CN101071179A - 一种大地电磁阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大地电磁勘测信号数据处理技术，是一种大地电磁阻抗测量方法。采用步骤是：对采集的信号采用最小二乘法计算大地电磁阻抗，并计算频点电场信号和磁场信号相干度，当75％以上测量频点相干度为0.7－1且阻抗中相位在宽频率范围内均不为175－180度，计算大地电磁阻抗并将结果记录或以图形方式显示。否则采用鲁棒法计算大地电磁阻抗或根据干扰类型在时间域或频率域自动采用小波阀值压噪法对大地电磁信号进行滤波压噪，本发明有利于提高大地电磁数据的测量精度和可靠性，避免了人为因数对大地电磁阻抗计算的影响和单一采用相关度判断MT数据质量在近场存在时判断错误。

Description

一种大地电磁阻抗测量方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术，具体涉及大地电磁勘测信号数据处理，是一种大地电磁阻抗测量方法。

背景技术

地球物理勘探大地电磁勘测的方法，通常是通过大地电磁(MT)电场或磁场传感器采集数据，输出的电场或磁场信号通过滤波和放大电路进入A/D转换电路输出数字信号，经滤波、抽样、增益改正等处理，输出MT信号计算大地电磁阻抗，并将计算结果用图形方式显示出来，用来反映勘探目标的情况。

要获得可靠的MT测量数据，MT阻抗计算是关键。由于MT法采用天然电磁场信号作为场源，MT法所测量的两个正交电场分量和磁场分量不可避免地受到各种干扰。在MT阻抗计算中，以磁场信号作为输入信号，以电场信号作为输出信号。MT阻抗计算相当于求取两个输入信号激励(正交磁场)两个输出信号响应(正交电场)时的传递函数。最早的阻抗计算方法是最小二乘法，该方法假设MT信号的噪音服从高斯分布。但上述假设在干扰较大的情况很难满足，飞点时时出现在MT测量结果中。针对上述情况，Sutarno和Vozoff于1991年提出了大地电磁阻抗的鲁棒(Robust)方法(D.Sutarno and K.Vozoff，Phase-smoothed robust M-estimation of magnetotelluricimpedance functions，Geophysics，v56，n12，p.1999-2007，1991)。Egbert和Livelybrooks后来进一步发展了鲁棒方法(Gary D.Egbert and Dean W.Livelybrooks，Single station magnetotelluric impedance estimation：Coherence weighting and the regression M-estimate，Geophysics，V61，n4，p964-970，1996.)。鲁棒方法有2个缺点：一、MT信号噪音服从高斯分布时，鲁棒方法计算结果不是最优的，是次优；二、计算量大，计算时间比最小二乘法多了数倍。另一方面，当干扰很大时，鲁棒方法也无能为力。因为鲁棒计算法要求所有测量数据中至少有50％以上的点不是飞点，才能获得比较可靠的测量结果。在上述情况下，对测量的MT信号进行滤波，就成了干扰很大时很有前途的一种数据处理方法。然而，MT信号是随机信号，在测量的整个频段上都以随机信号存在，用普通的滤波方法根本不可行。因为干扰和MT信号一样表现为随机信号。为了解决上述问题，Trad和Travassos于2000年提出用小波阀值滤波法压制MT磁信号中的干扰(Daniel O.Trad and JandryM.Travassos，Wavelet filtering of magnetotel luric data，Geophysics，V65，n2，P482-491，2000.)。具体方法是用小波变换对MT信号进行多尺度分解后，对一个或多个尺度上的小波分解结果采用阀值滤波。上述方法也有三个缺点，一是MT测量中大干扰出现的概率很小，90％以上的测量数据用鲁棒估计法或最小二乘法处理就可以满足要求，在上述情况下采用小波压噪，不仅浪费计算时间，而且会滤掉有用信号。因为MT信号分布在整个测量频段上，无论采用何种方法滤波，都会对有用信号造成影响。二是确定阀值滤波的阀值没有可计算的依据，只是分成多个层次后通过人的经验来确定阀值大小，人为因素很大，在实践中应用存在困难。三是计算量大，是最小二乘法所需时间的数十倍。

另外，目前对MT数据质量判断依据是电场信号和磁场信号的相干度。

以磁场信号为输入信号，电场信号为输出信号，电场和磁场的相干度Г_xy ²(z)定义如下：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(z\right)=\frac{{\left|{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{xy}}\left(z\right)\right|}^2}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{xx}}\left(z\right){\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{yy}}\left(z\right)}$

式中，Φ_xy(z)，Φ_xx(z)和Φ_yy(z)分别表示电场和磁场信号的互功率谱、磁场信号自功率谱和电场信号自功率谱。

通常，相干度接近1，表示数据质量好，相干度接近0，表示数据质量差。然而，当电场信号和磁场信号受到同源近场干扰时，相干度基本等于1，只利用相干度来判断数据质量有时会得到错误的结果。例如，在变电站、城市和矿山附近，其干扰往往体现为强同源近场干扰，这时相干度接近1，利用相干度来选择数据就会导致强干扰数据被保留，从而导致最差的MT阻抗测量结果。

发明内容

本发明目的在于提供一种克服目前采用单一MT阻抗测量技术的结果有偏差缺点，能根据大地电磁信号干扰的类型和数据质量，确定MT阻抗测量步骤，能提高MT阻抗计算的速度的一种大地电磁阻抗测量方法。

本发明采用如下技术方案：

大地电磁阻抗测量方法，采用通常的方法采集电场或磁场数据，通过滤波和放大后转换为数字信号，采用以下步骤：

1)对采集的信号采用最小二乘法计算大地电磁阻抗，并计算频点电场信号和磁场信号相干度，当75％以上测量频点相干度为0.7-1且阻抗中相位在宽频率范围内均不为175-180度，进行步骤4)，否则进行步骤2)；

2)采用鲁棒法计算大地电磁阻抗，计算电场信号和磁场信号相干度，如果75％以上测量频点相干度为0.7-1并且阻抗中相位在宽频率范围内均不为175-180度进行步骤4)，否则进行步骤3)；

3)根据干扰类型在时间域或频率域自动采用小波阀值压噪法对大地电磁信号进行滤波压噪，再利用鲁棒法计算大地电磁阻抗；

4)计算大地电磁阻抗并将结果记录或以图形方式显示。

所述的小波阀值压噪法在有固定频率干扰时，则在频率域进行小波阀值压噪。

所述的小波阀值压噪法在有瞬时干扰时，在时间域进行压噪。

所述的宽频率范围是通过连续有多个频点阻抗相位大于175度。

本发明实现了大地电磁阻抗计算结果最优，避免了次优结果和错误结果出现。有利于提高大地电磁数据的测量精度和可靠性。在大地电磁噪音服从高斯分布，或干扰比较小时，计算速度比鲁棒法计算快数倍。当鲁棒估计失败时，自动采用小波阀值法压制干扰，比单一的鲁棒估计效果好。避免了人为因数对大地电磁阻抗计算的影响。通过是否连续有多个频点阻抗相位大于175度来识别近场干扰，避免了单一采用相关度判断MT数据质量在近场存在时判断错误这一缺点。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为本发明数据质量分析与评价流程图。

具体实施方式

本发明在将最小二乘法、鲁棒方法和小波压噪有机结合起来，分步实现MT阻抗的计算，获取最优结果。

本发明采用通常的方法采集电场或磁场数据，通过滤波和放大后转换为数字信号，步骤是：

1)对采集的信号采用最小二乘法计算大地电磁阻抗，并计算频点电场信号和磁场信号相干度，当75％以上测量频点相干度为0.7-1且阻抗中相位在宽频率范围内均不为175-180度，则输出MT阻抗数据，完成MT抗计算过程，否则；

2)采用鲁棒法计算大地电磁阻抗，计算电场信号和磁场信号相干度，如果75％以上测量频点相干度为0.7-1并且阻抗中相位在宽频率范围内均不为175-180度则输出MT阻抗数据，完成MT抗计算过程，否则；

3)根据干扰类型在时间域或频率域自动采用小波阀值压噪法对大地电磁信号进行滤波压噪，再利用鲁棒法计算大地电磁阻抗；计算大地电磁阻抗并将结果记录或以图形方式显示，

所述的小波阀值压噪法在有固定频率干扰时，则在频率域进行小波阀值压噪。

所述的小波阀值压噪法在有瞬时干扰时，在时间域进行压噪。

所述的宽频率范围是通过连续有多个频点阻抗相位大于175度。

现结合说明书附图1说明本发明实现MT阻抗计算基本过程。

<1>输入MT时间域数据：从MT时间域数据文件中读出MT时间序列；<2>MT阻抗最小二乘法阻抗计算：对输入的MT数据进行最小二乘法MT阻抗计算；<3>判断MT阻抗数据质量，如果数据质量符合要求，则依次执行步骤<10>和步骤<11>，否则执行步骤<4>；<4>对MT数据进行鲁棒方法MT阻抗计算；<5>判断MT阻抗数据质量，如果数据质量符合要求，则依次执行步骤<10>和步骤<11>，否则执行步骤<6>；<6>对MT数据进行小波阀值法去噪处理；<7>对MT数据进行鲁棒法MT阻抗计算；<8>判断MT阻抗数据质量，如果数据质量符合要求，则依次执行步骤<10>和步骤<11>，否则依次执行步骤<9>和步骤<11>；<9>确认MT数据质量不符合要求，并报告分析结果；<10>输出MT阻抗数据；<11>完成MT阻抗计算过程。

本发明对MT数据质量判断除了依据电场信号和磁场信号的相干度以外，还通过直接分析计算的大地电磁阻抗来判断数据质量。

当存在同源近场干扰时，大地电磁阻抗表现为：阻抗相位在较宽的频率范围内接近180度。利用上述特点，可以判断是否存在同源近场干扰，进而判断MT数据质量。

现结合说明书附图2，说明判断MT数据质量的方法。

<1>输入MT频率域数据和MT阻抗数据；<2>利用MT频率域数据计算电场信号和磁场信号的相关度；<3>判断相关度小于0.7的频点是否超过总频点的15％，如果为真，则依次执行步骤<6>和步骤<7>，否则执行下一步；<4>判断阻抗相位连续大于175度的频点是否小于总频点15％，如果条件不满足，则依次执行步骤<6>和步骤<7>，否则执行下一步；<5>作出MT数据质量达到要求判断，然后执行步骤<7>；<6>作出MT数据质量不符合要求判断，然后执行步骤<7>；<7>输出MT数据质量判断结果。

通过上述方法判断MT数据质量，避免了单独使用相关度无法识别近场干扰这一缺点。

本发明可以在V5-2000大地电磁数据采集器上实现。

Claims (4)

1、一种大地电磁阻抗测量方法，采用通常的方法采集电场或磁场数据，通过滤波和放大后转换为数字信号，其特征在于还采用以下步骤：

1)对采集的信号采用最小二乘法计算大地电磁阻抗，并计算频点电场信号和磁场信号相干度，当75％以上测量频点相干度为0.7-1且阻抗中相位在宽频率范围内均不为175-180度，进行步骤4)，否则进行步骤2)；

2 )采用鲁棒法计算大地电磁阻抗，计算电场信号和磁场信号相干度，如果75％以上测量频点相干度为0.7-1并且阻抗中相位在宽频率范围内均不为175-180度进行步骤4)，否则进行步骤3)；

3)根据干扰类型在时间域或频率域自动采用小波阀值压噪法对大地电磁信号进行滤波压噪，再利用鲁棒法计算大地电磁阻抗；

4)计算大地电磁阻抗并将结果记录或以图形方式显示。

2、根据权利要求1所述的一种大地电磁阻抗测量方法，其特征在于：所述的小波阀值压噪法在有固定频率干扰时，则在频率域进行小波阀值压噪；在有瞬时干扰时，则在时间域进行压噪。

3、根据权利要求1所述的一种大地电磁阻抗测量方法，其特征在于：所述的小波阀值压噪法在有瞬时干扰时，在时间域进行压噪。

4、根据权利要求1所述的一种大地电磁阻抗测量方法，其特征在于：所述的宽频率范围是连续有多个频点阻抗相位大于175度。

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