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人機交互方式處理尖脈沖干擾和短時缺數研究
發布時間:2019-06-14

  摘要:基于matlab平臺, 作者編寫了一個小程序, 采用人機交互方式, 去除地磁觀測數據中的尖脈沖干擾和缺數, 以降低這些干擾因素對數據可靠性的影響。本文選取成都臺觀測數據實際操作處理, 并進行處理前后的誤差分析對比。結果表明, 這種方法與目前臺站通用的處理系統相比, 用其剔除臺站資料中殘留的尖峰、缺數等更加靈活、簡便、實用, 具有較強的可操作性, 這種處理降低了數據由于干擾引入的統計誤差, 適合臺站觀測人員對數據的日常處理, 也適合其他研究人員對原始數據的預處理。同樣也可用于其它測項觀測數據類似干擾的預處理, 具有較廣泛的實用價值。

  關鍵詞:地磁數據; 尖脈沖; 缺數; 干擾; 交互處理;

  地磁科學是觀測科學, 觀測得到地磁數據是我們進行各種科學研究的寶貴資源。但是在實際觀測中, 盡管工作人員努力維護觀測系統的正常運行, 層層進行專業的數據預處理, 但由于各種因素的影響, 儀器故障、周邊環境等干擾原因造成的缺數、尖峰等在臺站的預處理數據中仍有殘留。但這樣的數據, 在使用和研究工作中, 卻帶來許多困擾, 一是給處理結果引入不希望的偏差, 影響到結果的可靠性。二是缺數在時序上造成不完整性, 對研究某種變化的時變特征帶來不確定因素。因此, 我們需要在數據處理計算之前, 進行一些數據的預處理, 力圖去除一些明顯的干擾。目前比較常用的是采用濾波方法去除一些雜噪干擾信號 (詹志佳, 1990, 1992) , 這種方法使用簡便, 且具有廣泛的適用性, 但這種方法也有一些局限性, 一是在濾除雜噪信號的同時, 也會濾除一些有用的信息, 處理后的數據可能會丟失一些有用的信息, 這是我們所不希望出現的情形。二是干擾信號各種各樣, 幅度和頻率千差萬別, 用一個濾波器同時去除各種各樣的干擾信號也是比較困難的。所以, 本文提出一種簡便的方法, 用人機交互的方式, 去除一些明顯的干擾, 特別側重于處理尖脈沖干擾和短時缺數的情形。

人機交互

  1 基本方法

  基于matlab平臺, 編寫了針對地磁觀測數據干擾和短時缺數的預處理小程序。首先讀入數據, 在一個窗口顯示波形, 根據地磁場的自然變化特征目視找到一個干擾, 例如圖1中的尖脈沖干擾, 用窗口顯示的鼠標十字絲分別點擊尖脈沖干擾的起始點和終止點, 選取這個干擾脈沖, 截取這段數據去除, 程序在相應的數據時序位置補上相應個數的隨機數據, 隨機值的大小根據整個數據序列的平均幅值控制, 采用隨機值補數旨在將這一處理對數據序列頻譜的影響減低到最小。這樣, 一處干擾得以處理, 如果這一屏數據中還有其他干擾要處理, 命令窗口會有一個輸入提示出現:您還有更多需要處理嗎?如果輸入y, 彈出波形窗口, 類似上述方法點擊選取, 如果不再處理, 輸入N, 結束程序, 一個數據文件預處理結束。

  2 預處理實例

  2.1 成都地磁臺2007年9月至2007年10月資料預處理

  選取成都地磁臺2007年9月至2007年10月地磁垂直分量的觀測數據為例進行處理, 采樣率為每分鐘一個樣點。這段數據中包括了一個是尖脈沖干擾。處理前的數據如圖1 (a) 所示, 處理后的數據如圖1 (b) 所示。

  2.2 成都地磁臺2008年2月至2008年3月資料預處理

  這里選取成都地磁臺2008年2月至2008年3月地磁垂直分量的觀測數據為例進行處理, 采樣率為每分鐘一個樣點。這段數據中包括了兩個明顯的處理點, 一個是尖脈沖干擾, 另一個是一段記錄缺數。處理前的數據如圖2 (a) 所示, 處理后的數據如圖2 (b) 所示。

  圖1 (a, b) 成都地磁臺2007年9月至2007年10月地磁垂直分量 (Z) 的觀測數據預處理

  3 誤差分析

  對于成都臺觀測數據的兩個實例, 我們分別計算了數據預處理前后的幾個統計分析指標見表1.由此, 從平均值, 眾數, 標準差和均方差這四個指標

  圖2 (a, b) 成都地磁臺2008年2月至2008年3月地磁垂直分量 (Z) 的觀測數據預處理

  可以看出, 處理前后這四個指標均有不同程度差異, 平均值和眾數, 在處理前受到干擾影響較大, 特別是眾數受缺數影響較大, 標準差和均方差也存在較大差異, 處理后數據離散性得以較好控制。

  表1 誤差分析結果表

  4 結論

  基于以上實例操作處理和結果的誤差分析認為:

  1) 采用人機交互方式去除干擾, 方法簡便, 可靠, 不要求資料使用者掌握太多的專業處理系統操作技能, 使數據適合研究人員進一步的處理。

  2) 誤差分析對比可知, 干擾和缺數對數據統計分析的結果存在較大影響, 對臺站產出的部分資料進行進一步的預處理是很有必要的。

  3) 這種方法略加改動, 也可用于其它觀測項目的預處理。

  參考文獻
  [1]詹志佳, 高金田, 郭啟華, 等。1990.地磁干擾噪聲的實驗觀測[J].西北地震學報。12 (4) :49-54.
  [2]詹志佳, 高金田, 任熙憲, 等。1992.頻譜分析在地磁與震磁研究中的應用[J].地震地磁觀測與研究。13 (1) :30-37.
  [3] 陳俊, 楊冬梅, 曾獻軍。2010.地磁干擾概況淺析[J].地震地磁觀測與研究。31 (sup.1) :1-5.

對應分類:人機交互論文
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