地下管线作为现代城市的“生命线”,为人民生活提供了必要的物质保障,但由于管线资料的缺失遗漏,在城市建设、油田打桩等工程施工过程中常因挖掘破坏未知管线而造成经济损失。为避免此类事故,工程人员需要借助非挖掘探测方法对探测施工区域地下管线的有无进行判断。其中磁异常探测方法作为磁法勘探的一个分支,能够有效地应用在地下管线探测领域,对地下管线磁异常探测而言,其探测目标为地磁场作用下地下铁质管道产生的异常场,通过对该异常场进行反演、处理,工程人员能够有效地获取较为准确的地下管线的水平与深度信息,且由于磁异常探测方法本身对气候、环境等外界因素不敏感,使得其很快成为地下管线探测领域的研究热点。本文以地下管线磁异常探测系统为研究对象,主要在复杂管线模型快速正演算法实现及噪声磁信号处理算法两方面进行了深入研究。提出了面向复杂管道模型的管道划分新策略,设计了基于并行算法排除测量模型测点及管道数量影响的快速正演程序,以及针对管道磁解析信号的新降噪方法,并最终利用仿真、测量实验,对提出的复杂管线探测相关新方法进行了验证分析。首先,第一章作为绪论对课题的研究背景和意义进行了综述,详细描述了磁异常探测相关的正演及信号处理技术发展历程和国内外研究现状,并最终对管线磁异常的正演建模以及本文内实验具体实施手段进行了介绍。其次,对于地下管道磁异常探测正演方法而言,以往文献证明了以微分方程求解为基础的有限元分析法以及以磁偶极子感应场求解为基础的磁偶极子构造法均可实现地下铁质管道的磁异常正演仿真,两种计算原理不同的正演方法本身具有各自的特点。在进行复杂管线系统磁异常探测研究前,为了明确方法的选择,需要对现有两种常用方法进行全面的对比,第二章首先对两种磁异常正演方法的具体实施步骤进行介绍,并利用仿真实验手段对两种方法的计算结果、计算节点数和计算效率进行了对比,为后续相关研究工作正演方法的选择提供了依据。再次,在进行实际管道探测时,地下复杂管道的埋深具有不确定性,利用现有磁异常正演方法对浅埋深管道数据进行反演经常得到错误的管道埋深,针对这一问题,本文第四章对相关问题进行了研究,利用现有正演方法对不同埋深管道模型进行了正演仿真实验,分析了反演错误产生的原因,在总结错误产生原因的前提下,根据对比结果提出了基于磁偶极子等效原则的全新变间隔分节级管道划分策略,并在后续仿真及实测试验中证明,基于该策略正演方法能够在保证精度的前提下,减少计算过程中的累加次数,实现稳定快速的正演,并最终实现了任意埋深管道的准确反演计算。再次,在利用磁异常探测方法对管道水平位置及管道方位角进行确定时,为了得到准确的水平定位信息,磁解析信号经常应用于数据处理过程中。但由于解析信号本身很容易受到噪声影响,很难利用未经过噪声处理的解析信号来实现准确管道位置定位。在传统方法中,为了实现信号检测的目的,通常需要构造一组标准正交基对噪声信号进行处理。但是对于管道的磁解析信号而言,其标准正交基很难得到,传统信号提取方法不能应用于解析信号处理,因此在第四章,本文提出了一种基于集合经验模态分解法的噪声压制方法,该方法利用信号与噪声在能量分布上的不同,通过构造本征模态函数量的选取标准,应用阈值函数获得降噪后的数据。数值模拟实验以及实际测量实验证明,该方法适于处理磁解析信号,并借助该方法最终能够实现地下管线的准确定位。最后,在处理复杂管线探测模型正演问题时,由于管线间磁异常信号相互影响,测量得到的磁异常响应不再遵循伪二度体特征,利用简单的一道磁异常测线无法再能够对地下管线系统产生的磁异常响应进行分析、定位和解释,因此在实际测量时需要布置阵列型测点,利用阵列数据对测量区域内总体磁异常分布情况进行评估。阵列测点的布置、以及管道数量的增加都会导致现有正演程序计算效率的降低,使仿真计算耗时显著增大,这制约了磁偶极子构造法在对复杂管线模型进行分析、反演时的应用效果,为解决这一问题,在第五章中设计了基于GPU并行算法的管道磁异常正演程序,并详细介绍了并行算法的设计流程、内核函数设计,通过与以往串行程序进行正演计算结果进行对比,证明了基于GPU的并行算法程序能够排除测点数目与管道数目的影响实现快速正演计算。