一种磁总场异常数据处理方法、装置及相关设备

摘要

本申请公开了一种磁总场异常数据处理方法、装置及相关设备，该方法包括：获取均匀分布于探测区域中的二维磁总场异常数据，并基于二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据，所述单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的；基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据；基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。本申请将二维磁总场异常数据转化为二维能量分布，可以提高数据的信噪比，有效提升了目标检测的准确率，同时可以确定目标的水平坐标，实现了目标在水平向的定位。

说明书

技术领域

本申请涉及磁法勘探技术领域，更具体地说，是涉及一种磁总场异常数据处理方法、装置及相关设备。

背景技术

磁异常探测(Magnetic Anomaly Detection，MAD)是定位和绘制铁磁性金属物体分布最为合适的地球物理技术之一，在物产资源勘探、未爆弹探测、水下潜航器探测、考古等涉及国民经济安全和文化建设的领域，有着广泛的应用。磁异常探测最主要的实现方式是对磁总场进行一维或二维测量，一维磁总场异常数据仅能进行目标检测，无法确定目标精确位置；二维磁总场异常数据既可实现目标检测，也可以对目标进行定位，磁总场异常数据的处理方法直接影响目标的检测效率和定位精度。

磁总场异常数据往往包含于多种噪声之中，使得异常信号的检测尤为困难。目前实际应用中主要采用一维正交基函数(Orthonormal Basis Function,OBF)分解的信号处理方式来提高一维数据的信噪比，而对于二维数据的异常信号检测研究，仅停留在学术研究阶段。同时，由二维数据对目标进行定位的方法，均由较低信噪比的原始数据出发，极易受到噪声影响，从而降低目标检测的准确率。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种磁总场异常数据处理方法、装置及相关设备，以提高目标检测的准确率。

为实现上述目的，本申请第一方面提供了一种磁总场异常数据处理方法，包括：

获取二维磁总场异常数据，所述二维磁总场异常数据的记录点位均匀分布于探测区域中；

基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据，所述单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的；

基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据；

基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。

优选地，获取二维磁总场异常数据的过程，包括：

利用磁力仪沿着预设的扫描路径，记录所述探测区域中的磁总场传感器的磁总场数据和记录点位，得到多条数据项；

对每一数据项中的磁总场数据进行日变改正处理，得到每一数据项的磁总场异常数据；

基于各数据项的磁总场异常数据和记录点位，利用预设的插值法获取网格的各网格点上的磁总场异常数据，所述网格均匀分布于所述探测区域中；

由各网格点上的磁总场异常数据以及各网格点的坐标构成所述二维磁总场异常数据。

优选地，所述单位正交基包括：

各单位正交基满足下述方程式：

其中，(x,y,z)为所述记录点位的三维坐标。

优选地，基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据的过程，包括：

利用预设高度处的预设大小的窗口截取每一组单位正交基，得到多个正交基窗函数；

利用每一正交基窗函数，逐个网格点地对所述二维磁总场异常数据进行内积计算，得到二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据。

优选地，利用每一单位正交基窗函数，逐个网格点地对所述二维磁总场异常数据进行内积计算，得到磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据的过程，包括：

利用下述方程式计算得到二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据α

其中，I、J分别为所述窗口在x向和y向的大小，dΔT(x

优选地，基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据的过程，包括：

利用下述方程式计算得到二维磁总场异常在由各组正交基所张成的二维空间中的能量水平分布数据E(x,y)：

其中，α

对所述能量水平分布数据进行归一化处理，得到二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据。

优选地，基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标的过程，包括：

基于所述第二水平分布数据，确定所述探测区域中的存在铁磁性目标体的目标子区域，所述目标子区域的第二水平分布数据的值大于预设阈值；

将每一目标子区域中第二水平分布数据的值最大的点的水平坐标确定为目标体的水平坐标。

本申请第二方面提供了一种磁总场异常数据处理装置，包括：

数据获取单元，用于获取二维磁总场异常数据，所述二维磁总场异常数据的记录点位均匀分布于探测区域中；

模量计算单元，用于基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据，所述单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的；

能量计算单元，用于基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据；

坐标确定单元，用于基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。

本申请第三方面提供了一种磁总场异常数据处理设备，包括：存储器和处理器；

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，用于执行所述程序，实现上述的磁总场异常数据处理方法的各个步骤。

本申请第四方面提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述的磁总场异常数据处理方法的各个步骤。

经由上述的技术方案可知，本申请首先获取二维磁总场异常数据，其中，所述二维磁总场异常数据的记录点位均匀分布于探测区域中，形成网格化的二维磁总场梯度数据。然后，基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据，其中，所述单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的。接着，基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据。可以理解的是，相对于所述第一水平分布数据，所述二维空间中的第二水平分布数据具有较高的信噪比，且能量相对强的区域，亦即第二水平分布数据的值较高的区域，意味着更有可能存在铁磁性目标。最后，基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。本申请将二维磁总场异常数据转化为二维能量分布，可以提高数据的信噪比，有效提升了目标检测的准确率，同时可以确定目标的水平坐标，实现了目标在水平向的定位。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的磁总场异常数据处理方法的示意图；

图2示例了本申请实施例公开的二维测线分布图；

图3示例了本申请实施例提供的采用克里格插值后得到的二维磁总场梯度曲面图；

图4示例了本申请实施例提供的第1组单位正交基函数计算得到的二维单位正交基曲面图；

图5示例了本申请实施例提供的第2组单位正交基函数计算得到的二维单位正交基曲面图；

图6示例了本申请实施例提供的第3组单位正交基函数计算得到的二维单位正交基曲面图；

图7示例了本申请实施例提供的第4组单位正交基函数计算得到的二维单位正交基曲面图；

图8示例了本申请实施例提供的第5组单位正交基函数计算得到的二维单位正交基曲面图；

图9示例了本申请实施例提供的能量分布曲线图；

图10为本申请实施例公开的磁总场异常数据处理装置的示意图；

图11为本申请实施例公开的磁总场异常数据处理设备的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面介绍本申请实施例提供的磁总场异常数据处理方法。请参阅图1，本申请实施例提供的磁总场异常数据处理方法可以包括如下步骤：

步骤S101，获取二维磁总场异常数据。

其中，二维磁总场异常数据为通过对设置于探测区域的磁总场传感器的磁总场数据，并对其应用日变改正等数据处理方法后得到的，该二维磁总场异常数据的记录点位均匀分布于探测区域中。

具体地，确定好探测区域后，将一磁总场传感器部署于该探测区域，磁力仪挂载平台(飞行平台、水上平台或手持式等)沿若干条平行测线往复移动，磁力仪以间隔采样的方式同时记录该磁总场传感器的磁总场数据和坐标等信息，最后经过日变改正等一系列的处理，计算得到二维磁总场异常数据。

示例性地，可以采用如图2所示的二维测线分布图来采集该磁总场传感器的磁总场数据，其中，测线沿正南北走线，测线上的各相邻测点的间距为0.1m，各相邻测线的间距为1m，磁总场传感器离地高度0.5m，为验证本申请的有效性，在探测区域内的地下埋设5个磁异常体，空间坐标分别为(6,7,-0.5)、(14,20,-0.5)、(15,10,-0.5)、(5,16,-0.5)以及(8,25,-0.5)，磁矩大小均为1Am

步骤S102，基于二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据。

其中，各组单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的；二维磁总场异常在一组单位正交基上的模量被定义为二维磁总场异常在该组单位正交基上的投影。

步骤S103，基于第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据。

其中，该能量被定义为模量值的平方。通过对二维磁总场异常的模量值取平方，放大了探测区域内各记录点位的二维磁总场异常之间的差异，提高了信噪比。

步骤S104，基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。

本申请首先获取二维磁总场异常数据，其中，所述二维磁总场异常数据的记录点位均匀分布于探测区域中，形成网格化的二维磁总场梯度数据。然后，基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据，其中，所述单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的。接着，基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据。可以理解的是，相对于所述第一水平分布数据，所述二维空间中的第二水平分布数据具有较高的信噪比，且能量相对强的区域，亦即第二水平分布数据的值较高的区域，意味着更有可能存在铁磁性目标。最后，基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。本申请将二维磁总场异常数据转化为二维能量分布，可以提高数据的信噪比，有效提升了目标检测的准确率，同时可以确定目标的水平坐标，实现了目标在水平向的定位。

在本申请的一些实施例中，上述步骤S101获取二维磁总场异常数据的过程，可以包括：

S1，利用磁力仪沿着预设的扫描路径，记录探测区域中的磁总场传感器的磁总场数据和记录点位，得到多条数据项。

其中，每一数据项包括磁总场数据和记录点位。可以理解的是，记录点位为探测到这些数据时的探测位置。

S2，对每一数据项中的磁总场数据进行日变改正处理，得到每一数据项的磁总场异常数据。

其中，日变改正处理的目的是消除地磁场日变对观测数据(磁总场数据)的影响。通常地，在目前的磁测精度下，100km

S3，基于各数据项的磁总场异常数据和记录点位，利用预设的插值法获取网格的各网格点上的磁总场异常数据。

在实际磁探测任务中，测点间距通常不等于测线间距，如图2所示的二维测线分布图中，测点间距远小于测线间距，因此，需要对测线覆盖区域进行网格化，所得到的网格均匀分布于所述探测区域中，以便得到沿2个水平方向(即水平上的横向和纵向)大小相同的网格剖分数据。常用的二维网格化方法包含双线性插值、双三次插值、样条插值、最小曲率插值、克里格插值等方法。针对二维磁总场异常数据，可以采用克里格插值方法。图3为本发明实施例提供的采用克里格插值后得到的二维磁总场异常曲面图，在该图中，由于存在较大的探测干扰及误差，相当于存在较高水平的随机噪声，因此磁总场异常表现出较低的信噪比。

至此，得到了各网格点(记录点位)上的磁总场异常数据以及各网格点的坐标，那么，各网格点上的磁总场异常数据以及各网格点的坐标则构成二维磁总场异常数据。

在本申请的一些实施例中，上述步骤S102提及的单位正交基，可以表示为以下5组单位正交基函数：

各单位正交基满足下述方程式：

其中，(x,y,z)为所述记录点位的三维坐标。

示例性地，图4～图8提供了由上述各组单位正交基函数计算得到的二维单位正交基曲面图。

在本申请的一些实施例中，上述步骤S102基于二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据的过程，可以包括：

S1，利用预设高度处的预设大小的窗口截取每一组单位正交基，得到多个正交基窗函数。

S2，利用每一正交基窗函数，逐个网格点地对二维磁总场异常数据进行内积计算，得到二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据。

由于二维磁总场梯度数据在空间中是离散分布的，因此需要采用离散情况下的内积数值计算公式来计算得到该第一水平分布数据。

基于此，在本申请的一些实施例中，上述S2利用每一单位正交基窗函数，逐个网格点地对二维磁总场异常数据进行内积计算，得到磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据的过程，可以包括：

利用下述方程式计算得到二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据α

其中，I、J分别为所述窗口在x向和y向的大小，dΔT(x

在本申请的一些实施例中，上述步骤S103基于第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据的过程，可以包括：

S1，利用下述方程式计算得到二维磁总场异常在由各组正交基所张成的二维空间中的能量水平分布数据E(x,y)：

其中，α

S2，对能量水平分布数据进行归一化处理，得到二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据。

该归一化处理过程可以排除目标体的磁矩大小带来的影响，便于后续的数据处理。示例性地，图9提供了第二水平分布数据(即能量分布曲线图)，从图中可以看出，第二水平分布数据很大程度地区分出不同网格点处的能量差异。在本申请的仿真实验中，分析计算得到E曲面的信噪比约为17dB，与仿真观测数据的信噪比0dB相比，提高了17dB。

在本申请的一些实施例中，上述步骤S104基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标的过程，可以包括：

S1，基于第二水平分布数据，确定探测区域中的存在铁磁性目标体的目标子区域。

由于能量水平分布数据在前述步骤中经过了归一化处理，因此在探测区域内，能量值均处于0和1之间。根据整体的能量分布情况，选取合适的阈值，将能量高于阈值的区域认定为存在铁磁性目标的目标子区域。如图9所示，假设该阈值为0.5，则容易得到5个目标子区域。

S2，将每一目标子区域中第二水平分布数据的值最大的点的水平坐标确定为目标体的水平坐标。

如图9所示的第二水平分布数据中，读取每个目标子区域能量极大值点的水平坐标，分别为(6,7.1)、(14,20)、(14.9,10.1)、(5,16.1)、(8,25)，可以看出最大的水平定位误差约为0.1m，实际应用中可以以降低运算效率为代价，通过加密网格化来进一步提高定位精度。

下面对本申请实施例提供的磁总场异常数据处理装置进行描述，下文描述的磁总场异常数据处理装置与上文描述的磁总场异常数据处理方法可相互对应参照。

请参见图10，本申请实施例提供的磁总场异常数据处理装置，可以包括：

数据获取单元21，用于获取二维磁总场异常数据，所述二维磁总场异常数据的记录点位均匀分布于探测区域中；

模量计算单元22，用于基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据，所述单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的；

能量计算单元23，用于基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据；

坐标确定单元24，用于基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。

在本申请的一些实施例中，数据获取单元21获取二维磁总场异常数据的过程，可以包括：

利用磁力仪沿着预设的扫描路径，记录所述探测区域中的磁总场传感器的磁总场数据和记录点位，得到多条数据项；

对每一数据项中的磁总场数据进行日变改正处理，得到每一数据项的磁总场异常数据；

基于各数据项的磁总场异常数据和记录点位，利用预设的插值法获取网格的各网格点上的磁总场异常数据，所述网格均匀分布于所述探测区域中；

由各网格点上的磁总场异常数据以及各网格点的坐标构成所述二维磁总场异常数据。

在本申请的一些实施例中，模量计算单元22基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据的过程，可以包括：

利用预设高度处的预设大小的窗口截取每一组单位正交基，得到多个正交基窗函数；

利用每一正交基窗函数，逐个网格点地对所述二维磁总场异常数据进行内积计算，得到二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据。

其中，所述单位正交基的函数表达式跟前文描述的10组单位正交基函数一致。

在本申请的一些实施例中，模量计算单元22利用每一单位正交基窗函数，逐个网格点地对所述二维磁总场异常数据进行内积计算，得到磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据的过程，可以包括：

利用下述方程式计算得到二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据α

其中，I、J分别为所述窗口在x向和y向的大小，dΔT(x

在本申请的一些实施例中，能量计算单元23基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据的过程，可以包括：

利用下述方程式计算得到二维磁总场异常在由各组正交基所张成的二维空间中的能量水平分布数据E(x,y)：

其中，α

对所述能量水平分布数据进行归一化处理，得到二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据。

在本申请的一些实施例中，坐标确定单元24基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标的过程，可以包括：

基于所述第二水平分布数据，确定所述探测区域中的存在铁磁性目标体的目标子区域，所述目标子区域的第二水平分布数据的值大于预设阈值；

将每一目标子区域中第二水平分布数据的值最大的点的水平坐标确定为目标体的水平坐标。

本申请实施例提供的磁总场异常数据处理装置可应用于磁总场异常数据处理设备，如计算机等。可选的，图11示出了磁总场异常数据处理设备的硬件结构框图，参照图11，磁总场异常数据处理设备的硬件结构可以包括：至少一个处理器31，至少一个通信接口32，至少一个存储器33和至少一个通信总线34。

在本申请实施例中，处理器31、通信接口32、存储器33、通信总线34的数量为至少一个，且处理器31、通信接口32、存储器33通过通信总线34完成相互间的通信；

处理器31可能是一个中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路等；

存储器33可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)等，例如至少一个磁盘存储器；

其中，存储器33存储有程序，处理器31可调用存储器33存储的程序，所述程序用于：

获取二维磁总场异常数据，所述二维磁总场异常数据的记录点位均匀分布于探测区域中；

基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据，所述单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的；

基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据；

基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。

可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。

本申请实施例还提供一种存储介质，该存储介质可存储有适于处理器执行的程序，所述程序用于：

获取二维磁总场异常数据，所述二维磁总场异常数据的记录点位均匀分布于探测区域中；

基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据，所述单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的；

基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据；

基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。

可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。

综上所述：

本申请首先获取二维磁总场异常数据，其中，所述二维磁总场异常数据的记录点位均匀分布于探测区域中，形成网格化的二维磁总场梯度数据。然后，基于所述二维磁总场异常数据，获取二维磁总场异常在每一组单位正交基上的模量的第一水平分布数据，其中，所述单位正交基为通过对目标体的磁偶极子在任意高度产生的二维磁总场异常数据进行分解而得到的。接着，基于所述第一水平分布数据，获取二维磁总场异常在由各组单位正交基所张成的二维空间中的能量的第二水平分布数据。可以理解的是，相对于所述第一水平分布数据，所述二维空间中的第二水平分布数据具有较高的信噪比，且能量相对强的区域，亦即第二水平分布数据的值较高的区域，意味着更有可能存在铁磁性目标。最后，基于所述第二水平分布数据，确定目标体的水平坐标。本申请将二维磁总场异常数据转化为二维能量分布，可以提高数据的信噪比，有效提升了目标检测的准确率，同时可以确定目标的水平坐标，实现了目标在水平向的定位。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。