基于地震地电场的干扰源识别定位方法及系统与流程

本技术涉及地电场，尤其是涉及一种基于地震地电场的干扰源识别定位方法及系统。

背景技术：

1、地电场是地球内部电性介质与外部电流体系共同作用形成的天然电场，其时空分布蕴含着地球内部结构与动力学过程的关键信息。观测实践表明，地电场异常变化与中强地震孕育过程具有良好的相关性，伴随社会经济快速发展，人为电磁干扰已成为影响地电场观测数据质量的主要因素。

2、目前，针对地电场观测干扰源的排查与定位主要有以下两类手段。第一类为人工排查方法，依赖技术人员实地走访、分片区停电核验等方式逐步缩小排查范围，该方法耗时长、人力成本高、通用性差。第二类为基于l型正交布极装置的矢量合成定位方法，该方法是目前地电场台站较为常用的干扰源定位手段，其利用l型装置东西方向和南北方向两道正交测线的电场分量，通过矢量合成计算得到合成电场方向，将该方向近似作为干扰源相对于观测中心的方位角，从而圈定干扰源的排查范围。

3、针对上述技术，矢量合成定位方法仅能给出干扰源的大致方位，定位误差较大，且该方法在近场点源干扰条件下，东西分量与南北分量易出现不同步或反向变化，导致合成方位出现误判。

4、基于此，本技术提供一种基于地震地电场的干扰源识别定位方法及系统。

技术实现思路

1、为了改善矢量合成定位方法仅能给出干扰源的大致方位，定位误差较大，且该方法在近场点源干扰条件下，东西分量与南北分量易出现不同步或反向变化，导致合成方位出现误判的问题，本技术提供一种基于地震地电场的干扰源识别定位方法及系统。

2、第一方面，本技术提供的一种基于地震地电场的干扰源识别定位方法，采用如下的技术方案：包括：

3、获取地电场观测装置各测道的基本参数，所述基本参数包括观测极距、装置类型、布极象限、以及区域大地电阻率；

4、基于所述基本参数，采集地电场观测装置各测道的地电场实测数据，提取各测道相对于平稳背景的地电场变化幅度；

5、根据各测道的所述地电场变化幅度中的最大值和最小值，依据预设的判断规则确定干扰源类型，所述干扰源类型包括近场干扰和远场干扰；

6、根据所述干扰源类型选择对应的定位模型执行反演定位，若判定为近场干扰，则采用点电流源模型进行干扰源距离、方位角与等效电流的联合反演，获得干扰源空间位置；若判定为远场干扰，则采用均匀平面场模型进行电场主方向与电场振幅的拟合反演，获得干扰源方位。

7、优选的，所述地电场观测装置为l型布极装置或米字型布极装置；其中，l型装置以观测中心点为原点，在正交的两个方向上分别布设长极距和短极距两条测线；米字型装置以观测中心点为原点，在等角度间隔的八个方向上布设等极距测线。

8、优选的，所述依据预设的判断规则确定干扰源类型，包括：

9、当各测道地电场变化幅度的最大值大于预设的第一阈值，且最大值与最小值之差大于预设的第二阈值时，判定为近场干扰；当各测道地电场变化幅度的最大值小于第一阈值，且最大值与最小值之差小于第二阈值时，判定为远场干扰。

10、优选的，所述依据预设的判断规则确定干扰源类型，包括：

11、计算干扰源距离与地电场观测装置的最大观测极距的比值，当比值不大于预设的第三阈值时，判定为近场干扰，当比值大于预设的第三阈值时判定为远场干扰；其中，所述最大观测极距为地电场观测装置各测道观测极距中的最大值。

12、优选的，所述若判定为近场干扰，则采用点电流源模型进行干扰源距离、方位角与等效电流的联合反演，获得干扰源空间位置，包括：

13、基于均匀半无限大地表点电流源电位理论，以观测中心为原点、正北为纵轴、正东为横轴建立平面直角坐标系，将干扰源位置参数化为干扰源到观测中心的距离和相对于观测中心的方位角，推导各测点相对于中心点的理论电位差计算表达式，作为正演模型，以验证模型的准确性；

14、采用电位梯度矢量合成法对多测道电场分量按各自测线方位角进行投影叠加，得到合成梯度分量，再通过极坐标转换并依据梯度分量幅度和符号判定象限，求解出干扰源方位角的反演初始值；

15、以多测点冗余观测方式构建基于实测电位差与反演计算所得电位差之残差平方和的非线性最小二乘目标函数，采用非线性优化算法从所述反演初始值出发进行迭代寻优，以加权平均相对误差最小为收敛判定准则，迭代修正干扰源的距离、方位角和等效电流直至收敛，得到近场干扰源的空间定位结果。

16、优选的，在所述非线性优化算法迭代寻优过程中，通过预设的权重系数对不同测点实施差异化加权，权重系数由各测点相对于平稳背景的电位变化量归一化确定；并基于该权重系数构建加权平均相对误差函数，作为反演拟合精度评价与迭代收敛的判定标准，以抑制随机噪声、增强有效干扰信号的贡献。

17、优选的，所述若判定为远场干扰，则采用均匀平面场模型进行电场主方向与电场振幅的拟合反演，获得干扰源方位，包括：

18、将观测区域内由远场干扰源产生的电场近似为均匀平面场，电场强度仅与干扰源等效电场主方向和各测道方位角之间的夹角相关，反演目标简化为电场主方向角和电场振幅两个参数；

19、构建以实测电场与反演计算所得电场之残差平方和为目标函数的拟合模型；

20、通过网格搜索或最小二乘拟合寻优，得到使残差函数取极小值的电场主方向角与电场振幅，实现远场干扰的方位识别；

21、基于电场主方向角与电场振幅，通过多个台站的同步观测数据，由各台站分别反演得到干扰源方位射线，通过多条方位射线的交汇联合定位，计算远场干扰源的平面位置和距离。

22、第二方面，本技术一种基于地震地电场的干扰源识别定位装置，采用如下技术方案，包括：

23、数据采集模块，用于获取地电场观测装置各测道的基本参数，所述基本参数包括观测极距、装置类型、布极象限、以及区域大地电阻率；

24、数据提取模块，用于基于所述基本参数，采集地电场观测装置各测道的地电场实测数据，提取各测道相对于平稳背景的地电场变化幅度；

25、干扰类型模块，用于根据各测道的所述地电场变化幅度中的最大值和最小值，依据预设的判断规则确定干扰源类型，所述干扰源类型包括近场干扰和远场干扰；

26、反演定位模块，用于根据所述干扰源类型选择对应的定位模型执行反演定位，若判定为近场干扰，则采用点电流源模型进行干扰源距离、方位角与等效电流的联合反演，获得干扰源空间位置；若判定为远场干扰，则采用均匀平面场模型进行电场主方向与电场振幅的拟合反演，获得干扰源方位。

27、第三方面，本技术还提供一种控制设备，所述设备包括：

28、包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能够被处理器加载并执行如上述基于地震地电场的干扰源识别定位方法的计算机程序。

29、第四方面，本技术还提供一种计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行如上述基于地震地电场的干扰源识别定位方法的计算机程序。

30、综上所述，本技术中获取地电场观测装置各测道的基本参数，包括观测极距、测道方位角和区域大地电阻率，并以平稳时段数据为背景基线，采集各测道地电场实测数据，提取相对于背景的地电场变化幅度；其次，依据预设的近远场判断规则，通过各测道地电场变化幅度的最大值与最小值的阈值比对，将干扰源类型定量区分为近场干扰和远场干扰；针对近场干扰，以均匀半无限大地表点电流源理论为基础构建正演模型，采用电位梯度矢量合成法计算干扰源方位角的反演初始值，以多测点冗余观测方式建立基于实测电位差与理论电位差之残差平方和的非线性最小二乘目标函数，并引入由各测点电位变化量归一化确定的权重系数构建加权平均相对误差函数作为收敛判定准则，通过非线性优化算法迭代求解干扰源的距离、方位角和等效电流，实现近场干扰源的高精度空间定位；针对远场干扰，将观测区域电场近似为均匀平面场，反演目标简化为电场主方向角与电场振幅两个参数，通过网格搜索或最小二乘拟合获得单台方位识别结果，并联合多个台站同步观测数据，利用方位射线交汇法实现远场干扰源的平面位置与距离联合定位。从而适用于l型、米字型等多种地电场观测布极装置，具备近场与远场干扰的自动识别能力，进而通过梯度矢量合成初值计算与加权迭代优化显著提升了反演效率与定位精度，以便于地电场台站的干扰快速排查、观测数据质量管控及台站优化建设。