CN103955003B - 一种在超导瞬变电磁应用中的噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在超导瞬变电磁应用中的噪声抑制方法，其特征在于所述的噪声抑制方法是将经验模态分解方法和环境磁场参考测量相结合；具体是首先建立TEM接收系统和环境磁场参考测量系统，分别测量TEM信号和环境磁场信号，并采用EMD模块对这两类信号进行高频噪声滤除处理，接着在接收信号中去除环境参考部分相关的低频干扰，最后得到需要的TEM信号。所述的方法不仅能抑制高频噪声，而且在低频噪声抑制方面十分有效，而且通过DSP模块的实时信号处理操作，有利于提高信号处理速度和节省系统存储空间，对系统的应用起重要的推动作用，有效提高系统测量精度。

Description

一种在超导瞬变电磁应用中的噪声抑制方法

技术领域

本发明涉及一种在超导瞬变电磁应用中的噪声抑制方法，属于地球物理中的瞬变电磁应用的技术领域。

背景技术

随着工业和科技的发展，人类对矿产资源的需求数量越来越多，也越发迫切，而埋藏于浅地层的矿产资源基本枯竭，因此矿产勘探工作逐渐向地下更深的隐伏矿和盲矿勘探发展，由此对地球物理探测的各种仪器设备性能提出了更高的要求。在地球物理探测电法勘探领域中，瞬变电磁方法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)在探测大深度和在高阻地区寻找低阻地质体方面是目前最灵敏的方法，具有极大的发展潜力和前景，为寻找更多的矿产资源提供了有效的途径。

瞬变电磁方法(TEM)的原理如下，首先由发射机向发射线圈通以强大的脉冲电流，根据电磁感应理论，这个脉冲电流在周围空间产生电磁场，它向周围介质传播过程中，如遇到地下导电低阻地质体时，将在其内部激发产生感应涡流，进而产生二次场，如图1所示。二次场通过接收回线观测，在脉冲间歇期间，二次涡流场由于热损耗而随时间衰减，衰减过程中早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，趋肤深度小，晚期成分相当于频率域中的低频成分，趋肤深度大，利用电磁传感器观测二次涡流场随时间的变化规律，并对观测的数据进行分析和处理，进而可以得到地下不同深度的地质信息和特征，如图2中是三条衰减快慢不同的TEM曲线，分别对应着地下的不同电阻率信息。TEM方法自从提出以来，近二十年发展迅速，在煤矿勘察、水文勘测等方面得到极大的重视。在通常情况下，TEM方法采用线圈感应来测量磁场，根据楞次定律，线圈测量的物理量是磁场随时间的变化率，因此经常要将测得的感应电动势值进行积分以转化为磁场值来对数据进行解释，而积分不仅增加了数据量，而且很难实现，目前在数据处理中，是以牺牲精度和数据失真为代价的。根据瞬变电磁理论可以证明，由一次场在地下的地质结构上引起的二次场感应电动势的幅值随时间的衰减比磁场衰减得更快。因此在TEM方法中使用磁场传感器能够提高探测精确度。为此，可以选择超导量子干涉器(SQUID)作为接收磁传感器，它可以直接测量二次磁场，而且其灵敏度很高，是目前最灵敏的磁场传感器，其灵敏度在fT(10^‐15T)量级，因此，基于SQUID传感器的TEM能够检测二次场中的晚期衰减信号，即可以探测大深度的地质体，是一种非常有潜力的地球物理探测方法。

由于SQUID传感器的超高灵敏度，利用基于SQUID的瞬变电磁法从野外采集的瞬变电磁数据受各种噪声和干扰因素的影响。首先，TEM观测的是二次场，信号较弱，而地球环境磁场干扰水平相对较高，尤其是在航磁TEM应用中，干扰更为严重，其次，SQUID传感器虽然灵敏，但却非常容易受到低频干扰的影响，而这些干扰的存在对处理信号的后续工作造成很大的不利。同时，野外的各种其他频段的干扰也会对TEM信号进行很大的影响，而且干扰频段分布广泛，种类复杂，如图3所示，甚至将所需要的有用信号掩盖，这些都会对矿产探测造成重大的损失。虽然这些干扰问题，可以通过数据采集的多次叠加及抗干扰装置等手段得到一定的克服，传统的干扰抑制算法是建立在傅立叶分析基础上的，傅立叶变换是信号处理、图像处理重要的应用工具之一。傅立叶变换的实质是把信号分解成许多不同频率的正弦波的叠加，这样就可以把对原信号在时域的研究转化为对在频域的研究。而傅立叶变换作为一种全局性的变换，只是一种纯频域的分析方法，反应的是整个信号全部时间的整体频域特征，而不能提供任何局部时间段上的频域信息，不能说明其中某种频率分量出现的时刻以及其相应的变化情况，不适用于分析非平稳信号，因此具有一定的局限性，不可能完全解决噪声的干扰问题。只有有效地抑制信号中的干扰并提取信号的有用信息，才能进一步更好的利用瞬变电磁数据成图以及解释地质状况。

为了能够抑制超导瞬变电磁信号中的噪声干扰，需要找到一种有效的噪声抑制方法。目前已经发展了多种噪声抑制方法，如Gamble T.D.等人报道的抑制低频干扰的环境磁场参考方法(Magnetotellurics with a remote magnetic reference,Geophysics 44,53‐68(1979))为抑制高频干扰的频域滤波等，但是由于噪声信号的非平稳性，这些处理方法抑制噪声的效果并不理想。为改善噪声抑制的效果，本发明拟提出一种噪声抑制方法，首先测量TEM系统所处的环境磁场并将其作为参考信息，然后利用经验模态分解方法分析环境磁场参考信息和测量系统的输出信息，去除输出信息中的环境磁场信息，得到需要的磁场信息，进而提高系统的测量准确性。从而引导出本发明的构思。

发明内容

本发明目的在于提供一种在超导瞬变电磁应用中的噪声抑制方法。在采用基于SQUID传感器的瞬变电磁测量系统进行TEM探测时，将接收到的电磁信号变为随时间衰减的信号，接收信号的幅度以及衰减速度取决于地下介质的性质。对于良导电矿体而言，衰减的时间范围一般为从100～200到10～20ms，跨度接近两个数量级。在这段很宽的衰减时间内，信号的变化规律为：早期信号较强，衰减迅速；晚期信号很弱，而衰减也慢的多，从早期到晚期，信号幅度动态范围非常大。在野外环境下，SQUID瞬变电磁探测会受到地球的天然电磁场以及人为工业噪声的干扰，这类干扰对其后期资料处理以及反演的影响非常大，因此，在野外环境中探测到的瞬变电磁信号，亟待需要进行干扰的抑制。本发明针对超导瞬变电磁中的噪声干扰问题，提出将经验模态分解方法和环境磁场参考测量相结合的噪声抑制方法，其主要发明内容如下：

(1)在TEM信号分析中采用经验模态分解模块来处理信号

针对传统的傅立叶变换法在TEM信号抑制干扰中的缺陷，本发明在接收系统中研制了基于经验模态分解(Empirieal Mode Decoposition,EMD)方法的滤波处理模块，通过滤波处理模块以对SQUID瞬变电磁输出信号进行分析和处理。这个处理模块包含两部分：软件和硬件，软件方法以经验模态分解(EMD)方法为主，硬件以数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)为主，如图4(a)所示。

EMD方法是一种自适应信号时频方法，特别适用于非线性非平稳信号。该方法基于信号本身的局部特征时间尺度，把复杂的信号函数分解成了有限的本征模态函数(Inirinsic Mode Function,IMF)之和，通过对每一个本征模态函数进行Hilbert变换，可以求出每一本征模态函数伴随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，进一步的可以得到非平稳信号完整的时频分布。

在进行TEM干扰抑制时，先将信号进行EMD分解，进行各模式分量(IMF)的分别干扰抑制或者滤波处理，接着依据信号的自身特性，对信号进行选择重构进而有效的进行整个信号的干扰抑制。将EMD算法应用于SQUID TEM信号分析有如下优势：首先，EMD算法是处理非线性非平稳信号的强有力工具，符合瞬变电磁信号非线性非平稳特性的要求；其次，分解变换不需要预先选择基函数，其分解得到的模态函数具有自适应性，能反映原始信号的固有特性，从而使得基于EMD的TEM信号的降噪方法更具灵活性和适应性；而且，由于瞬变电磁信号表现出非稳定的特征，引起阻抗估算结果也具有时变特征，利用时频分析从瞬时谱上统计估算参量比Fourier分析更有利于实现稳健估计和反演。

从信号处理的角度出发，分解得到的本征模态函数IMF是一个不断从高频滤波到低频滤波的过程。IMF频带从高到低，这样它的带宽、中心频率的设定，和分解层数完全是来自数据本身，经验模态分解可以从滤波器的角度来理解，其物理意义是一组可自适应变化带宽和中心频率的滤波器，分解出的固有模态函数分量的频率是由高到低排列的。在TEM探测中，噪声主要集中分布于高频，而中低频是信号的主要频域，IMF能量的分布是由噪声能量由大到小再到信号能量的分布，因此可以采用最小能量选择规律。

EMD方法应用到仿真TEM带噪声信号上，如图4所示，图中就是仿真的原始TEM衰减曲线叠加了高频噪声，SNR为‐10dB，将算法应用于此信号上，得到的效果见图4(a)，这是滤波之后的时域波形，从滤波前后时域波形对比可以明显看出，高频噪声得到了很好的滤除。经过EMD滤波之后，对其进行了频谱分析，滤波前后的频谱对比如图4(b)所示，可以明显看出信号中的高频部分被有效滤除，高频部分白噪声水平降低显著。通过计算，滤波后的SNR提高到了20dB，SNR的显著提高，充分验证了EMD方法在TEM信号分析上的特点和效果。

在利用EMD方法处理系统采集的数据时，由于采集的数据量比较大，因此利用DSP模块实时信号模块处理操作来实现EMD方法，如图5(a)所示，DSP系统具有实时性、灵活性、可靠性和可重复性等优点，因此不仅能够实时利用EMD方法进行数据处理，提高处理速度和灵活性，而且通过存储EMD方法处理后的IMF分量，可以减少系统的数据存储量。首先根据采集数据的数量和运算量选择DSP芯片，然后设计DSP芯片的外围电路及其他电路，如模拟数字转换器(A/D)、存储电路和输出接口等，之后进行DSP的软件设计，将EMD算法通过软件的形式移植到DSP中。输入信号通过A/D转换为数字信号后进入DSP芯片，经过EMD算法进行分解，之后存储处理后的结果。经验模态分解(EMD)方法应用到TEM信号分析的步骤如图5(b)所示，分为以下几步：(i)按照筛选算法将TEM信号进行EMD分解成各个IMF分量；(ii)分析各个IMF分量的时频特性；(iii)根据TEM信号自身特点以及IMF能量分布规则选择需要的IMF分量，进行信号重组,完成滤波过程。

(2)环境磁场参考通道的建立及磁场测量和分析

在瞬变电磁测量中，系统的输出信号中不仅包含有二次涡流场信号，还含有地球环境磁场和人文噪声干扰。因此，系统获得的实测信号具有动态的、瞬变的、干扰因素多的特点，在信号衰减过程的晚期，有用信号往往淹没在各种噪声干扰之中。这些干扰信息随着测量地点和测量时间的不同而有所变化，如天电场噪声是由大气层释放电荷引发的闪电产生的，其频率范围为1～1000Hz，与地区、季节等因素有关；人文噪声包括：电网噪声、矿山或工业用电噪声、移动通讯网、有线广播和无线电台等设施产生的电磁噪声，这类噪声的幅度和频率与时间和地点的联系非常紧密。但是在低频范围，在野外环境中，环境磁场具有极大的相关性，即某处地点的磁场可以由与其相邻一定距离处的磁场来推算，这为我们抑制低频磁场干扰提供了一个理论基础。如图6(a)所示，在不同地点测量的环境磁场数据显示了环境磁场具有一定的相关性。

基于此原理，本发明构建了一个环境参考SQUID接收系统来用于对环境磁场的测量，并将其输出作为区域范围内的环境磁场参考数值，如图6(b)所示，基于超导SQUID传感器的TEM接收系统A(超导TEM接收系统)设置于发射线圈中心，其输出信号Ua是局域的二次涡流场和环境磁场的叠加。若在发射线圈之外设置另一个环境参考SQUID接收系统装置B(环境参考SQUID测量接收系统)，其输出信号Ub也是二次涡流场和环境磁场的叠加，但是由于其远离发射线圈，所以其输出信号中二次涡流场信号随着与线圈距离的延长而呈指数衰减，其幅度远小于发射线圈中心位置二次场信号，输出信号Ub中主要部分是环境磁场的贡献。如前面所述，在低频范围内，野外环境磁场在一定空间内具有极大的相关性，那么U＝Ua‐α×Ub中主要是发射线圈内二次涡流场的信息，其中参数α可以由系统A和系统B在野外环境中同时测量环境磁场后确定。因此，接收系统B的作用主要是测量环境磁场，对它的位置设置的要求主要有(i)其位置远离发射线圈，以使得系统输出主要是环境磁场，包含很小的二次涡流场信号，(ii)其所处位置的低频环境磁场与发射线圈中心处的磁场具有相关性。综合上述两个条件，通常将距离设为发射线圈尺寸的5‐10倍。两个系统的距离过小，环境参考系统的输出信号中包含TEM信号成分，不能反应环境磁场的信息，距离过长，两个系统中包含的环境磁场成分相关性减弱。两个系统距离的具体数值由实际应用中的试验来确定。

利用(1)中所述的EMD模块对接收系统输出信号和环境参考磁场信号进行分析，在分别滤除接收系统输出信号和环境参考磁场的高频噪声之后，再利用U＝Ua‐α×Ub去除环境磁场在接收系统输出中的低频信息。如此，TEM信号的低频扰动可以得到较好的抑制，如图6(c)所示。

综上所述，本发明所述一种在超导瞬变电磁应用中的噪声抑制方法，其特征在于所述的噪声抑制方法是将经验模态分解方法和环境磁场参考测量相结合；具体是首先建立TEM接收系统和环境磁场参考测量系统，分别测量TEM信号和环境磁场信号，并采用EMD模块对这两类信号进行高频噪声滤除处理，接着在接收信号中去除环境参考部分相关的低频干扰，最后得到需要的TEM信号。其特征在于：

①所述的经验模态分解方法是一种自适应信号时频方法，通过滤波处理模块，以对SQUID瞬变电磁输出信号进行分析和处理，是一组可自适应变化带宽和中心频率的滤波器，分解出的固有模态函数分量的频率是由高到低排列的。

②所述的经验模态分解方法是基于信号本身的局部特征时间尺度，把复杂的信号函数分解成了有限的本征模态函数之和，通过对每一个本征模态函数进行Hilbert变换，求出本征模态函数伴随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，从而得到非平稳信号完整的时频分布。

③利用EMD方法处理系统的数据时是利用DSP模块的实时信号模块处理操作实施的。

④所述的环境磁场参考测量系统包含二次涡流场信号，地球环境磁场和人文噪声干扰，有用信号淹没在各种噪声干扰之中。

⑤基于超导SQUID传感器的TEM接收系统设置于发射线圈中心输出信号Ua是局域的二次涡流场和环境磁场的叠加；在发射线圈之外设备一个环境参考SQUID接收系统，输出信号Ub虽也是二次涡流场和环境磁场的叠加，但主要是环境磁场，在低频范围内，野外环境磁场在空间内具有极大相关性，U＝Ua‐α×Ub。

由此可见，综合上述两种方法对TEM系统进行噪声抑制处理，如图7所示，首先建立TEM接收系统和环境磁场参考系统，分别测量TEM信号和环境磁场信号，并采用EMD模块对这两类信号进行高频噪声滤除处理，之后在接收信号中去除环境参考部分相关的低频干扰，最后得到需要的TEM信号。上述这种方法不仅能够抑制高频噪声，而且在低频噪声抑制方面也有效果，而且通过DSP模块的实时信号处理操作，有利于提高信号处理速度和节省系统存储空间，对于系统应用起着重要的推动作用。

附图说明

图1瞬变电磁(TEM)探测原理图；

图2理想TEM衰减曲线；

图3 TEM信号干扰频谱；

图4仿真TEM信号经EMD滤波前后对比；其中，(a)信号滤波前后的时域对比图，(b)信号滤波前后的频谱对比图；

图5基于EMD方法的DSP处理；其中，(a)DSP信号处理框图，(b)EMD抑制噪声算法步骤图；

图6环境磁场参考通道的设计与实验结果；其中，(a)在不同地点测量的环境磁场数据显示环境磁场具有空间相关性，(b)环境磁场参考通道的设计示意图，(c)TEM应用中去除参考通道环境噪声后的实验数据结果；

图7超导TEM中的噪声抑制方法。

具体实施方式

根据上述的方法对超导TEM接收系统进行改进，以抑制系统中的低频和高频噪声，提高系统的测量准确度。具体的改进实施如下：

(1)超导TEM系统建立和标定

制造两套超导TEM接收系统，如图6(b)所示，每套系统包括杜瓦、SQUID传感器、读出电路和信号处理电路等组件，并在实验室内对每套系统进行性能标定，确定超导系统的磁场‐电压转换系数、量程、频带、噪声性能等参数。

(2)野外TEM系统和环境磁场参考系统设置

在野外进行TEM实验时，在布设完TEM发射线圈之后，利用两套超导SQUID系统进行发射线圈内外不同位置的环境磁场测量，研究不同地点之间的磁场相关性，确定相关系数。之后选定发射线圈外的某一点作为环境磁场测量的参考位置。

(3)接收数据的高频噪声抑制

利用基于EMD方法的DSP模块处理超导TEM系统和环境参考系统的输出信号，分别滤除信号中的高频噪声，因为这些高频噪声是非相关的或者相关性非常小，相互之间没有影响。在将数据处理之后，将处理结果存储在系统中。

(4)TEM信号的低频噪声抑制

以环境磁场参考通道的数据为基础，将TEM接收信号数据中的低频环境磁场消去，TEM信号中的低频部分得到明显的改善，如图6(c)中所示。

超导TEM原始信号经过上述噪声抑制方法的处理之后，得到不含噪声的二次涡流磁场数据，获得更加准确的磁场探测信号，为下一步的地球物理数据正演提供准确的数据。

Claims (8)

1.一种在超导瞬变电磁应用中的噪声抑制方法，所述的噪声抑制方法是将经验模态分解方法和环境磁场参考测量相结合；其特征在于首先建立超导TEM接收系统和环境磁场参考测量系统，分别测量TEM信号和环境磁场信号，并采用EMD模块对这两类信号进行高频噪声滤除处理，接着在接收信号中去除环境参考部分相关的低频干扰，最后得到不含噪声的二次涡流磁场探测信号；具体步骤是：(1)超导TEM接收系统建立和标定

制造两套超导TEM接收系统，每套超导TEM接收系统包括杜瓦、SQUID传感器、读出电路和信号处理电路组件，并在实验室内对每套超导TEM接收系统进行性能标定，确定该超导TEM接收系统的磁场-电压转换系数、量程、频带、噪声性能参数；

(2)野外超导TEM接收系统和环境磁场参考测量系统设置

在野外进行TEM实验时，在布设完TEM发射线圈之后，利用两套超导TEM接收系统进行发射线圈内外不同位置的环境磁场测量，研究不同地点之间的磁场相关性，确定相关系数；之后选定发射线圈外的某一点作为环境磁场测量的参考位置；

(3)接收数据的高频噪声抑制

利用基于EMD方法的DSP模块处理超导TEM接收系统和环境磁场参考测量系统的输出信号，分别滤除信号中的高频噪声，因为这些高频噪声是非相关的或者相关性非常小，相互之间没有影响；在将接收数据处理之后，将处理结果存储在系统中；

(4)接收数据的低频噪声抑制

①以环境磁场参考通道的数据为基础，将经高频噪声抑制后的TEM接收信号数据中的低频环境磁场消去，该信号中的低频部分得到明显的改善；

②超导TEM接收系统接收的原始信号经过上述噪声抑制方法的处理之后，得到不含噪声的二次涡流磁场数据，获得更加准确的磁场探测信号，为下一步的地球物理数据正演提供准确的数据。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的经验模态分解方法是一种自适应信号时频方法，通过滤波处理模块，以对超导TEM接收系统和环境磁场参考测量系统的输出信号进行分析和处理，是一组可自适应变化带宽和中心频率的滤波器，分解出的固有模态函数分量的频率是由高到低排列的。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的经验模态分解方法是基于信号本身的局部特征时间尺度，把复杂的信号函数分解成了有限的本征模态函数之和，通过对每一个本征模态函数进行Hilbert变换，求出本征模态函数伴随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，从而得到非平稳信号完整的时频分布。

4.按权利要求3所述的方法，其特征在于利用EMD方法处理系统的数据时是利用DSP模块的实时信号模块处理操作实施的；具体是：

a)首先根据采集数据的数量和运算量选择DSP芯片，然后设计DSP芯片的外围电路及模拟数字转换器A/D、存储电路和输出接口，之后进行DSP芯片的软件设计，将EMD算法通过软件的形式移植到DSP芯片中；输入信号通过A/D转换为数字信号后进入DSP芯片，经过EMD算法进行分解，之后存储处理后的结果；

b)经验模态分解方法应用到TEM信号分析的步骤是：

(i)按照筛选算法将TEM信号进行EMD分解成各个IMF分量；

(ii)分析各个IMF分量的时频特性；

(iii)根据TEM信号自身特点以及IMF能量分布规则选择需要的IMF分量，进行信号重组,完成滤波过程。

5.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的经验模态分解方法是基于信号本身的局部特征时间尺度，把复杂的信号函数分解成了有限的本征模态函数之和，通过对每一个本征模态函数进行Hilbert变换，求出本征模态函数伴随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，从而得到非平稳信号完整的时频分布。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的环境磁场信号包含二次涡流场信号，地球环境磁场和人文噪声干扰，有用信号淹没在各种噪声干扰之中。

7.按权利要求3、5或6任一项所述的方法，其特征在于基于SQUID传感器的超导TEM接收系统设置于发射线圈中心，输出信号Ua是局域的二次涡流场和环境磁场的叠加；在发射线圈之外设置一个环境磁场参考测量系统，输出信号Ub虽也是二次涡流场和环境磁场的叠加，但主要是环境磁场，在低频范围内，野外环境磁场在空间内具有极大相关性，U＝Ua-α×Ub；式中α为由系统A和系统B在野外环境中同时测量环境磁场后确定，系统A为超导TEM接收系统，系统B为环境磁场参考测量系统。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于输出信号Ub远离发射线圈，其输出信号中二次涡流信号随着与该发射线圈距离的延长而呈指数衰减，其幅度远小于发射线圈中位置的二次场信号。