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地磁背景下磁异常空间延拓的优化多层等效源方法

管宇 张慧强

管宇, 张慧强. 地磁背景下磁异常空间延拓的优化多层等效源方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250958
引用本文: 管宇, 张慧强. 地磁背景下磁异常空间延拓的优化多层等效源方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250958
GUAN Yu, ZHANG Huiqiang. An Optimized Multi-Layer Equivalent Source Method for Spatial Continuation of Magnetic Anomalies in the Geomagnetic Background[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250958
Citation: GUAN Yu, ZHANG Huiqiang. An Optimized Multi-Layer Equivalent Source Method for Spatial Continuation of Magnetic Anomalies in the Geomagnetic Background[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250958

地磁背景下磁异常空间延拓的优化多层等效源方法

doi: 10.11999/JEIT250958 cstr: 32379.14.JEIT250958
详细信息
    作者简介:

    管宇:女,讲师,研究方向为容错控制与故障诊断

    张慧强:男,硕士生,研究方向为地磁导航

    通讯作者:

    管宇 gy_hlg@163.com

  • 中图分类号: O411.5; TN911.7

An Optimized Multi-Layer Equivalent Source Method for Spatial Continuation of Magnetic Anomalies in the Geomagnetic Background

  • 摘要: 磁异常延拓是地磁空间信息获取与处理的重要技术手段。针对现有的频率域方法在向下延拓中具有不适定性,以及传统等效源方法难以兼顾多尺度场源拟合精度的问题,该文提出了一种磁异常空间延拓的优化多层等效源方法。该方法采用基于功率谱分析的深度估计与变分模态分解技术构建多层等效源参数设定框架,并引入真菌生长算法对等效源反演过程进行协同优化。理论模型与EMAG2仿真实验表明,该方法显著降低了模型构建的主观性,在5%高斯噪声干扰下仍能保持较高的信号保真度与抗噪鲁棒性。基于澳大利亚实测磁异常网格数据的应用验证,该方法在复杂构造区与平缓基底区均具有优异的普适性与延拓精度。
  • 图  1  磁异常空间延拓的优化多层等效源方法流程图

    图  2  模型理论磁异常示意图

    图  3  径向平均功率谱曲线

    图  4  地表磁异常分离异常

    图  5  等效源分布范围实验结果

    图  6  关键参数敏感性曲线

    图  7  反演算法对比

    图  8  不同方法向上延拓100 m结果及对比残差

    图  9  不同方法向下延拓100 m结果及对比残差

    图  10  基于EMAG2区域数据的鲁棒性验证结果

    图  11  基于复杂构造区(A区)实测数据的向下延拓结果与残差分布

    图  12  基于平缓背景区(B区)实测数据的向下延拓结果与残差分布

    表  1  理论模型参数表

    模型编号 中心深度(m) 水平坐标(m) 长a(m) 宽b(m) 高c(m) 磁化率(无量纲)
    1 250 (1000, 1000) 200 200 300 0.2
    2 450 (1600, 1600) 300 300 300 0.2
    3 425 (1200, 800) 150 150 250 0.2
    4 500 (500, 1500) 250 250 200 0.2
    5 950 (1000, 1000) 1000 1000 100 0.2
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    表  2  功率谱分段、谱斜率深度估计与VMD分解的参数设置

    模块参数设定说明
    功率谱分段分段区间(rad/m)0–0.0024,
    0.00240.0118,
    0.0118–0.0168.
    依据功率谱曲线斜率突变位置识别线性段区间
    谱斜率深度拟合方法线性最小二乘法拟合线性段
    深度公式公式(9)符合二维指数衰减模型
    VMD 分解模态数5控制分解模态数量
    带宽因子1000控制带宽和分解稳定性
    拉格朗日步长0采用无约束稳态更新形式
    收敛阈值10−6控制迭代终止条件
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    表  3  变分模态分解参数扰动敏感性分析

    参数类型 设定值 频带表现 结果
    模态数 5 中间层混叠 边界波动明显
    8 三层分量分离清晰 分解稳定可重复
    10 过度分解 分解稳定性降低
    带宽因子 1000 频带重叠 收敛不稳定
    2000 结构层次明显 收敛快速稳定
    5000 过度压缩 高频成分被过度抑制
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    表  4  不同方法向上100m延拓结果的量化精度评估

    方法 RMSE(nT) MaxAbsError(nT) GradRMS(nT/m) GOF(%)
    优化多层等效源 2.17 10.90 2.23 99.43
    单层等效源 118.29 407.06 25.45 69.25
    双层等效源 173.73 427.58 30.40 54.85
    频率域 21.58 54.98 4.71 94.39
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    表  5  不同方法向下100m延拓结果的量化精度评估

    方法 RMSE(nT) MaxAbsError(nT) GradRMS(nT/m) GOF(%)
    优化多层等效源 4.88 16.56 2.31 98.94
    单层等效源 251.06 1574.95 226.55 7.76
    双层等效源 280.05 1228.15 181.48 12.15
    频率域 93.69 160.52 1.95 67.76
    约束等效源 12.83 202.38 7.22 96.67
    迭代补偿 12.38 218.11 7.15 96.79
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    表  6  不同噪声水平下向下延拓结果的量化精度评估

    噪声水平RMSE(nT)MaxAbsError(nT)GradRMS(nT/km)GOF(%)
    无噪声2.5310.930.7894.04
    含1%噪声5.8325.461.4086.25
    含5%噪声7.3634.711.9082.65
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    表  7  不同地质区域参数

    参数类别 实验区 A(浅部复杂构造区) 实验区 B(深部平缓基底区)
    纬度范围 30.9950°S~–29.0050°S 25.9950°S ~–24.0050°S
    经度范围 139.0050°E~141.9950°E 134.0050°E~136.9950°E
    异常幅度范围 2585 nT~5112 nT –538 nT~2419 nT
    地质特征 构造破碎、磁性梯度大、纹理复杂 构造平缓、磁性梯度弱、纹理简单
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    表  8  不同地质区域向下延拓结果的量化精度评估

    区域RMSE(nT)MaxAbsError(nT)GradRMS(nT/km)GOF(%)
    A90.60637.28127.7676.14
    B29.06231.935.2684.28
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出版历程
  • 修回日期:  2026-01-22
  • 录用日期:  2026-01-22
  • 网络出版日期:  2026-02-11

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