CN105353428B - 一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法 - Google Patents
一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法，目的在于提高地空电磁探测数据的测量精度。主要包括采用低温超导磁传感器在地面参考区进行高精度磁场测量，先将测量的磁场数据进行滤波取样处理，采用地空磁场延拓方法，获得参考区在空中飞行高度下的磁场测量基准值，进行电阻率‑深度成像，再将在参考区的实际飞行测量数据进行基线校正、滤波、叠加取样处理、电阻率‑深度成像，采用SVD奇异值分解方法将磁场的实测数据与基准值进行拟合分析，确定测量系统的固有误差、基线漂移量、运动噪声特征、电阻率‑深度参数误差，最后将确定的电磁系统测量误差，用于整条飞行测线或测区的电磁数据校正，实现地空电磁高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种地球物理勘探领域的电磁探测系统校正方法，尤其是时域长导线源地空协同电磁探测方法。
背景技术
时域地空电磁法(Time domain Grounded-airborne electromagnetic methods)或称半航空电磁法(Semi-Airborne Transient electromagnetic methods)，是一种地面大功率发射系统向电性源或磁性源输出时、频电流激励大地，产生大面积覆盖的电磁波，将时频域电磁采集装置固定在空中无人飞行器或在地面分布式放置，地面与空中相互协同完成测量，获取地下感应电磁信号，通过电阻率成像获取地下电性结构信息。基于无人机的地空电磁探测方法，具有探测效率高、经济适用等优势，适合在草原沙漠地区、海陆交互地带、沼泽地带、无人山区等特殊景观地区开展探测工作，尤其适用于我国地形复杂的山区资源探测，目前成为国内外的研究热点，有着广泛应用前景。
澳大利亚专利847270G01V003116公开了地面铺设回线源进行航空勘查方法，在地面发射过渡电磁脉冲，飞行器搭载接收系统测量大地产生的电磁场，根据幅值大小经过信号处理就可测定出预测的目标体。
美国专利US5610523公开了一种用地面线圈发射、空中飞机探测的电磁探测系统和方法，采用发电机给地面线圈提供瞬变电磁脉冲，探测器放在飞机上进行测量，地面发电机和空中探测器采用晶体振荡器进行同步，采用磁电阻率分析和磁感应极化技术对接收到的信号进行处理，进行判定地下体状物质的探测方法。
加拿大专利CA2109118A1公开了一种半航空电磁探测方法，地面铺设一个大型环形天线进行发射，空中飞机或气球、直升机搭载接收天线进行检测电磁场，可以实现瞬变电磁方法(TEM)、磁电阻率(MMR)和磁激发极化(MIP)方法。
中国专利CN201010573168.3公开了一种时间域地空电磁探测系统及标定方法，该电磁探测系统采用地面铺设长导线源进行大功率发射，地面发射与空中接收采用GPS同步，基于无人飞行器进行空中连续测量，并采用异常环模拟地下有限矿体的电磁响应，通过测量异常环的感应电流、感应电压参数，提取含几何误差的纯闭合异常环电磁信号，确定系统误差、几何参数误差，实现电磁探测系统性能的测试和标定。
以上所述方法公布了大回线或长导线源的半航空电磁探测方法，国外专利均未涉及电磁测量系统的标定方法，中国专利CN201010573168.3公开了采用地面异常环进行时域地空电磁测量系统的几何参数标定方法，采用地面异常环进行标定时，由于异常环一般为3-4匝的100m×100m的方形回线，在野外测试标定时，一方面由于异常环尺寸较大，铺设成多匝的方形野外施工十分困难，另一方面也需要在测量工区内选择一定面积相对平坦的高阻区域，特别是在复杂山区、深林覆盖区、沿海滩涂等区域难以实施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法，通过在地面参考区内的少数网格点进行高精度测量磁场，利用磁场延拓和SVD拟合方法对空中测量的磁场、电阻率-深度参数进行校正，可以克服异常环标定方法对一定面积平坦测试地区的苛刻要求、以及避免地面铺设异常环施工复杂等不足，比较适用于复杂山区、沿海滩涂等特殊景观区进行实施。
本发明是这样实现的，一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法包括：
1)、合理选择地面参考区，在参考区内可以设计多个由9个点构成的二维均匀Yee网格；
2)、采用低温超导磁传感器在地面参考区内的二维均匀Yee网格进行磁场测量，对地面测量磁场数据进行滤波、叠加取样处理，形成N个时间道磁场值，并对9个网格点的N道地面磁场数据，进行电阻率-深度参数计算、成像；
3)、采用二维均匀Yee网格和磁场向上延拓方法，对9个网格点上的地面测量磁场数据进行延拓，获得空中飞行高度下的磁场数据，作为测量基准值；
4)、在参考区进行空中进行悬停和飞行测量，通过控制地面发射系统的开通和断开，获得空中背景场噪声数据和磁场或磁场变化率数据；对于测量的参数为磁场变化率，需要采用积分办法进行变换，获得磁场数据；
5)、将空中实测数据进行背景场噪声去除、综合小波法基线校正和噪声滤除、叠加取样处理，获得N个取样道的磁场数值，对9个网格点的空中实测磁场数据，进行电阻率-深度参数计算、成像；
6)、采用SVD奇异值分解方法，先将步骤3中计算的磁场基准值与步骤5中实测磁场数值进行拟合分析，确定测量系统的固有误差、基线漂移量、噪声特征；再将步骤2中的地面磁场计算电阻率-深度参数与步骤5中的空中实测磁场计算电阻率-深度参数进行拟合分析，确定地空电磁数据成像中电阻率和深度参数的解释精度和误差，进行校正；
7)、最后通过确定的测量系统固有误差、基线偏移量、运动噪声特征，对完整的飞行测线的磁场数据和电阻率-深度参数进行校正。
进一步地，步骤1中，根据电性源地空电磁响应数值计算，结合实际飞行测量工区的地质条件，参考区需选在垂直地面发射导线源中点的水平轴线附近、且收发距为0.5-1倍区域内，地面参考区至少需要设计1个二维均匀Yee网格构成，1个二维均匀Yee网格由9个网格点均匀分布构成，Yee网格的数量决定了测量工区的飞行数据校正质量，网格数越多，校正精度越高。
进一步地，步骤2中，采用低温超导磁传感器，在地面设计的二维Yee均匀网格点上进行磁场长时间高精度测量，低温超导磁传感器可以实现fT量级的磁场测量，测量磁场曲线有效时窗可以达到100ms，先对单一网格点测量磁场数据进行综合小波法去噪，然后对测量数据进行1024次叠加、以及1.2倍的对数等间隔取样处理，形成50道磁场值，由于地面低温超导磁传感器测量的精度非常高，为此，将处理后的50道磁场值作为地面测量的准确值；采用将长导线源剖分为若干个电偶极源的方法求解时域电磁响应，并依据响应等效以及长导线源剖分思想，进行求解全区视电阻率，基于趋肤深度概念计算深度参数。重复上述过程，再处理其他网格点的磁场，最后对所有Yee网格的磁场进行处理。
进一步地，步骤3中，采用二维均匀Yee网格和磁场向上延拓方法，先将地面测量磁场值进行二维傅里叶变换，实现时间空间域变换到频率波数域，再根据矢量拉普拉斯方程，推导地面z＝0平面内磁场水平分量Hx、Hy与垂直分量Hz之间关系，地面磁场和空中磁场的变换关系，在任意取样时刻，地面z＝0测量的磁场垂直分量和出空中z＝-h高度处的磁场三分量关系表达式为：
表达式(1)、(2)、(3)中：kx与ky是对应于x与y的频率波数域变量，Hz(kx,ky,z＝0)为地面测量的磁场垂直分量hz(x,y,z＝0)在频率波数域中的表示形式，hx(x,y,z＝-h)、hy(x,y,z＝-h)和hz(x,y,z＝-h)分别为空中z＝-h的x、y、z时域磁场分量。
将步骤2中的一个二维Yee均匀网格上9个点的50道地面测量磁场值，先进行二维傅里叶变换实现时间空间域变换到频率波数域，再代入表达式(1)、(2)、(3)进行计算，在频率波数域进行逆傅里叶变换，就可以得到空中z＝-h的时间空间域x、y、z三分量磁场hx(x,y,z＝-h)、hy(x,y,z＝-h)和hz(x,y,z＝-h)。
以上内容均按照权利要求说明进行复制即可。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明针对异常环方法只能标定空中的几何飞行参数，而且需要选择高阻地区、野外施工繁杂等不足，提出了只需在野外地面参考区进行少数网格点的高精度磁场测量，即可实现空中测量的电磁场数据进行校正，以及电导率-深度间接测量参数进行精度校准，是一种提高时域地空电磁系统测量精度和数据解释精度的校正方法。
附图说明
图1是地面参考区选取示意图；
图2是地面磁场向上延拓方法示意图；
图3是感应电动势变换磁场方法流程图；
图4是地空电磁数据处理流程图；
图5是电磁数据综合小波基线校正和滤波算法示意图；
图6是地面参考区的地空协同电磁数据校正方法流程图；
图7是本发明一个实施例参考区网格点的空中磁场延拓效果图；
图8是本发明一个实施例参考区网格点的空中测量感应电动势数据校正效果图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
参见图6结合图1所示，一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法，包括：
1)、合理选择地面参考区，在参考区内可以设计多个由9个点构成的二维均匀Yee网格；
如图1所示的步骤1中，根据电性源地空电磁响应数值计算，结合实际飞行测量工区的地质条件，参考区需选在垂直地面发射导线源中点的水平轴线附近、且收发距为0.5-1倍区域内，地面参考区至少需要设计1个二维均匀Yee网格构成，1个二维均匀Yee网格由9个网格点均匀分布构成，Yee网格的数量决定了测量工区的飞行数据校正质量，网格数越多，校正精度越高。
2)、采用低温超导磁传感器在地面参考区内的二维均匀Yee网格进行磁场测量，对地面测量磁场数据进行滤波、叠加取样处理，形成N个时间道磁场值，并对9个网格点的N道地面磁场数据，进行电阻率-深度参数计算、成像；
步骤2中，采用低温超导磁传感器，在地面设计的二维Yee均匀网格点上进行磁场长时间高精度测量，低温超导磁传感器可以实现fT量级的磁场测量，测量磁场曲线有效时窗可以达到100ms，先对单一网格点测量磁场数据进行综合小波法去噪，然后对测量数据进行1024次叠加、以及1.2倍的对数等间隔取样处理，形成50道磁场值，由于地面低温超导磁传感器测量的精度非常高，为此，将处理后的50道磁场值作为地面测量的准确值；采用将长导线源剖分为若干个电偶极源的方法求解时域电磁响应，并依据响应等效以及长导线源剖分思想，进行求解全区视电阻率，基于趋肤深度概念计算深度参数。重复上述过程，再处理其他网格点的磁场，最后对所有Yee网格的磁场进行处理。
步骤2中，采用电磁数据计算电阻率-深度参数方法，经推导，均匀半空间模型在负阶跃激励下地面电偶极子的垂直磁场表达式为：
式中I为发射电流，t为时间自变量，dl为电偶极子长度，t为时间自变量，r为收发距，x、y、z为测量点坐标，其中σ为地下电阻率，μ0为真空中磁场导率，erf为高斯误差函数。
长导线源的磁场垂直响应可以写为：
其中定义核函数为：
式中N为长导线源剖分个数，dli为第i个电偶极子长度，L为长导线源半长度，
通过分析可知，式(6)中磁场核函数为单调衰减曲线，令(5)式中x＝g(hz(t))，则均匀大地的电导率为
直接利用(5)式求解函数g是不可能的，采用分段多项式逼近方法：
式中y＝hz(t)。根据y值的大小将全区分割为五段，且每一段寻找近似逼近式，根据(6)中核函数曲线的形态确定最合适的αi值，利用最小二乘法确定系数ai，便得到时域长导线源的磁场计算视电导率的表达式。
3)、采用二维均匀Yee网格和磁场向上延拓方法，对9个网格点上的地面测量磁场数据进行延拓，获得空中飞行高度下的磁场数据，作为测量基准值；
如图2所示的步骤3中，采用二维均匀Yee网格的地面磁场向上延拓方法，先将地面测量磁场值进行二维傅里叶变换，实现时间空间域变换到频率波数域，再根据矢量拉普拉斯方程，推导地面z＝0平面内磁场水平分量Hx、Hy与垂直分量Hz之间关系，地面磁场和空中磁场的变换关系，在任意取样时刻，地面z＝0测量的磁场垂直分量和出空中z＝-h高度处的磁场三分量关系表达式为：
表达式(8)、(9)、(10)中：kx与ky是对应于x与y的频率波数域变量，Hz(kx,ky,z＝0)为地面测量的磁场垂直分量hz(x,y,z＝0)在频率波数域中的表示形式，hx(x,y,z＝-h)、hy(x,y,z＝-h)和hz(x,y,z＝-h)分别为空中z＝-h的x、y、z时域磁场分量。
将步骤2中的一个二维Yee均匀网格上9个点的50道地面测量磁场值，先进行二维傅里叶变换实现时间空间域变换到频率波数域，再代入表达式(8)、(9)、(10)进行计算，在频率波数域进行逆傅里叶变换，就可以得到空中z＝-h的时间空间域x、y、z三分量磁场hx(x,y,z＝-h)、hy(x,y,z＝-h)和hz(x,y,z＝-h)。
4)、在参考区进行空中进行悬停和飞行测量，通过控制地面发射系统的开通和断开，获得空中背景场噪声数据和磁场或磁场变化率数据；对于测量的参数为磁场变化率，需要采用积分办法进行变换，获得磁场数据。
如图3所示的步骤4中感应电动势变换磁场方法，在将感应电动势变换为磁场时，最关键的是合理选择tN趋向无穷大时的磁场Hz(tN)值，并采用校正－预报数值积分法进行变换，以提高早期变换精度。
式中V(t)为测量感应电动势，Hz(t)变换后的磁场，S为接收线圈有效面积，n为线圈匝数，t为时间自变量，μ0为真空中磁场导率。
5)、将空中实测数据进行背景场噪声去除、综合小波法基线校正和噪声滤除、叠加取样处理，获得N个取样道的磁场数值，对9个网格点的空中实测磁场数据，进行电阻率-深度参数计算、成像；
如图4所示的步骤5中地空电磁数据处理流程。在低空飞行测量过程中，飞行器受风向、气流、地形、地面局部温度场变化等影响，测量的电磁数据中含有电磁噪声、运动噪声、工频干扰、白噪声等。为了提高数据质量，需要对实测的数据先进行基线校正，去除基线后通过双极性叠加去除白噪声和随机噪声。
进一步，图5所示的步骤5中电磁数据综合小波基线校正和滤波方法，根据地空电磁信号的特点，采用sym8小波基；基于小波多分辨率分析原理，利用小波高尺度近似分量估计基线漂移，以校正电磁数据中的基线；基于小波阈值收缩原理，采用5层小波分解、极小极大阈值配合硬收缩函数的消噪方法，来压制数据中的其余噪声。
进一步，数据取样算法，先确定第一取样道的起始点即第一个数据窗的起始点Na，由近似对数等间隔计算第一个数据窗宽的终点Ne：Ne＝Na×1.2，则：数据窗宽Ti＝Ne×Na，数据窗宽即取样道内参加计算的数据个数，Ne+1即为下一个数据窗宽的起始点，并依此方法处理，直至数据结束。
进一步，参见图6所示步骤5中电磁数据计算电阻率-深度参数方法,同步骤2中电阻率-深度参数计算方法。
6)、参见图6所示，采用SVD奇异值分解方法，先将步骤3中计算的磁场基准值与步骤5中实测磁场数值进行拟合分析，确定测量系统的固有误差、基线漂移量、噪声特征；再将步骤2中的地面磁场计算电阻率-深度参数与步骤5中的空中实测磁场计算电阻率-深度参数进行拟合分析，确定地空电磁数据成像中电阻率和深度参数的解释精度和误差，进行校正；
7)、最后通过确定的测量系统固有误差、基线偏移量、运动噪声特征，对完整的飞行测线的磁场数据和电阻率-深度参数进行校正。
图7为采用图6所示的本发明一个实施例参考区网格点的空中测量磁场数据校正效果图；
图8为本发明一个实施例的地空电磁数据校正后的结果，校正后的感应电动势曲线信噪比明显提高，充分验证了地面参考区的磁场延拓地空协同校正方法的有效性，为时域地空电磁法野外高精度测量提供了新的思路和方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法，其特征在于，
包括如下步骤：
1)、合理选择地面参考区，在参考区内至少需要设计1个由9个点构成的二维均匀Yee网格；
2)、采用低温超导磁传感器在地面参考区内的二维均匀Yee网格进行磁场测量，对地面测量磁场数据进行滤波、叠加取样处理，形成N个时间道磁场值，并对9个网格点的N道地面磁场数据，进行电阻率-深度参数计算、成像；
3)、采用二维均匀Yee网格和磁场向上延拓方法，对9个网格点上的地面测量磁场数据进行延拓，获得空中飞行高度下的磁场数据，作为测量基准值；
4)、在参考区进行空中悬停和飞行测量，通过控制地面发射系统的开通和断开，获得空中背景场噪声数据和磁场或磁场变化率数据；对于测量的参数为感应电动势，则需要采用积分办法进行变换，获得磁场数据；
5)、将空中实测数据进行背景场噪声去除、综合小波法基线校正和噪声滤除、叠加取样处理，获得N个取样道的磁场数值，对9个网格点的空中实测磁场数据，进行电阻率-深度参数计算、成像；
6)、采用SVD奇异值分解方法，先将步骤3中计算的磁场基准值与步骤5中实测磁场数值进行拟合分析，确定测量系统的固有误差、基线漂移量、噪声特征；再将步骤2中的地面磁场计算电阻率-深度参数与步骤5中的空中实测磁场计算电阻率-深度参数进行拟合分析，确定地空电磁数据成像中电阻率和深度参数的解释精度和误差，进行校正；
7)、最后通过确定的测量系统固有误差、基线偏移量、运动噪声特征，对完整的飞行测线的磁场数据和电阻率-深度参数进行校正。
2.按照权利要求1所述的一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法，其特征在于：
步骤1中，根据电性源地空电磁响应数值计算，结合实际飞行测量工区的地质条件，参考区需选在垂直地面发射导线源中点的水平轴线附近、且收发距为0.5-1倍区域内，地面参考区至少需要设计1个由9个网格点均匀分布构成的二维均匀Yee网格，Yee网格的数量决定了测量工区的飞行数据校正质量，网格数越多，校正精度越高。
3.按照权利要求1所述的一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法，其特征在于：
步骤2中，采用低温超导磁传感器，在地面设计的二维Yee均匀网格点上进行磁场长时间高精度测量，先对单一网格点测量磁场数据进行综合小波法去噪，然后对测量数据进行1024次叠加、以及1.2倍的对数等间隔取样处理，形成50道磁场值，将处理后的50道磁场值作为地面测量的准确值；采用将长导线源剖分为若干个电偶极源的方法求解时间域电磁响应，并依据响应等效以及长导线源剖分思想，进行求解全区视电阻率，基于趋肤深度概念计算深度参数；重复上述过程，处理其他网格点的磁场，最后对所有Yee网格的磁场进行处理。
4.按照权利要求1所述的一种地面参考区磁场延拓的地空协同电磁数据校正方法，其特征在于：
步骤3中，采用二维均匀Yee网格和磁场向上延拓方法，先将地面测量磁场值进行二维傅里叶变换，实现时间空间域变换到频率波数域，再根据矢量拉普拉斯方程，推导地面z＝0平面内磁场水平分量Hx、Hy与垂直分量Hz之间关系，地面磁场和空中磁场的变换关系，在任意取样时刻，地面z＝0测量的磁场垂直分量和空中z＝-h高度处的磁场三分量关系表达式为：
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表达式(1)、(2)、(3)中：kx与ky是对应于x与y的频率波数域变量，Hz(kx,ky,z＝0)为地面测量的磁场垂直分量在频率波数域中的表示形式，hx(x,y,z＝-h)、hy(x,y,z＝-h)和hz(x,y,z＝-h)分别为空中z＝-h的x、y、z时间空间域磁场分量；
将步骤2中的一个二维Yee均匀网格上9个点的50道地面测量磁场值，先进行二维傅里叶变换实现时间空间域变换到频率波数域，再代入表达式(1)、(2)、(3)进行计算，在频率波数域进行逆傅里叶变换，就可以得到空中z＝-h的时间空间域x、y、z三分量磁场hx(x,y,z＝-h)、hy(x,y,z＝-h)和hz(x,y,z＝-h)。
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