应用NOC方法研究中国地区地磁时空变化

应用自然正交分量(NOC)方法,对1995～2006年中国地区36个地磁台的地磁场观测数据进行了计算,获得了上述数据矩阵的本征值和相应的空间域、时间域本征向量,并就其时空分布与中国地磁模型（CGM）进行了对比分析,探讨了它的物理意义.研究表明,上述观测数据包含了丰富的地磁内、外源场信息,其中地磁场要素F、D、I第一、第二本征值及相应的空间域和时间域的第一、第二本征向量所描述的地磁基本场时间变化与CGM吻合较好.     

基于离散Gabor变换的磁暴识别

以地磁秒数据为研究对象,通过离散Gabor变换将时域的地磁数据转换至二维时频面,提取Gabor变换谱图的均值和方差作为特征值,使用支持向量机实现地磁正常数据与磁暴干扰数据的自动分类识别。对5个地磁台的200组地磁秒数据进行计算分析,结果表明该方法对测试样本数据的识别率可达94%。     

Detecting Stochastic Behaviour and Scaling Laws in Time Series of Geomagnetic Daily Means

—We use advanced methods to extract quantitative time dynamics from geomagnetic signals. In particular we analyse daily geomagnetic time series measured at three stations in Norway. The dynamics of geomagnetic measurements has been investigated using autoregressive models. The procedure is based on two forecasting approaches: the global autoregressive approximation and the local autoregressive approximation. The first technique views the data as a realisation of a linear stochastic process, whereas the second considers them as a realisation of a deterministic process, supposedly non-linear. The comparison of the predictive skill of the two techniques is a strong test to discriminate between low-dimensional chaos and stochastic dynamics. Our findings suggest that the physical system governing the phenomena is characterised by a stochastic dynamics, and the process could be described by numerous degrees of freedom. We also investigated the kind of stochasticity of the geomagnetic signals, analysing the power spectrum density. We identify a power law P(?)∝?^-α, with the scaling exponent α which is a typical fingerprint of irregular processes. In this analysis we use the Higuchi method, which presents an interesting relationship between the fractal dimension D and the spectral power law scaling index α.     

方差分析法在定点核旋观测资料质量检验中的应用

本文以地磁场的空间相关性为物理依据，以测点间测值线性回归方程的显著程度，为测点测值的质量检验标准，采用方差分析和相关系数法，以月为时段，分别计算了省内１９９２年１至１０月，１０个地磁台站的Ｆ，ｒ，Ｓ检验结果。结果表明，两种方法的检验效果相似。而方差分析法，在分辨率和准确性方面，明显优于相关系数法。按计算时段，选取标准台的办法，利于克服单一标准台的不足和空间磁场差异性变化对测点测值质量评估的影响。     

文安地震前后的转换函数参数变化分析

为了提取地震前后的磁场异常变化,本文用转换函数方法分析了文安地震前后,距离震中分别为52km和298km的静海地磁台和泰安地磁台不同周期的转换函数参数随时间的变化过程,发现静海地磁台转换函数参数的数据异常点随着时间的向后推移从短周期向比较长的周期迁移,而泰安地磁台的转换函数参数没有出现类似现象。     

利用大地电磁站间阻抗估算磁暴引起的大地电场

由磁暴引起的地下感应电场(geomagnetic induction electric field,GIE)会影响电网的安全稳定运行,GIE的大小取决于磁暴时磁场的变化率和周围地下介质的电性结构.本文利用在地表观测的磁场与电场数据,首先求得频率域实际地下三维大地电磁站间阻抗,再结合磁暴时段的磁场数据,计算GIE的频谱,最后通过傅里叶反变换,得到GIE时间序列.本文以日本地区三个长期观测的电磁电台站为例,讨论了站间阻抗的长期稳定性,并选取一次典型的磁暴事件,对本文方法进行了验证.结果表明,合成的GIE与实测数据基本一致,说明利用大地电磁站间阻抗,结合地磁台站数据,可以高精度合成GIE.本文方法有助于定量评价磁暴发生时产生的GIE对电网可能造成的破坏作用.     

基于神经网络的地磁观测数据重构研究

在距离数据缺失台站一定范围内选取参考台作为输入,构建非线性BP神经网络并进行地磁观测数据重构研究.数据仿真结果显示,重构数据和原始记录数据吻合程度较高,重构残差较小,磁静日重构平均残差仅为0.11 nT,磁扰日平均重构残差为0.23 nT.重点对磁场活动最剧烈时段内的数据进行了短时重构,平均残差由0.4 nT降低到0.2 nT,重构效果得到较大改进.计算了原始数据与重构数据的功率谱密度,除部分高频信号外,二者变化特征基本相同,相关性高达1.0.从时域和频域验证了BP神经网络在地磁相对记录数据重构上的有效性,并将其运用于实际缺失数据重构,取得较好效果.     

徐庄子地震台地磁观测干扰因素剖析

为充分认识地磁观测环境中的各种干扰因素,提升台站观测人员对数据异常的识别能力,确保提供真实有效的高质量观测数据,以天津市徐庄子地震台地磁观测为例,阐述地磁观测中存在的多种干扰因素及形态特征和预处理方法。分析表明,徐庄子地震台地磁GM4磁通门磁力仪主要受高压直流输电、地铁运营、过往车辆、地电供电、GPS整点授时、磁扰以及雷电等因素的影响,干扰形态主要表现为尖峰、台阶、扰动等,并总结说明高压直流输电线路的干扰鉴定方式、幅度及干扰时段等。     

地磁数据分析的一些思考

通过若干实例,本文讨论了地磁数据分析中的一些方法.这些方法包括时间序列的多项式拟合,相关性分析,频谱分析和小波分析等.在Matlab和AutoSignal软件下实现了以上方法,并基于这些方法研究了地磁场形态和地磁现象的频谱特征.我们分析了Surlari观测台（余纬45.3°,经度26.3°）的地磁时间序列,并与Ottawa（余纬44.6°,〖JP2〗经度284.5°）,Canberra（余纬125.3°,经度149.3°）, Kakioka（余纬53.8°,经度140.2°）,Vernadsky〖JP〗（余纬155.3°,经度295.7°）等台站的结果进行了对比分析,讨论了Fourier变换时间窗和小波基函数选取的影响,有限长时间序列引起的边缘效应,以及小波尺度和Fourier频率的关系等问题.我们采用谱分析和小波分析处理了2007年两个台站的地磁数据,研究了地磁场形态和地磁现象的频谱特征,并讨论了Fourier变换和小波变换的优缺点.     

地磁台站的城市轨道交通干扰的小波抑制方法研究——以天津轨道交通干扰为例

我国地磁台站观测环境日益受到轨道交通干扰影响,导致地磁观测数据质量下降,制约地磁观测发展.因此,开展干扰抑制的数据处理方法研究,最大限度抑制干扰是提高观测数据质量切实可行的方法.本文提出轨道交通干扰的小波域噪声阈值抑制模型及方法.以天津轨道交通为例,选用受干扰的天津静海地磁台和未受干扰的参考台站河北红山地磁台观测资料,...     

地磁观测数据重构技术研究

基于地磁相对记录数据在1 000 km范围内有较高的相关性,本文以缺失数据台站的邻近台站作为参考台站,通过关系拟合及加权对缺失数据进行了重构.数据仿真结果表明:重构数据与原始数据的变化形态极为一致,磁静日平均重构残差仅为0.11 nT,磁扰日平均重构残差为0.23 nT;重构数据与原始数据的功率谱密度变化特征基本相同,相关性高达1.0.此外,从时域和频域上验证了空间加权法在地磁相对记录数据重构上的有效性,将其应用于实际缺失数据重构中也取得了较好的效果.      

基于IGRF的地磁基准图技术

地磁导航需要获得目标区域的地磁基准图。研究了基于国际地磁参考场的地磁场要素计算和等值线绘制方法。以给定目标区域的经纬高为输入,计算高阶地磁球谐函数获取地磁矢量并计算地磁场要素,修正了因地球扁率带来的数据差异。采用具有虚节点的移动矩形网格算法来绘制地磁参数等值线,生成目标区域的地磁基准图。采用C#实现了地磁基准图软件,测试表明,获得的地磁等高线数据满足使用要求,等值线精度较高。     

M-1型数字地磁脉动观测系统<

DCM-1型数字地磁脉动观测系统,是为开展地磁测深及地磁脉动观测工作而研制的.该系统由高灵敏度磁通门磁力仪、多路数据采集器、盒式磁带记录与回放器,以及时间服务装置等部分组成.系统具有大动态、低噪声、高精度、低功耗,以及操作简单、使用方便等特点.系统可直接与计算机接口,也可直接回放进行模拟恢复.利用该系统进行了多次野外观测,取得了较好的野外观测资料,并显示出比进口的模拟系统能记录到较为丰富的信息[1].      

基于极值特征尺度的干扰辨识技术在地磁观测中的应用研究

在地震前兆观测台网中,地磁和地电同台观测是较为常见的,地电测量时的供电干扰会引起同台地磁观测数据的变化,造成地磁观测精度下降.本文在分析产生地电供电干扰的机理及特点基础上,提出了采用噪声辅助的基于极值特征尺度的干扰辨识,对采用线性差值辨识出的干扰区间利用这种技术进行填充.并将该方法应用到成都、洛阳、徐庄子和蒙城四个磁电同台观测数据的分析处理中.结果表明:该方法在地电供电对地磁资料的干扰辨识精确度方面和干扰抑制损失上有较好的效果和较高的稳定性,辨识精确高,抑制损失相对与传统滤波器达到最小程度.在抑制地电供电干扰,提高地磁观测精度方面有较好的应用价值.     

利用单台地磁数据估算Ap和Kp指数的可行性分析

通过分析单台长期地磁场扰动幅度和地磁行星指数Ap和Kp关系,对1小时磁扰幅度rH的日平均与Ap进行拟合,快速估算Ap指数.对3小时内rH的平均与Kp进行对数拟合,估算Kp指数.采用肇庆地震台2003-2008年地磁H分量分钟值数据,估算行星Ap和Kp指数,与世界数据中心(WDC)给出的Ap和Kp指数进行统计分析.结果发...     

基于XGBoost机器学习的地磁日变重构方法研究

为了重构或恢复存在严重干扰或数据缺失的台站观测数据,本文基于周边已有台站的高质量观测数据采用XGBoost机器学习方法重构地磁日变数据.仿真试验结果显示,无论是磁静日还是磁扰日,地磁场分量的绝对残差均值均低于0.1 nT.试验统计数据及重构结果残差曲线的对比分析表明,地磁日变重构精度与地磁活动性和待重构信号的时变剧烈程...     

全球电离层VLF电场功率谱特征

分析2006年3月至2009年2月DEMETER卫星VLF电场功率谱数据发现,卫星高度上全球电离层电场功率谱有以下特征:高纬度区域电场辐射强度平均高于低纬度区域,几个地磁场异常区相应的电场辐射增强;全球电场功率谱,向阳侧强于夜侧,大陆强于海洋,夏季强于分点季,冬季最弱;不同频段的电场功率谱特征有显著差异,某些频段的功率...     

燕郊等测点迁移优化与地磁观测研究

为优化地磁观测条件，开展了燕郊、夏垫等测点迁移工作；按照测眯迁移原则与实施技术方案，完整地收集并整理了地质构造与地球物理等方面的基本资料；进行了野外实地勘察，磁场梯度的测量，确定了新测点，在新老测点上进行了较长时间的地磁场对比观测；应用多种方法分析研究了地磁对比观测资料，结果表明，新老测点与有关测点的地磁变化具有良好的一致性，并得到了新老测点之间的地磁数据的按点差。     

Geomagnetic field mapping from a satellite: Spatial power spectra of the geomagnetic field at various satellite altitudes relative to natural noise sources and instrument noise

For a low-level geomagnetic satellite survey, for which the motion of the satellite converts spatial variation into temporal variation, the limit on accuracy may well be background temporal fluctuations. The sources of the temporal fluctuations are current systems external to the Earth and include currents induced in the Earth due to these sources. The internal sources consist primarily of two components, the main geomagnetic field with sources in the Earth's core and a crustal geomagnetic field.Power spectra of the vertical geomagnetic field internal component that would be observed by a spacecraft in circular orbit at various altitudes, due to satellite motion through the spatially varying geomagnetic field, are compared to power spectra of the natural temporal fluctuations of the geomagnetic field vertical component (natural noise) and to the power spectrum for typical fluxgate magnetometer instrument noise. The natural noise is shown to be greater than this typical instrument noise over the entire frequency range for which useful measurements of the geomagnetic field may be made, for all geomagnetic latitudes and all times. Thus there would be little benefit in reducing the instrument noise below the typical value of 10^?4 gamma² Hz^?1 plus a 1/f component of 10 milligamma rms decade^?1.For a given satellite altitude, there is a maximum frequency above which the natural noise is greater than the power spectrum of the crustal geomagnetic field vertical component. Below this maximum frequency, the situation is reversed. This maximum frequency depends on geomagnetic latitude (and to a lesser extent on time of day and season of year), being lower in the auroral zone than at lower latitudes. The maximum frequency is also lower at higher satellite altitudes. The maximum frequency determines the spatial resolution obtainable on a magnetic field map. The spatial resolution (for impulses) obtainable at low latitudes for a 100-km satellite altitude (possibly achievable by tethering a small satellite at this altitude to a space vehicle at a higher altitude) is 60 km, while at the auroral zone the obtainable spatial resolution is 100 km. At the higher satellite altitude of 300 km the obtainable spatial resolution is 230 km at low latitudes and 530 km at the auroral zone. At 500-km satellite altitude, the obtainable spatial resolution is 500 km at low latitudes, while maps cannot be made at all for the auroral zone unless the data are selected for “quiet” days.For the lower satellite altitudes, greater spatial resolution can be obtained than at higher altitudes. Furthermore since the crustal geomagnetic field power spectrum is larger at lower altitudes, the relative error due to the natural noise is less than for higher altitudes.     

Spatial and temporal spectra of the geomagnetic field and their scaling properties

Many natural phenomena show a relationship between their spatial and temporal Fourier spectra. This paper discusses such a connection for the geomagnetic field, when some assumptions are made about the (exponential or power-law) behaviour of the spatial power spectrum of the field itself and that of its time derivative (the spatial spectrum of the secular variation) as estimated from global geomagnetic field models. It is shown that, under either assumption, the temporal spectrum of the geomagnetic field computed at the core–mantle boundary (CMB) would have a power-law behaviour with a negative spectral exponent of about 0.5. At the Earth’s surface, although the temporal spectrum obtained from the power-law spatial model assumes a slightly more complicated form, it can be practically approximated with a power law with a negative exponent of about 3.6. Analysis of magnetic observatory data confirms these results and that the starting hypotheses are reasonable, especially in view of the possibly chaotic state of the dynamical processes underlying the generation and maintenance of the geomagnetic field.