CN102062880B - 大地电磁探测仪性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地球物理勘探技术，是一种大地电磁探测仪性能评价方法，将电场和磁场信号输入端与信号地端连接采集时间序列数据1，再将电场和磁场信号的输入端接入相同信号，采集时间序列数据2，进行功率谱计算，得到序列1、2各通道自功率谱和互功率谱，根据序列1和2的自功率谱和互功率谱计算任意两通道的相关函数、信噪比、和噪声功率谱，确定MT仪相关干扰和随机噪音。本发明可以定量区分信噪比为100dBMT仪和信噪比为120dBMT仪的差别。通过定量计算MT仪内部随机噪音和相关干扰的大小，对MT仪的性能作出可靠评价。

Description

大地电磁探测仪性能评价方法

技术领域

本发明涉及到地球物理勘探用大地电磁探测仪，是一种大地电磁探测仪性能评价方法。

背景技术

大地电磁勘探是地球物理勘探中的一种重要勘探方法，在油气勘探、地热勘探、大地构造勘探及地壳、火山和地震研究中有重要应用。大地电磁探测(MT)仪是实现大地电磁勘探的仪器，其性能直接关系到大地电磁勘探的效果，而提升仪器的性能需要对MT仪的性能作出精确的评价。

目前主要采用平行测试法评价MT仪性能。测试时首先在MT仪的各个通道输入相同信号，对信号采集一段时间后分析各通道采集信号的振幅谱和各通道采集信号之间的相关度，绘制各通道振幅谱曲线和各通道采集信号之间的相关度曲线。如果各通道采集信号的振幅谱曲线基本重合并且各通道采集信号之间的相关度接近1，说明MT仪的性能好，反之则反。

这种方法有以下不足之处。一是MT仪的噪音已大大低于环境噪音，只要信噪比在40dB以上，MT仪各通道采集信号振幅谱曲线的差别就无法用肉眼有效区分，各通道采集信号之间的相关度也接近1。通过相关度曲线和振幅谱曲线分析无法有效确定信噪比为40dB的MT仪和另一台信噪比为100dB的MT仪的差别。

二是该方法只能评价MT仪内部随机噪音的大小，不能评价MT仪内部相关干扰的大小。目前MT仪集成了GPS同步与授时、网络通讯、数字信号处理等功能，数字系统对模拟系统的干扰越来越严重。当各通道存在相关干扰时，在平行测试中只会增加各通道之间采集信号的相关度，使各通道采集信号的振幅更加一致，相关度更高，导致无法评价MT仪内部相关干扰的大小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可有效定量评价MT仪内部随机干扰和相关干扰大小，区分信噪比为100dB和信噪比为120dB MT仪性能差别的MT仪性能评价方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：首先在MT仪各信号输入端直接接地或通过不大于1000欧姆的低噪音电阻接地的情况下，测量MT仪各信号采集通道之间的噪声功率谱、信噪比和相关度。其次在MT仪各信号输入端接入相同信号的情况下，测量MT仪各信号采集通道之间的噪声功率谱、信噪比和相关度。在第一种情况下测量的信噪比和相关度与MT仪的随机干扰成正比，是MT仪的内部随机干扰强度的定量评价指标。在第二种情况下测量的噪声功率谱与MT仪的信噪比成反比，是区分MT仪信噪比差别的定量指标。

本发明的具体步骤如下：

1)将MT仪的电场和磁场信号输入端全部与信号地端连接或通过低噪音电阻连接，采集时间序列数据1，采集时间为8~192小时；

步骤1)所述的低噪音电阻的优选阻值为500欧姆。

步骤1)所述的采集信号时间优选为24小时。

2)将MT仪电场和磁场信号的输入端接入相同信号，采集时间序列数据2，采集时间为4~96小时；

步骤2)所述的接入信号是天然的大地电磁探测信号或方波信号或白噪音信号或其它信号发生器产生的特殊波形。

步骤2)所述的信号优选为白噪音信号。

步骤2)所述的采集时间优选值为12小时。

3)按修改的周期图法对时间序列数据1和时间序列数据2进行功率谱计算，得到时间序列数据1内各通道信号的自功率谱和各通道信号之间的互功率谱，以及时间序列数据2内各通道信号的自功率谱和各通道信号之间的互功率谱；

步骤3)所述的功率谱计算所采用的窗口有哈明窗或汉宁窗或布莱克曼窗和凯撒窗。

步骤3)所述的功率谱计算所采用的优选窗口为哈明窗。

4)根据时间序列数据1的自功率谱和互功率谱计算出MT仪任意两个通道x，y之间的相关函数1、信噪比1、和噪声功率谱1；据时间序列数据2的自功率谱和互功率谱计算出MT仪任意两个通道x，y之间的相关函数2、信噪比2、和噪声功率谱2；

步骤4)所述的利用自功率谱和互功率谱分别计算任意两个通道x，y之间的相关函数、信噪比和噪声功率谱的算式如下：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(z\right)=\frac{{\left|{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{xy}}\left(z\right)\right|}^2}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{xx}}\left(z\right){\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{yy}}\left(z\right)}=\frac{1}{1+1/\mathrm{SNR}\left(z\right)}---\left(1\right)$

$\mathrm{SNR}\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{xx}}\left(z\right)}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{nn}}\left(z\right)}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(z\right)}{1-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(z\right)}---\left(2\right)$

式中：

Γ_xy ²(z)为两个通道x，y之间的传递函数，

SNR(z)为两个通道x，y之间的信噪比；

Φ_nn(z)为两个通道x，y之间的噪声功率谱；

Φ_xy(z)为两个通道x，y之间的互功率谱；

Φ_xx(z)为两个通道中第一通道x的自功率谱；

Φ_yy(z)为两个通道中第二通道y的自功率谱。

5)由相关函数1和信噪比1确定MT仪相关干扰；由噪声功率谱1和噪声功率谱2确定MT仪随机噪音；由相关函数2和信噪比2确定MT仪信噪比。MT仪随机噪音强度、相关干扰强度和信噪比的计算表达式分别如下：

MT仪随机噪音强度＝1×噪声功率谱2    (4)

MT仪相关干扰强度＝1×信噪比1        (5)

MT仪信噪比＝20log(2ⁿ/噪声功率谱2)   (6)

式(6)中的n为MT仪A/D转换器的位数。

本发明可以定量计算MT仪内部相关干扰和随机噪音的强度。通过各通道测量相同信号来计算MT仪信噪比大小，可以定量区分信噪比为100dBMT仪和信噪比为120dBMT仪的差别。通过定量计算MT仪内部随机噪音和相关干扰的大小，对MT仪的性能作出可靠评价。

附图说明

附图1为MT仪性能评价流程图；

附图2MT仪输入端接地时15Hz频段Ex和Ey通道自功率谱(a)、相关函数(b)、噪音(c)和信噪比(d)曲线；

附图3为MT仪输入端接地时150Hz频段Ex和Ey通道自功率谱(a)、相关函数(b)、噪音(c)和信噪比(d)曲线；

附图4为MT仪输入端接地时2400Hz频段Ex和Ey通道自功率谱(a)、相关函数(b)、噪音(c)和信噪比(d)曲线；

附图5为MT仪相同白噪音输入时15Hz频段Ex和Ey通道自功率谱(a)、相关函数(b)、噪音(c)和信噪比(d)曲线；

具体实施方式

以下结合说明书附图具体对本发明作进一步说明。

附图1给出了实施本发明的一个流程图。

本发明用于V5-2000MT仪评价的一个实施例由如下步骤实现：

步骤1：MT仪工作参数设置。根据大地电磁勘探数据采集方法，对V5-2000的工作参数进行设置，包括采样模式、放大倍数、滤波器等参数的设置。

步骤2：MT仪信号输入端接地。将V5-2000的电场信号输入端E、W、S、N分别连接到V5-2000的信号地接线端上；按照V5-2000提供的磁场信号端连接图，将磁场信号的输入端连接到V5-2000的信号地接线端。

步骤3：采集时间序列数据1。启动V5-2000采集时间序列数据1，采集时间设置为24小时。数据采集完成后将时间序列数据1从V5-2000发送到计算机硬盘中存储。

步骤4：MT仪信号输入端接相同白噪音信号源。将V5-2000的电场信号和磁场信号输入端全部与白噪音信号发生器的输出端连接。这样就保证所有通道都采集相同的信号。

步骤5：采集时间序列数据2。启动V5-2000采集时间序列数据2，采集时间设置为12小时。数据采集完成后将时间序列数据2从V5-2000发送到计算机硬盘中存储。

步骤6：读入时间序列数据1。将V5-2000采集的时间序列数据1从计算机硬盘上读到内存中等待进一步处理。

步骤7：读入时间序列数据2。将V5-2000采集的时间序列数据2从计算机硬盘上读到内存中等待进一步处理。

步骤8：时间序列数据1功率谱分析。利用修改的周期图法对时间序列数据1开展功率谱计算，计算各通道信号的自功率谱1和互功率谱1。所采用的窗口为哈明窗。

步骤9：时间序列数据2功率谱分析。利用修改的周期图法对时间序列数据2开展功率谱计算，各通道信号的自功率谱2和互功率谱2。所采用的窗口为哈明窗。

步骤10：相关函数1、信噪比1、噪声功率谱1计算。利用自功率谱1和互功率谱1，根据算式(1)、算式(2)和算式(3)计算出MT仪任意两个通道x，y之间的相关函数1、信噪比1、和噪声功率谱1。

步骤11：相关函数2、信噪比2、噪声功率谱2计算。利用自功率谱2和互功率谱2，根据算式(1)、算式(2)和算式(3)计算计算出MT仪任意两个通道x，y之间的相关函数2、信噪比2、和噪声功率谱2。

步骤12：MT仪相关干扰计算。利用表达式(5)计算MT仪相关干扰强度。

步骤13：MT仪随机噪音计算。利用表达式(4)计算MT仪随机噪音强度。

步骤14：MT仪信噪比计算。利用表达式(6)计算MT仪信噪比。

步骤15：输出MT仪评价报告。根据步骤8~步骤14的各种计算结果，将每个通道的自功率谱1、任意两通道之间的互功率谱1、相关度1、信噪比1、噪声功率谱1；每个通道的自功率谱2、任意两通道之间的互功率谱2、相关度2、信噪比2、噪声功率谱2、MT仪相关干扰、MT仪随机噪音和MT仪信噪比全部绘制成曲线图，整理成MT仪评价报告输出到计算机屏幕和计算机硬盘上。

附图2为某型号V5-2000MT仪输入端接地时15Hz频段电场通道Ex和Ey自功率谱(a)、相关函数(b)、噪声功率谱(c)和信噪比(d)曲线。附图2(a)为Ex和Ey通道的自功率谱曲线。由于相关干扰的存在，自功率谱曲线有几个尖峰存在。附图2(b)为Ex与Ey通道之间的相关函数曲线，由于存在相关干扰，相关函数在低频段和几个频点上大于0.2。附图2(c)为Ex与Ey通道之间的噪声功率谱曲线，可以看到1/f噪音的存在。在通带内的噪音为-150dB左右。附图2(d)为Ex与Ey通道之间的信噪比曲线，可以发现相关干扰使信噪比在低频段和几个频点上增大。最大值为10dB左右，相关干扰不存在频段的平均值为-20dB左右，可见相关干扰为背景值的33倍左右。

附图3为同样型号V5-2000MT仪输入端接地时150Hz频段电场通道Ex和Ey自功率谱(a)、相关函数(b)、噪音(c)和信噪比(d)曲线。附图3(a)为Ex和Ey通道的自功率谱曲线。由于没有明显的相关干扰，自功率谱曲线比较圆滑，50Hz陷波点明显。附图3(b)为Ex与Ey通道之间的相关函数曲线，由于相关干扰不明显，相关函数全部小于0.2。附图3(c)为Ex与Ey通道之间的噪声功率谱曲线，可以看到高通滤波器和陷波器使仪器噪音受到衰减。在通带内的噪音同样为-150dB左右，与附图2(c)显示的结果一致。附图3(d)为Ex与Ey通道之间的信噪比曲线，由于没有明显的相关干扰存在。最大值仅为-10dB左右。

附图4为同样型号V5-2000MT仪输入端接地时2400Hz频段电场通道Ex和Ey自功率谱(a)、相关函数(b)、噪音(c)和信噪比(d)曲线。附图4(a)为Ex和Ey通道的自功率谱曲线。由于不存在相关干扰，自功率谱曲线圆滑，50Hz及其谐波的陷波点很明显。附图4(b)为Ex与Ey通道之间的相关函数曲线，由于不存在相关干扰，相关函数全部接近0。附图4(c)为Ex与Ey通道之间的噪声功率谱曲线，可以看到高通滤波器和陷波器使仪器噪音受到衰减。在通带内的噪音为-152dB左右，与附图3(c)显示的结果基本一致。附图4(d)为Ex与Ey通道之间的信噪比曲线，由于不存在相关干扰，信噪比在整个频带内变化不大，最大值仅为-20dB左右。

附图5为同样型号V5-2000MT仪输入端接同样白噪音信号时15Hz频段电场通道Ex和Ey自功率谱(a)、相关函数(b)、噪音(c)和信噪比(d)曲线。附图5(a)为Ex和Ey通道的自功率谱曲线。可以发现Ex和Ey通道的自功率谱曲线基本重合。附图5(b)为Ex与Ey通道之间的相关函数曲线，由于信噪比比较高，在通带内相关曲线基本等于1。从附图5(a)和附图5(b)很难发现仪器的性能有什么变化。附图5(c)为Ex与Ey通道之间的噪声功率谱曲线，可以发现1/f噪音的存在导致仪器在低频段噪音逐渐增加。与附图5(a)和附图5(b)无法有效发现仪器性能变化相比，从附图5(c)中可以发现仪器随机噪音在整个频段内的变化。图5(d)为Ex与Ey通道之间的信噪比曲线，由于1/f噪音的存在导致仪器在低频段信噪比逐渐降低，从50dB左右降到了20dB。

从本发明的实施例可以看出，利用本发明可以定量计算MT仪相关干扰和随机噪音的大小，可以有效区分不同MT仪的性能差异。

Claims (6)

1.一种大地电磁探测仪性能评价方法，其特征是采用一下步骤实现：

1)将MT仪的电场和磁场信号输入端全部与信号地端连接或将MT仪的电场和磁场信号输入端全部与信号地端通过低噪音电阻接地，采集时间序列数据1，采集时间为8—192小时；

2)将MT仪电场和磁场信号的输入端接入相同信号，采集时间序列数据2，采集时间为4～96小时；

3)按修改的周期图法对时间序列数据1和时间序列数据2进行功率谱计算，得到时间序列数据1内各通道信号的自功率谱和各通道信号之间的互功率谱，以及时间序列数据2内各通道信号的自功率谱和各通道信号之间的互功率谱；

4)根据时间序列数据1的自功率谱和互功率谱计算出MT仪任意两个通道x,y之间的相关函数1、信噪比1和噪声功率谱1；据时间序列数据2的自功率谱和互功率谱计算出MT仪任意两个通道x,y之间的相关函数2、信噪比2和噪声功率谱2；

所述的利用自功率谱和互功率谱分别计算任意两个通道x,y之间的相关函数、信噪比和噪声功率谱的算式如下：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(z\right)=\frac{{\left|{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{xy}}\left(z\right)\right|}^2}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{xx}}\left(z\right){\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{yy}}\left(z\right)}=\frac{1}{1+1/\mathrm{SNR}\left(z\right)}---\left(1\right)$

$\mathrm{SNR}\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{xx}}\left(z\right)}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{nn}}\left(z\right)}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(z\right)}{1-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(z\right)}---\left(2\right)$

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{nn}}\left(z\right)={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{xx}}\left(z\right)[{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(z\right)-1]---\left(3\right)$

式中：

为两个通道x,y之间的相关函数；

SNR(z)为两个通道x,y之间的信噪比；

Φ_nn(z)为两个通道x,y之间的噪声功率谱；

Φ_xy(z)为两个通道x,y之间的互功率谱；

Φ_xx(z)为两个通道中第一通道x的自功率谱；

Φ_yy(z)为两个通道中第二通道y的自功率谱；

5)由相关函数1和信噪比1确定MT仪相关干扰；由噪声功率谱1和噪声功率谱2确定MT仪随机噪音；由相关函数2和信噪比2确定MT仪信噪比。

2.根据权利要求1所述的大地电磁探测仪性能评价方法，其特征是步骤1)所述的低噪音电阻的优选阻值为500欧姆。

3.根据权利要求1所述的大地电磁探测仪性能评价方法，其特征是步骤1)所述的采集信号时间优选为24小时。

4.根据权利要求1所述的大地电磁探测仪性能评价方法，其特征是步骤2)所述的接入信号是天然的大地电磁探测信号或方波信号或白噪音信号。

5.根据权利要求1所述的大地电磁探测仪性能评价方法，其特征是步骤2)所述的采集时间优选值为12小时。

6.根据权利要求1所述的大地电磁探测仪性能评价方法，其特征是步骤3)所述的功率谱计算所采用的窗口有哈明窗或汉宁窗或布莱克曼窗或凯撒窗。