CN104391335A - 瞬变电磁纯异常信号提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瞬变电磁纯异常信号提取方法，包括如下步骤：确定背景场感应电压数据；确定测点感应电压数据；将测线上每一个测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理，剔除二次场背景场数据，得到不含二次场背景场的二次场纯异常场数据；依据二次场纯异常场数据确定地下地质目标体性质。本发明瞬变电磁纯异常信号提取方法，通过将地下介质产生的测点感应电压数据中的二次场背景场剔除，即提取出二次场的异常场部分，然后根据二次场的异常场进行资料判定，对地下目标性质解释的精准度大幅度提高。

Description

瞬变电磁纯异常信号提取方法

技术领域

本发明涉及一种地质信息提取方法，具体的说，是涉及一种瞬变电磁纯异常信号提取方法。

背景技术

瞬变电磁场法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。它是利用阶跃形波电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场关断后，在测点测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标体的一种地球物理信息提取方法。

瞬变电磁法大多采用空芯线圈和有芯线圈形式，用以测量与磁场随时间变化率dB/dt成正比的二次感应电压归一化参数V(t)/I，并根据以下公式由二次感觉电压计算视电阻率ρ_τ(t)：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\πt}}{\left(\frac{2{\mathrm{\μ}}_0{M}_q}{5\mathrm{tV}\left(t\right)/I}\right)}^{2/3}---\left(1\right)$

其中μ₀为真空中的磁导率，M为发送回线的磁矩，q为接收线圈的有效面积。进一步根据装置参数换算出深度数据后，可形成视电阻率一深度剖面。这种解释方法仍处于定性和“看图识字”的阶段。对瞬变电磁法测深资料定量解释还局限于单点一维反演，很多情况下是靠解释人员的工作经验对测深结果做出大致判断，人为性较大。对地下目标体的评价精度低。远不能满足实际工程地质的需要，这一状况也限制了方法的推广应用。

发明内容

针对上述现有瞬变电磁法解释技术中的不足，本发明提供一种能够精确确定地下目标性质的瞬变电磁纯异常信号提取方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种瞬变电磁纯异常信号提取方法，包括如下步骤：

确定背景场感应电压数据；

对需要进行探测的地下地质目标体，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场关断后，测量由地下介质产生的测点感应电压数据；

将测线上每一个测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理，剔除二次场背景场数据，得到不含二次场背景场的二次场纯异常场数据；

依据二次场纯异常场数据确定地下目标性质。

所述确定背景场感应电压数据的步骤为：选取一条没有异常体存在的剖面，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场关断后，在测点测量由地下介质产生的感应电压数据；将感应电压数据作为二次场背景场感应电压数据。

所述确定背景场感应电压数据的步骤为：任意选取一条剖面，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场关断后，在测点测量由地下介质产生的感应电压数据；选取10-99个测点，将所有测点的感应电压数据的平均值作为二次场背景场感应电压数据，将各测点的观测数据作为测点感应电压数据。

所述测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理过程为：将时间域测点感应电压数据与背景场感应电压数据通过快速傅里叶变换转换到频率域。

所述测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理过程为：将频率域二次场纯异常场响应转换到时间域；得到二次场纯异常数据。

本发明相对现有技术的有益效果：

本发明瞬变电磁纯异常信号提取方法，通过将地下介质产生的测点感应电压数据中的二次场背景场剔除，即提取出二次场的异常场部分，然后根据二次场的异常场进行资料判定，对地下目标性质解释的精准度大幅度提高。

附图说明

图1是本发明瞬变电磁纯异常信号提取方法的二次场背景场响应图；

图2是本发明瞬变电磁纯异常信号提取方法的二次场异常场响应图；

图3是本发明瞬变电磁纯异常信号提取方法的归一化纯二次异常场响应对数坐标图；

图4是本发明瞬变电磁纯异常信号提取方法的实测数据二次场背景场响应图；

图5是本发明瞬变电磁纯异常信号提取方法的实测数据二次场异常场响应图；

图6是本发明瞬变电磁纯异常信号提取方法的归一化二次场纯异常场图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：

图1、2、4和5坐标系说明：横坐标表示时间(单位ms)，纵坐标表示接收到的电压响应幅值(单位V)；

由于数值模拟响应采用单位偶极源，其响应幅度与实测响应存在区别。

图3和6坐标系说明：横坐标表示时间(单位ms)，纵坐标表示归一化二次场纯异常响应(无量纲)。

附图1-6可知，一种瞬变电磁纯异常信号提取方法，包括如下步骤：

确定背景场感应电压数据；

对需要进行探测的地下地质目标体，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场关断后，测量由地下介质产生的测点感应电压数据；

将测线上每一个测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理，剔除二次场背景场数据，得到不含二次场背景场的二次场纯异常场数据；

依据二次场纯异常场数据确定地下目标性质。

所述确定背景场感应电压数据的步骤为：选取一条没有异常体存在的剖面，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场关断后，在测点测量由地下介质产生的感应电压数据；将感应电压数据作为二次场背景场感应电压数据。

所述确定背景场感应电压数据的步骤为：任意选取一条剖面，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场关断后，在测点测量由地下介质产生的感应电压数据；选取10-99个测点，将所有测点的感应电压数据的平均值作为二次场背景场感应电压数据

所述测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理过程为：将时间域测点感应电压数据与背景场感应电压数据通过快速傅里叶变换转换到频率域。由于测点感应电压数据等于背景场感应电压数据与二次场纯异常场响应的卷积，时间域的卷积等价于频率域的乘积，将提取二次场纯异常场的反卷积过程转换到频率域进行计算后，它等价于频率域测点感应电压数据除以频率域背景场感应电压数据。

所述测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理过程为：将频率域二次场纯异常场响应转换到时间域；得到二次场纯异常数据。

本发明瞬变电磁纯异常信号提取方法，通过将地下介质产生的测点感应电压数据中的二次场背景场剔除，即提取出二次场的异常场部分，然后根据二次场的异常场进行资料判定，对地下目标性质解释的精准度大幅度提高。

瞬变电磁观测的是二次场，二次场信号包括二次场背景场和二次场异常场，将二次场背景场剔除出去，即提取出二次场的异常场部分，然后根据二次场的异常场进行资料解释，那么，解释的精准度会大大提高。

将所接收到的大地二次场响应看作是一个时变系统，系统输出的二次场总响应包括系统背景二次场正常响应和目标体的纯二次场异常响应，通过反卷积的办法提取来自目标体的二次场纯异常响应信号。具体过程如下：

根据线性时变系统特性，输出信号可表示为：

a_k(x_r，y_r，t)＝s(t)*g(x_r，y_r，t)+n(x_r，y_r，t)   (2)

式中，(x_r，y_r)表示测点坐标，t表示观测时间，a_k(x_r，y_r，t)表示所接收到的总二次场响应，

s(t)表示与大地有关的二次场背景正常场响应

g(x_r，y_r，t)表示目标体的二次场纯异常响应

n(x_r，y_r，t)表示噪声。

提取二次场的异常场步骤如下：

通过反卷积获得自目标体的纯二次场响应，以得到的目标体纯二次场响应剖面比传统的视电阻率剖面更容易反映出地下目标体。

具体过程如下：

(1)将等式(2)两端进行傅里叶变换。根据卷积定理，时间域的卷积等价于频率域的乘积，从而卷积在频率域的表达式为：

A(x_r，y_r，ω)＝S(x_r，y_r，ω)G(x_r，y_r，ω)+N(x_r，y_r，ω)  (3)

(2)将等式两端同时除以背景正常场响应的频谱S(x_s，x_r，ω)，即乘以乘积因子1/S(x_s，x_r，ω)。由于噪声项的存在，在背景正常场响应的某些频点幅度很低时，噪声项将被放大从而干扰反卷积的结果。为此在除以背景正常场响应的频谱S(x_s，x_r，ω)时引入常数ε，常数ε的存在避免了频域反卷积结果出现偏差较大的频点。引入常数因子很之后，原乘积因子转换转换为：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S*(x_r,y_r,\mathrm{\ω})}{{\left|S(x_r,y_r,\mathrm{\ω})\right|}^2+\mathrm{\ϵ}}\≈\frac{1}{S(x_r,y_r,\mathrm{\ω})}---\left(4\right)$

其中，ε表示值很小的正常数，*表示复数的共轭。该因子的分母为实数，常数ε的存在使得当|S(x_r，y_r，ω)|很小时，|S(x_r，y_r，ω)|作为分母引入的不稳定性得到了消除。

(3)上述反卷积过程中并没有考虑观测系统的有限带宽性质，因此在等式两端同时乘以如下零相位高斯滤波器以适应有限带宽系统：

$D\left(\mathrm{\ω}\right)=\exp (-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2)---\left(5\right)$

式中ω₀为D(ω)衰减为1/e时的角频率值，可以得到如下等式：

F(ω)D(ω)V(ω)＝F(ω)D(ω)S(ω)G(ω)+F(ω)D(ω)N(ω)

     ≈D(ω)G(ω)+F(ω)D(ω)N(ω)

                            (6)

零相位滤波器的时间域形式为：

$d\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_0\exp (-{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ω}}_0^2{t}^2)---\left(7\right)$

实际上这是对delt脉冲的有限带宽的近似，其在零时刻有极大值，且其在整个时间轴上的积分为1。

(4)将等式(6)两端进行整理可以得到经过整理，可以得到频率域的二次场纯异常响应，然后通过反傅里叶变换即可得到时间域二次场纯异常响应，其表达式为：

g(xs_，x_r，t)＝f(t)*d(t)*a(x_s，x_r，t)-f(t)*n(x_r，t)  (8)

二次场纯异常响应的提取模拟：

设背景模型为电阻率为100Ω·m的均匀半空间，其瞬变电磁响应设定为背景场异常。背景场响应曲线如图1所示。

异常模型为在深度范围500～700m赋存有电阻率为1Ω.m后的低阻层，其二次场异常场响应如图2所示。图2异常场曲线与图1背景场曲线形状基本上很相似，如果仅依靠图2的曲线(二次场异常场曲线)是无法明确判断是否有异常体存在。所以需要进行纯二次场异常场数据信息提取。

采用上述反卷积的方法，利用公式(8)，得到的纯二次异常场响应曲线图3，从图3可以看出，曲线的早时间和晚时间道的值都比较小，说明其对应二次场的背景场，而在中间时间道的响应值比较大，明显对应二次场纯异常。如果图3曲线比较平缓，说明不存在纯二次场，即地下不存在目标体；如果图3曲线峰值交小，说明纯二次异常场较弱，即地下目标体规模较小或者埋藏深度较大；如果图3曲线峰值较大大，说明纯二次异常场较强，即地下目标体规模较大或者埋藏深度较浅。

本发明野外观测数据处理实例：

利用瞬变电磁法对河北省隆化县某金矿进行探测，二次场背景场响应实测区线为图4。二次场异常场响应(实测数据)为图5。图5异常场曲线与图4背景场曲线形状基本上很相似，如果仅依靠图2的曲线(二次场异常场曲线)是无法明确判断是否有异常体存在。

采用上述反卷积的方法，得到的归一化纯二次异常场响应图6。从图6可以直接判断矿体异常情况，在图6中的晚期时间道上，出现两个负尖脉冲。说明在这两处位置上可能存在矿体异常，这一判断与实际相符。

Claims (5)

1.一种瞬变电磁纯异常信号提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定背景场感应电压数据；

对需要进行探测的地下地质目标体，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场关断后，测量由地下介质产生的测点感应电压数据；

将测线上每一个测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理，剔除二次场背景场数据，得到不含二次场背景场的二次场纯异常场数据；

依据二次场纯异常场数据确定地下目标性质。

2.根据权利要求1所述瞬变电磁纯异常信号提取方法，其特征在于：所述确定背景场感应电压数据的步骤为：选取一条没有异常体存在的剖面，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场关断后，在测点测量由地下介质产生的感应电压数据；将感应电压数据作为二次场背景场感应电压数据。

3.根据权利要求1所述瞬变电磁纯异常信号提取方法，其特征在于：所述确定背景场感应电压数据的步骤为：任意选取一条剖面，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场关断后，在测点测量由地下介质产生的感应电压数据；选取10-99个测点，将所有测点的感应电压数据的平均值作为二次场背景场感应电压数据，将各测点的观测数据作为测点感应电压数据。

4.根据权利要求1所述瞬变电磁纯异常信号提取方法，其特征在于：所述测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理过程为：将时间域测点感应电压数据与背景场感应电压数据通过快速傅里叶变换转换到频率域。

5.根据权利要求1所述瞬变电磁纯异常信号提取方法，其特征在于：所述测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行反卷积处理过程为：将频率域二次场纯异常场响应转换到时间域；得到二次场纯异常数据。