步骤S4中，垂向一阶导数标准差的计算表达式为：
总水平分布导数标准差的计算表达式为：
其中，σ(VD)表示磁异常垂向导数的标准差，σ(THD)表示总水平导数的标准差，N表示窗口总点数。
进一步，步骤S5中，归一化磁异常导数标准差NFSD的计算表达式为：
本发明的有益效果在于：本发明结合空间域及频率域其原理直观、乘积运算简便的各自优势，以及本发明所需的应用特点，实现测量的磁性体总磁场信号的导数计算与化极预处理，为提高后续边界识别精确度与分辨率奠定基础。以标准差分别描述垂向导数与总水平导数特征值变化趋势的差异性，避免采用高阶求导的方式，引入高频干扰噪声，进而影响边界识别效果。同时利用垂向导数与总水平导数的比值函数，克服深部目标信号较弱所存在的边界识别范围不收敛，抑制深度异常的问题，均衡不同深度目标体间的深浅异常。引入归一化思想，以最大值1点确定边界，进一步均衡并增强不同深度目标体边界所对应特征数据，可以实现具有更准确和高分辨率的铁磁性多目标边界识别。
本发明在降低倾斜磁化干扰的同时，均衡不同深浅分布多目标体间的深浅异常情况，提高对较深目标体的边界识别呈现效果，细化整体识别边界与真是边界的对应情况，对于铁磁性目标，如在沉船、水雷、矿产分布、海底电缆和潜艇探测中具有较大的应用前景。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明归一化磁异常导数标准差边界识别方法流程图；
图2为实施例中南海中央盆地海底磁条带的航磁异常分布图；
图3为实施例中化极后南海中央盆地海底磁条带的航磁异常分布图；
图4为实施例中归一化磁异常导数标准差边界识别方法的边界识别效果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的一种基于归一化磁异常导数标准差的多目标边界识别方法，具体包括如下步骤：
S1：基于三轴磁分量探测数据，实现平面区域内环境背景磁噪声信号T0与磁性体总磁场模Ta的测量。
S2：基于矢量三角形余弦定理以及T0和Ta之间夹角取值，实现探测区域内总强度磁异常信号△T的一阶近似计算；具体包括：基于探测的T0和Ta数值，依据矢量三角形余弦定理与Maclaurin展开式，实现探测区域内总强度磁异常信号△T的一阶近似计算，计算公式为：
其中，θ表示T0和Ta之间夹角取值。
S3：根据测量区域内地磁倾角与偏角分布情况，对总强度磁异常信号化极预处理，降低斜磁化对边界识别结果与真实目标边界的对应偏差；具体包括：
在频率域中进行磁场转换，将磁异常△T作化极处理，将磁异常转换为磁性体处于地磁极位置的磁异常，降低斜磁化导致的磁异常畸变，频域化极因子为：
其中，u、v分别为x、y方向圆频率；I、D分别为磁化方向倾角和偏角，i表示虚数单位，ΔT⊥表示化极后总强度磁异常信号。
为了减小二维傅里叶变换的边界效应，频率域化极过程中采用余弦扩边，对边界进行处理，将信号行列数扩边至2的整数幂，余弦扩边公式为：
其中，k表示当前扩边数量，l表示所需扩边的数值；ΔT⊥、ΔT⊥k分别表示化极后的总强度磁异常信号与余弦扩边生成的总强度磁异常数据。扩边目的为了减小二维傅里叶变换的边界效应，后续边界识别运算完成，需进行信号数据扩边的逆过程，只取信号中间与原始数据对应的部分。为简化表达，后文的ΔT⊥即表示扩边后的ΔT⊥k。
S4：计算预处理后信号的垂向一阶导数与总水平分布导数的标准差，利用两者的比值函数，均衡不同深度目标体间的深浅异常，突出较深目标体的边界识别效果；具体包括：
(1)化极预处理后的总强度磁异常，其空间域水平导数的计算，水平导数的计算表达式为：
其中，Δx、Δy分别表示x轴向与y轴向的相邻点增量。
总水平导数表达式为：
(2)化极预处理后的总强度磁异常，其频率域垂向导数的计算，垂向导数VD的计算包括：首先进行余弦扩边处理，其次在频率域求导，先将预处理后的磁异常做傅氏变换，用其谱乘以波谱算子，得到的结果进行反傅氏变换计算后，经缩边处理得到垂向导数，表达式为：
(3)通过标准差分别描述垂向导数与总水平导数特征值变化趋势的差异性，避免高阶求导的方式引入高频干扰噪声，计算方法为：
其中，σ(VD)表示磁异常垂向导数的标准差，σ(THD)表示总水平导数的标准差，N表示窗口总点数。
S5：进行归一化处理，以最大值1为特征值确定边界位置，进一步突出深部异常目标体的边界呈现情况，增强微弱场源边界特征，实现多目标体边界识别。
利用垂向导数与总水平导数的比值函数，克服深部目标信号较弱所存在的边界识别范围不收敛，抑制深度异常的问题，均衡不同深度目标体间的深浅异常，归一化磁异常导数标准差(NFSD)方法表达式为：
实施例：
以南海中央盆地海底磁条带的实测航磁数据为例，其航磁分布如图2所示，通过归一化磁异常导数标准差边界识别方法，对该地区的磁条带分布进行边界识别。对于其他应用场景，实际获取磁异常数据方法可如步骤1、2实现。
具体步骤如下：
步骤1：在频率域中进行磁场转换，将航磁异常△T作化极处理，将磁异常转换为磁性体处于地磁极位置的磁异常，降低斜磁化导致的磁异常畸变，频域化极因子为：
其中，u、v分别为x、y方向圆频率；I、D分别为磁化方向倾角和偏角；i为虚数单位。依据区域内地磁倾角与偏角情况，分别取20°与-2°进行处理，化极后的磁异常分布如图3所示。
步骤2：化极预处理后的总强度磁异常，分别计算其总水平导数与垂向导数，表达式为：
步骤3：通过标准差分别描述垂向导数与总水平导数特征值变化趋势的差异性，避免高阶求导的方式引入高频干扰噪声，计算方法为：
步骤4：利用垂向导数与总水平导数的比值函数，克服深部目标信号较弱所存在的边界识别范围不收敛，抑制深度异常的问题，均衡不同深度目标体间的深浅异常，处理后的南海中央盆地海底磁条带边界识别效果如图4所示。归一化磁异常导数标准差(NFSD)方法表达式为：
可以发现，经过归一化磁异常导数标准差边界识别方法处理后，南海中央盆地海底磁条带的分布情况更加清晰，具有更高的分辨率且符合真实分布情况。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于归一化磁异常导数标准差的多目标边界识别方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：基于三轴磁分量探测数据，测量平面区域内环境背景磁噪声信号T 0与磁性体总磁场模T a；
S2：基于矢量三角形余弦定理以及T 0和T a之间夹角取值，计算探测区域内总强度磁异常信号△T的一阶近似；
S3：根据测量区域内地磁倾角与偏角分布情况，对总强度磁异常信号化极预处理，降低斜磁化对边界识别结果与真实目标边界的对应偏差；
对总强度磁异常信号化极预处理，具体包括：在频率域中进行磁场转换，将总强度磁异常信号△T作化极处理，将磁异常转换为磁性体处于地磁极位置的磁异常，频域化极因子为：
其中，u、v分别为x、y方向圆频率；I、D分别为磁化方向倾角和偏角，i表示虚数单位，表示化极后总强度磁异常信号；
为了减小二维傅里叶变换的边界效应，频率域化极过程中采用余弦扩边，对边界进行处理，将信号行列数扩边至２的整数幂，余弦扩边公式为：
其中，k表示当前扩边数量，l表示所需扩边的数值；、/>分别表示化极后的总强度磁异常信号与余弦扩边生成的总强度磁异常数据；
S4：计算预处理后信号的垂向一阶导数与总水平分布导数的标准差，利用两者的比值函数，均衡不同深度目标体间的深浅异常，突出较深目标体的边界识别效果；
S5：进行归一化处理，以最大值1为特征值确定边界位置，进一步突出深部异常目标体的边界呈现情况，增强微弱场源边界特征，实现多目标体边界识别。
2.根据权利要求1所述的多目标边界识别方法，其特征在于，步骤S2中，探测区域内总强度磁异常信号△T的一阶近似的计算公式为：
其中，θ表示T 0和T a之间夹角取值。
3.根据权利要求1所述的多目标边界识别方法，其特征在于，步骤S4中，总水平分布导数THD的计算表达式为：
其中，、/>分别表示x轴向与y轴向的相邻点增量。
4.根据权利要求3所述的多目标边界识别方法，其特征在于，步骤S4中，计算预处理后信号的垂向一阶导数VD的表达式为：
其中，z表示垂直轴向。
5.根据权利要求4所述的多目标边界识别方法，其特征在于，步骤S4中，垂向一阶导数标准差的计算表达式为：
总水平分布导数标准差的计算表达式为：
其中，表示磁异常垂向导数的标准差，/>表示总水平导数的标准差，N表示窗口总点数。
6.根据权利要求5所述的多目标边界识别方法，其特征在于，步骤S5中，归一化磁异常导数标准差NFSD的计算表达式为：
。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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