井下地磁定位的瞬间强噪声扰动规律研究

汪金花，张恒嘉，侯金亮，杨华文，刘暑明

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

0 引 言

地磁定位技术是一种主动式定位方法，具有长期稳定、全天候无源定位的特点，近几年成为室内定位、地下工程和应急定位的研究热点[1-3].但是实时测量地磁数值会随着环境、时间等因素发生波动，会直接造成关联匹配不准确或者定位失败，这种现象是制约地磁定位实际应用的瓶颈之一.在实际测量地磁数值中会存在诸多类型噪声，恒值扰动和瞬间跳动，有的扰动数值达几百纳特，有的数值只有几十纳特.汪金花等研究了井下小区域地磁数值的时域变化与波动，发现同一时段测量不同点位在磁总场扰动值相对稳定[4]；王卫平研究高压输电线对地磁数值的部分扰动因子的扰动特征[5].康瑞清和李鹏飞研究了电梯、铁门和空调、地面消防柜等磁性物体对周围点位磁数值的扰动影响[6-7].关于这些磁扰动处理算法也有学者展开一定的研究，例如对恒值噪声进行相邻点位的磁总场做差运算进行去除[8]，通过Hilbert-huang变换(HHT)变换降低地磁场的噪声[9-10]，通过小波去噪算法和低通滤波减弱磁数据中的噪声[11-14].

井下地磁匹配定位是通行路径地磁序列与地磁基准数据库相关性的匹配计算，来实现目标的相对定位的，噪声是直接影响地磁匹配精度原因之一.前期研究表明，金属物体的动态位移会产生瞬间强干扰噪声.前期研究表明，金属物体的体积大小、运动快慢都会产生数值不等强噪声，直接导致待匹配地磁序列产生异常偏离或突变，最终影响地磁匹配结果的正确性.目前针对井下工程瞬间磁扰动的特点，如扰动时间长短、扰动距离和扰动幅度等因子量化研究还鲜有报道.文中选择井下工程巷道为试验区，对井下车辆运输、机电设施产生的瞬间磁扰动特点进行了研究，为地磁匹配算法抗噪性能测试提供依据.

1 井下瞬间磁扰动

1.1 井下工程瞬间磁扰动

天然地磁场是地球固有的矢量场之一.井下地磁场是一个小尺度区域地磁场，大背景恒定场天然地磁场变化微小，然而附加天然场上的巷道内部各种建筑材料及附属设备产生的磁场特征十分明显，具备井下地磁定位可行性.地磁匹配定位精度取决于地磁基准数据库精度、实测地磁数值精度及匹配算法等方面.井下实测地磁数值精度易受多方面扰动，如天然场日变、人员行走、车辆运输、作业面采掘、机电设施工作状态等因素影响.实时测量的地磁数值与基准数据相比，会有较大的扰动，扰动幅度从几十纳特到几百纳特，甚至达到上千纳特；影响时间从几秒到几十分钟不等.井下空间任一点磁数值在相对固定数值的随机波动现象，文中称此为噪声扰动.设井下空间点任一点的磁场强度B为：

B=BM+BC+BF+ε+σ

(1)

式中：BM为地核产生主磁场，BC为地壳岩石产生于磁化磁场，BF为井下工程区域磁异常(异常场).其数值除了日变、磁暴等扰动磁场外，还包含了建造地下工程的混凝土、钢筋支护等材料产生的环境磁场，还有巷道内部的管道、通信设备等产生的磁场，是这些磁场的叠加.另外ε为点位周围物体，如运输车、机车、罐笼等物体运动产生的瞬间磁扰动；σ是测量磁通门计产生的随机白噪声.瞬间磁扰动ε是影响实测地磁数值精度一个重要因素.前期试验研究表明，井下人员或者金属铁质物体的动态位移会对空间点位磁场带来的磁干扰，有一定的规律性.图1中监测点位于不同水平巷道中，其中图1(a)监测点位于在水平巷道一端，附近无明显金属铁质物体；图1(b)中监测点位于水平巷道纵深的中部一侧，运输车通行时与监测点的侧方距离为30 cm左右；图1(c)中监测点选取巷道出入口处一侧，距离罐笼约0.5 m左右处.一段时间内监测到的地磁变化结果见图1.

(a)人员行走对点位磁扰动 (b)运输车通行对点位磁扰动 (c)罐笼升降对点位磁扰动 图1 井下工程瞬间磁扰动Fig.1 Transient magnetic disturbance of underground engineering

从图中可以看出，人员行走、运输车通行以及罐笼升降都会对周边点磁数值产生一定影响，但是影响时长、幅度及距离是不一样的.一般来说，当干扰源靠近某点时，会在几秒内产生较大的波动，当干扰源远离后，对点位磁场强度值的波动影响会逐渐变小.其中图1(a)是人员行走对监测点磁扰动影响，可以看出人员对其扰动很小，图中波谷是多个人携带金属通过，产生的最大磁扰动约200 nT，平均磁扰动100 nT以内，干扰时长为2 s左右.由于磁通门计本身随机白噪声约为50 nT，因此不会对实测数值产生实质性影响.但是运输车和罐笼对周边监测点的扰动幅值较大，运输车对监测点平均磁扰动1 000 nT以内，罐笼对监测点平均磁扰动大于1 000 nT，并且扰动时长与扰动距离均不一样，需要展开系统试验研究.

1.2 噪声数据采集

井下巷道和环境相对复杂，且井下巷道相互关联或相互交叉，巷道路面通常是坑洼泥泞路面有积水，见图2.为了研究动态干扰源对附近点瞬时磁扰动数值范围，选取井下不同水平的巷道，开展运输车通行和罐笼升降对空间点位磁测量扰动影响试验.试验巷道长度分别约15 m、24 m，平均宽度约为3 m，设其中点为磁扰动监测点，其参考磁数值是不同太阳日无车辆通行时长期监测磁数据的均值.

(a)井下水平巷道 (b)井下运输车 (c)井下罐笼 图2 井下工程地磁测量场地Fig.2 Underground engineering geomagnetic survey site

井下地磁测量采用便携式FVM-400磁通门磁力仪.其量程达到100 000 nT，分辨率达到了1 nT，测量噪声方差50 nT，测量随机常值误差为10～30 nT，可以探测到地磁场的细微变化.试验时将磁力仪探头朝正北方向，选择单点和连续两种采集方式采集点位的磁总场和三轴分量的地磁数据，单点采集时，在巷道中轴线上布设采样点，采样间隔为60 cm，在每个采样点采集10次地磁数据，计算同一个位置10次测量的地磁强度模值的平均值，作为该位置地磁强度值；快速采集时连续观测5 d，每天10次，每次观测约200 s.

1.3 瞬间噪声的扰动规律

1.3.1 运输车对监测点的磁扰动规律

试验时将地磁探头固定放置在离地面67 cm处木质平台上.考虑运输小车平均高度，试验时磁力仪探头放置离地面大约45 cm位置，运输小车从试验巷道一端出发，匀速经过测站点后，向相反方向走至另一端.图3是101区域、102区域巷道内，运输小车通行对观测点磁数值的扰动影响曲线图.每个点位磁场磁扰动监测时间是连续采集200 s，可以看出运输小车的通过会对空间点位磁数值产生一定扰动.101巷道监测点受运输小车通行产生瞬时磁干扰数值最大约380 nT；102巷道监测点受运输小车通行产生瞬时磁干扰数值最大约970 nT.整个监测过程运输小车对点位磁扰的时间不到30 s，最大数值瞬间扰动时间仅约10 s，这与运输小车通行速度有直接关系.

图3 运输车通行磁扰动时间变化曲线Fig.3 The time of magnetic disturbance for the vehiclepassing through the reference point

为了研究井下运输小车距离观测点不同距离时对磁数据采集的干扰程度，在水平巷道中某个位置安放磁力仪木质平台，平台距离巷道底面的高度为20 cm左右，多个运输车间隔地经过监测点，监测点与通行运输车的侧方距离为30 cm左右.1个人员驾驶运输小车，从巷道一端距离监测点约12 m处开始，匀速逐渐通过监测点，并继续前行.整个过程中在监测点安置磁力仪并实时记录点位磁数值，其磁场数值变化曲线如图4所示.从图中可以看出运输小车通行对点位磁场存在一定的影响，在101区域，运输小车距离监测点约4 m左右开始产生磁干扰，初始扰动值50 nT左右，越接近监测点磁扰动越大，最大至380 nT左右，随后远离后磁数值开始逐渐减小.在102区域，运输小车距离监测点约5 m开始产生磁干扰，初始磁干扰约30 nT.图5是多个车辆间隔通行时，对监测点产生磁扰动.其中在101巷道选取3个运输车按一定间隔通过，102区域是2个运输小车依次间隔通过.从图中可以看出，通行小车经过监测点时会产生瞬间磁扰动，101区域有3次扰动波谷，102区域有2次波谷出现，其数值在几千纳特不等.

图4 运输车通行磁扰动距离变化曲线Fig.4 The distance of magnetic disturbance forthe vehicle passing through the reference point

图5 多个运输车的连续扰动磁场变化曲线Fig.5 Variation curve of continuous disturbance magnetic field of several transport vehicles

1.3.2 罐笼对监测点的磁扰动规律

试验1监测井下罐笼升降对105和106水平巷道监测点磁数值扰动的影响范围.监测点布设在罐笼出口向外通行的水平巷道延伸处，第一个监测点距离罐笼入口处约0.5 m以内，其它监测点每间隔1 m顺序布设.共采集罐笼升降500余次的监测点相对磁场扰动数值.设罐笼无升降时监测点磁总场数值为磁力仪相对标定值，见图6(a)，图中横坐标为监测点与罐笼入口处的水平距离，纵坐标为罐笼升降时监测点磁数值相对变化量.数据分析结果显示，罐笼升降对周边点位会产生瞬间磁扰动，罐笼运行过程中距离监测点越近，磁扰动影响越明显.当接近罐笼入口处0.5 m以内，罐笼正反向运行产生最大磁扰动约13 000 nT; 当监测点距离罐笼约3 m时，罐笼升降运行产生磁扰动3 000～4 000 nT；当监测点距离罐笼约6 m时开始明显产生磁扰动，数值约为320 nT；而距离罐笼10 m左右时，受到的磁干扰很小，无明显变化.图6(b)监测点分别离罐笼0.3 m和3 m，分别监测不同时间段罐笼升降产生的磁扰动.从图中可以看出罐笼每一次升降都会对周边点位产生瞬间磁扰动，整个过程会出现了多个数值，包含罐笼到站、继续运行升降等环节.可以看出测量值与罐笼运行方向、运行速度等因素有关，产生的瞬时磁干扰有时是正向叠加，有时是负向叠加.

(a)罐笼升降入口水平距离与磁扰动关系 (b)罐笼升降不同时间段产生的磁扰动图6 罐笼升降对附近点位的磁扰动Fig.6 Magnetic disturbance of cage lifting to nearby point

试验2是选取井下103和104两个水平的巷道，研究罐笼持续运行对空间点磁数值的扰动.监测点选取在距离罐笼经过2.5 m左右.试验时将地磁探头固定放置在监测点对应的离地面67 cm处木质平台上.罐笼从竖井最高点开使平稳运行，经过监测点水平巷道，继续运行至竖井最低点，然后返回经过监测点水平巷道，最后至竖井最高点.罐笼升降对监测点磁扰动影响如图7所示，罐笼运行速度为0.3 m/s.从图7(a)和图7(b)可知，在103巷道和104巷道监测点磁场变化曲线均显示，罐笼到站，继续运行升降每次都会对监测点产生一定的磁扰动影响.图中相对磁数值曲线随着时间变化出现了多个正向或负向的磁扰动，单次磁数值约1 000多 nT，正反向磁扰动差可以达到3 000 nT 左右.这些强噪声影响时间很短，约10 s，但是数值很大(与罐笼运行速度有关).当所在巷道区域地磁特征变化较平缓时，这样的噪声干扰有可能会淹没巷道实际地磁微小的变化，直接导致地磁匹配的虚定位.

2 瞬间磁扰动的去噪处理

一般情况下，井下实测地磁基准图或实测地磁序列都存在噪声扰动，如几十纳特白噪声或随机噪声，几百纳特环境持续影响的恒值噪声，还有可能是移动物体(运输车或其它机电设备)通行或工作产生的几百至上千纳特的瞬间强噪声.特别是在地磁特征缓变区内，较大的噪声干扰有可能会淹没巷道实际地磁微小的变化，直接导致虚定位，影响了地磁匹配的精确度.对于几十纳特随机噪声和几百纳特征的恒值噪声，通常可以采用适应性强(鲁棒好)的匹配算法进行匹配处理；而对于短时间、强噪声，需要在匹配前进行地磁数值滤波，从而减小随机噪声扰动对地磁匹配的影响.

(a)罐笼1次升降 (b)罐笼2次升降图7 罐笼升降的监测点磁场变化曲线Fig.7 Variation curve of magnetic field at monitoring points of cage lifting

2.1 瞬间磁扰动去噪算法

1)中值滤波是一种非线性的去噪声的方法，原理简单，计算方便，可以对含有噪声的大批量数据进行统一平滑滤波，处理速度较快[13]，如公式(2)所示.

(2)

2)小波分析是一种时频分析的办法，它能够对信号中任意一些细节做多分辨率的时频域分析，对高斯噪声有很好的去噪效果[14].若信号f(t)的离散采样数据为f(k)，则有小波分解算法为：

(3)

式中：c0,k=f(k)为原始数据；k=1，2，…，n；cj,k为尺度系数；dj,k为小波系数；h、g为正交镜像滤波器组；j为分解层；n为离散采样点数.

小波分解的逆算法就是小波的重构，小波重构的公式如公式(4)所示.

(4)

2.2 瞬间磁扰动去噪试验

图8(a)为运输小车通行平滑前后点位磁场曲线变化图.可以看出直接将采样值作为有效的输出点位磁场值干扰较大，运输小车通过产生点位磁扰动在经过小波去噪已经较好地改善了原始采样值，而采用中值滤波的方法更好地增加了原始采样值的稳定性，波动性更小，去除扰动峰值；图8(b)是罐笼升降平滑前后点位相对磁场曲线变化图.可以看出，罐笼升降监测点的磁场值产生了多个扰动，经过小波去噪和中值滤波后，点位地磁曲线变得均较为光滑，但采用中值滤波的方法更接近原始采样值，波动性更小，在一定程度上满足了去噪的要求.

(a)运输小车瞬间磁噪声去噪处理 (b)井下罐笼瞬间磁噪声去噪处理图8 平滑前后监测点位的地磁曲线变化Fig.8 Geomagnetic curve changes of monitoring points before and after smoothing

总体可以看出，中值滤波和小波去噪对短时间强噪声的处理均有效果，能达到抑制瞬间噪声扰动目的.但是中值滤波算法简单，计算量小，且平滑效果理想.

2.3 去除噪声匹配有效性检验

为了进一步研究瞬间噪声对匹配精度的影响，检验滤波平滑去噪对地磁匹配有效性的影响.选取103和104巷道20个待匹配地磁序列，每个地磁序列含有30个地磁点数值，进行匹配定位的仿真试验.参考前面实验结果，运输车平均磁扰动值约为几百纳特，罐笼升降瞬间最大磁扰动可以达到几千纳特.因此对103和104巷道20个待匹配地磁序列进行加噪处理，分别加入为800 nT和3 000 nT随机噪声，进行去噪前后的MSD地磁匹配定位仿真试验.加噪前后MSD匹配仿真试验的匹配指标，见表1.

表1 滤波前后MSD匹配结果指标

表1为无滤波、中值滤波、小波去噪3种状态下匹配结果.当匹配序列中有800 nT左右的噪声时，未经过滤波的磁匹配结果出现了多次误匹配，虚定位次数高，定位精度低.经过中值滤波、小波去噪平滑后，磁匹配概率得到了明显的提高.其中中值滤波的匹配概率为95%，小波平滑的匹配概率为75%.当匹配序列中有3 000 nT左右的噪声时，不经过处理磁数值匹配定位失败，匹配概率为10，而经过中值滤波、小波平滑后再进行磁匹配定位的结果，虚定位现象明显减少，其中经过中值滤波，匹配概率为90%，而经过小波平滑后，匹配概率为70%.中值滤波与小波去噪相对比，对于瞬间10 s内强噪声，中值滤波会相对较好.数值上中值滤波的匹配概率较高，但是有可能会过度平滑，造成数据特征损失.

3 结 论

地磁定位是实时测量地磁序列与地磁基准图的匹配运算，实时测量磁数值强噪声扰动会直接影响匹配定位的准确度.为了研究地下工程瞬间磁噪声扰动时间和扰动幅度，本文开展井下运输小车通行和罐笼升降的扰动监测试验.发现了运输车通行和罐笼升降都会对附近点位产生瞬间磁噪声或扰动，主要强噪声扰动时间较短，一般只有十几秒左右，扰动数值几百纳特至上千纳特左右.对于这种瞬间强磁扰动会对磁匹配产生直接影响，造成大量虚定位，可以通过中值滤波或小波去噪方法有效去除地磁序列中瞬间强噪声，保证匹配结果的精度.另外罐笼升降对周边点位磁扰动影响较大，建议在罐笼周边采用射频识别为主、地磁匹配为辅的组合定位方式，来满足必要的定位精度.