CN105629317B - 一种基于站间传递函数的大地电磁噪声压制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供一种基于站间传递函数的大地电磁噪声压制方法，该方法通过估算同步测点之间电磁场的传递函数，合成本地测点时间序列信号，从而去除噪声，其实现步骤为：1.对多个大地电磁测点时间序列数据进行同步；2.估算站间电磁场之间的传递函数；3.利用参考测点数据和站间传递函数，合成本地测点的时间序列信号；4.识别本地测点噪声所在的位置；5.用合成信号替换噪声，得到去噪后的新数据。通过上述实现步骤，本发明可以有效压制强相关噪声，抑制飞点，减小估计误差。
Description
技术领域
本发明属于大地电磁测深方法的数据处理领域，涉及一种基于站间传递函数的大地电磁噪声压制方法，该方法通过利用多个同步大地电磁测点，处理测点间电磁场的传递函数关系，达到压制大地电磁测深数据噪声的目的。
背景技术
大地电磁测深是一种天然场源的地球物理勘探方法，具有野外施工方便、探测深度大、不受高阻层屏蔽等优点，为研究深部流体分布、板块构造和大陆动力学等科学问题，提供了重要的地球物理依据。天然电磁场信号幅值微弱、频带宽，极易受到噪声干扰，如矿区资源开采产生很强的相关噪声，导致测点即使偏离干扰源十几公里也无法获得较好的数据，造成重要地质构造区域深部物质电性资料的缺失。另外人文噪声成分非常复杂，先验信息少，各地区也有差异，加之大大电磁信号场源也比较复杂，两者耦合在一起，很难精确分离。目前大地电磁噪声压制方法主要有最小二乘法、Robust估计、远参考、小波变换和希尔伯特-黄变换等去噪方法。最小二乘法可以压制高斯随机噪声，但少数飞点也会导致估算值偏离真值，无法压制相关噪声。远参考方法利用参考点信号与本地点信号相关的特点，压制不相关噪声，远参考的处理效果依赖于参考点与本地点信号和噪声的相关性，实际中很难选择合适的参考距离，以保证测点之间信号相关的同时尽可能地远离噪声。小波变换和希尔伯特-黄变换可以抑制随机噪声和局部相关噪声。以上去噪方法的缺点在于难以压制强相关噪声和电场噪声，导致阻抗在某个频段甚至整个频带具有明显的近场源效应、飞点数量多、误差大。
发明内容
针对目前现有大地电磁去噪方法的缺陷，本发明提供一种基于站间阻抗的大地电磁噪声压制方法，避免本地点相关噪声对阻抗估算的影响，压制飞点、减少误差，提高大地电磁的数据质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于站间阻抗的大地电磁噪声压制方法，包括如下步骤：
1)对多个大地电磁测点时间序列数据进行同步；
2)估算站间电磁场之间的传递函数；
3)利用参考测点数据和步骤2)的站间传递函数，合成本地测点的时间序列信号，称为合成信号；
4)识别本地测点噪声所在的位置；
5)用步骤3)中的合成信号替换步骤4)中的噪声，得到去噪后的新数据。
在上述技术方案中，进一步，步骤2)中估算站间电磁场之间的传递函数，站间传递函数包括拟阻抗、水平电场传递函数、水平磁场传递函数和拟倾子，拟阻抗表示本地测点水平电场与参考测点水平磁场之间的传递函数，水平电场传递函数表示本地测点水平电场与参考测点水平电场之间的传递函数，水平磁场传递函数表示本地测点水平磁场与参考测点水平磁场之间的传递函数，拟倾子表示本地垂直磁场与参考测点水平磁场之间的传递函数。站间传递函数的估算方法包括最小二乘法、Robust估计和远参考方法等常用估算本地测点阻抗张量的方法；若存在两个同步测点，优选Robust估计，以压制非高斯噪声；若存在三个以上同步测点，优选远参考方法，压制相关噪声。
步骤3)对步骤1)中的同步参考测点时间序列数据进行快速傅里叶变换，得到参考测点水平电场和磁场的频谱，再结合站间传递函数，采用公式(1)或公式(2)计算得到本地测点水平电场的频谱，采用公式(3)或(4)得到本地测点水平磁场的频谱，采用公式(5)得到本地测点垂直磁场的频谱，最后对本地测点电场频谱和磁场频谱分别进行傅里叶反变换，得到本地测点电场和磁场的时间序列，称为合成信号。
El＝LlnEn (1)
El＝ZlnHn (2)
Hl＝IlnEn (3)
Hl＝MlnHn (4)
其中El为本地测点水平电场的频谱，Hl本地测点水平磁场的频谱，本地测点垂直磁场的频谱，Lln表示本地测点水平电场与参考测点水平电场的传递函数，Zln表示本地测点水平电场与参考测点水平磁场的传递函数，Iln表示本地测点水平磁场与参考测点水平电场的传递函数，Mln表示本地测点水平磁场与参考测点水平磁场的传递函数，Tln表示本地测点垂直磁场与参考测点水平磁场的传递函数。
步骤4)对本地测点噪声数据进行识别，首先对本地测点原始时间序列数据和合成信号进行加窗，利用公式(6)相对能量比的方法对电磁场各个分量进行噪声识别，相对能量比值大于设定阈值的窗口，表示该场分量的该窗口时间序列含有噪声，也可以采用相关系数、极化参数、小波系数等方法对噪声进行识别。
其中NR表示相对能量比，N表示窗口长度，wj表示第j个窗口，wi,j表示第j个窗口的第i个数对应的电场或磁场，表示对第j个窗口N个数据的平均值，上标O表示本地测点的原始观测数据，上标S表示步骤3)中本地测点的合成信号。
步骤5)用合成信号替换噪声数据，得到去噪后的新数据，为了使合成数据与原始数据光滑的衔接，在窗口的左边界和右边界分别采用公式(7)和公式(8)进行加权处理，避免引入阶跃噪声。
左边界：
右边界：
其中dnew表示本地测点的新数据，dobs表示本地测点的观测数据，dsyn表示本地测点的合成数据，L为窗口边界的长度，L小于窗口长度N，为加权权重。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本地测点电场与参考测点磁场之间的传递函数图。
图3为本地测点磁场与参考测点磁场之间的传递函数图。
图4为去噪前后的时间序列图。
图5为去噪前后的视电阻率和相位图。
图6为去噪前后的阻抗误差统计图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为本发明的一种基于站间阻抗的大地电磁噪声压制方法的流程图，具体按照如下步骤进行处理：
1)对多个测点的大地电磁时间序列数据进行同步；
2)估算同步后时间序列数据的站间传递函数，包括本地测点水平电场与参考测点水平磁场的传递函数，本地测点水平磁场与参考水平测点磁场的传递函数，可以采用Robust估计站间传递函数，也可以采用远参考方法估算站间传递函数，如果只有一个参考点，选择Robust估计站间传递函数，如果有两个以上参考点，优选远参考方法估算站间传递函数，图2为采用远参考方法估算的本地测点水平电场与参考测点水平磁场之间的传递函数，图3为采用远参考方法估算的本地测点水平磁场与参考测点水平磁场之间的传递函数；
3)利用参考测点的水平磁场数据，采用公式(2)和公式(4)分别合成得到本地测点电场和磁场的频谱，对频谱进行傅里叶反变换，得到本地测点电场和磁场的时间序列信号；
4)利用公式(6)识别本地测点时间序列中噪声所在的位置；
5)利用步骤3)中本地测点合成时间序列信号，替换步骤4)中的噪声，并对噪声窗口的边界进行加权处理，图4为去噪前后的时间序列；
6)对去噪后的数据进行远参考处理，图5为去噪前后的视电阻率和相位；图6为去噪前后的阻抗误差统计；从处理结果来看，去噪后的视电阻率和相位曲线压制了飞点，曲线连续、光滑，误差减小，在周期小于1000s时，误差控制在5％以内，估算阻抗的结果可靠。
Claims (4)
1.一种基于站间传递函数的大地电磁噪声压制方法，其特征在于，能够利用站间传递函数对本地测点进行噪声压制，包括如下步骤：
(1)对多个大地电磁测点时间序列数据进行同步；
(2)估算本地测点与参考测点电磁场之间的站间传递函数，站间传递函数包括：本地测点水平电场与参考测点水平磁场之间的传递函数，本地测点水平磁场与参考测点水平磁场之间的传递函数，本地测点水平电场与参考测点水平电场之间的传递函数，本地测点水平磁场与参考测点水平电场之间的传递函数，本地测点垂直磁场与参考测点水平磁场之间的传递函数；
(3)利用站间传递函数和参考测点数据，合成本地测点的时间序列信号：先对参考测点时间序列数据进行快速傅里叶变换，得到参考测点电场和磁场的频谱，再利用参考测点电场或磁场的频谱，结合站间传递函数，合成本地测点电场和磁场的频谱，对本地测点电场频谱和磁场频谱分别进行傅里叶反变换，得到本地测点电场和磁场的时间序列合成信号；
(4)识别本地测点噪声所在的位置；
(5)用合成信号替换噪声数据，得到去噪后的新数据，达到去噪的目的，替换时在窗口的左边界和右边界进行加权处理，避免引入阶跃噪声，具体采用如下形式：
左边界：
右边界：
其中dnew表示本地测点的新数据，dobs表示本地测点的观测数据，dsyn表示本地测点的合成数据，L为窗口边界的长度，L小于窗口长度N，为加权的权重。
2.根据权利要求1所述的基于站间传递函数的大地电磁噪声压制方法，其特征在于，估算站间传递函数的方法采用最小二乘法、Robust方法或远参考方法。
3.根据权利要求1所述的基于站间传递函数的大地电磁噪声压制方法，其特征在于，步骤(3)中所述的利用参考测点水平电场计算本地测点水平电场的频谱采用如下公式：
El＝LlnEn
利用参考测点水平磁场计算本地测点水平电场的频谱采用如下公式：
El＝ZlnHn
利用参考测点水平电场计算本地测点水平磁场的频谱采用如下公式：
Hl＝IlnEn
利用参考测点水平磁场计算本地测点水平磁场的频谱采用如下公式：
Hl＝MlnHn
利用参考测点水平磁场计算本地测点垂直磁场的频谱采用如下公式：
其中El为本地测点水平电场的频谱，Hl本地测点水平磁场的频谱，Hlz本地测点垂直磁场的频谱，Lln表示本地测点水平电场与参考测点水平电场的传递函数，Zln表示本地测点水平电场与参考测点水平磁场的传递函数，Iln表示本地测点水平磁场与参考测点水平电场的传递函数，Mln表示本地测点水平磁场与参考测点水平磁场的传递函数，Tln表示本地测点垂直磁场与参考测点水平磁场的传递函数。
4.根据权利要求1所述的基于站间传递函数的大地电磁噪声压制方法，其特征在于，步骤(4)中所述的识别本地测点噪声所在的位置，先对本地测点原始数据和合成信号数据进行加窗，利用相对能量比的方法对电磁场各个分量进行噪声识别，相对能量比值大于设定阈值的窗口，表示该场分量的该窗口时间序列含有噪声，相对能量比的具体形式如下：
其中NR表示相对能量比，N表示窗口长度，wj表示第j个窗口，wi,j表示第j个窗口的第i个数对应的电场或磁场，表示对第j个窗口N个数据的平均值，上标O表示本地测点的原始观测数据，上标S表示本地测点的合成信号。
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