CN105866852B - 一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗测量方法，属于地球物理勘探领域，以克服常规大地电磁张量阻抗计算准确度低的缺点。包括以下步骤：分别采集并处理得到基站与参考站的电场和磁场，分别计算基站与参考站的电磁场相干度，当两个电磁场相干度大于某阈值时，保留这些数据段并对数据段进行标记，得到基站与参考站电磁场不受非相关噪声干扰的数据段；然后计算上述标记数据段的基站与参考站的磁场分量相干度，当其大于某阈值时，保留这些磁场不受噪声干扰的数据段，否则将其舍弃不参与后续张量阻抗估算，并利用基于Robust方法的常规远参考大地电磁进行张量阻抗估算，并利用张量估算值计算视电阻率和阻抗相位值。本发明适用于进行大地电磁勘探。
Description
技术领域
本发明属于地球物理勘探领域，尤其是涉及一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法。
背景技术
大地电磁测深法(MT)是在地面上一点或多点同时观测天然变化的、互为垂直的电磁场分量，用以探测地球内部的电性构造。由于其具有野外施工简便、探测深度大等优点，因此该方法在研究深部地质构造、矿产勘查、油气勘探等方面得到了广泛应用。然而在测量大地电磁数据时，常会受到噪声的干扰，而噪声来源主要有以下几个方面：(1)场源噪声。该类噪声包括雷电现象产生的舒曼谐振、太阳风等，舒曼谐振或者雷电活动距离小于远区条件时表现出非平面波场特征，太阳风和雷电活动信号频段不重合导致了大地电磁信号死频带。(2)地质噪声。由于测区内地质环境对大地电磁场以及地下介质导电性造成影响的因素称为地质噪声。地质噪声一般由浅部电性不均匀体和地形起伏、电极坑位置等引起。(3)人文噪声，即人类活动对电磁场所产生的噪声，来源于汽车、火车等现代交通工具，以及通讯所使用的雷达站、有线广播、无线电台、电话网等等，还有除此之外的各类电力电气设备。这些噪声对后续张量阻抗估算的准确性造成了严重影响。
远参考大地电磁方法是消除上述噪声中非相关噪声的有效方法，其思路是野外观测采用卫星同步技术对基站和参考站两个测点同步采集电磁数据，在进行张量阻抗估算时，利用所采集相同时间段的的全部资料进行远参考处理。这种处理方式利用不受非相关噪声干扰的参考站数据，并基于基站与参考站噪声的非相关性以修正本地测站的功率谱，从而得到修正之后的测深曲线，以得到张量阻挡的真实值。然而，上述结果是基于参考站不受噪声干扰，或者所受干扰与基站噪声不相关的情况作为假设的，但是由于工业社会发展，电磁干扰越来越严重，参考站一般都会受到较强烈的噪声干扰，这时，如果利用常规远参考处理，不仅不能得到正确的测深曲线，反而会使“飞点”增多；虽然常规远参考可以选择利用磁道或者电道进行远参考对比处理，但是由于电磁干扰一般不会单独存在于电道或者磁道，所以即便利用电道和磁道做处理，很多时候也不能得到正确的测深曲线；已有研究表明，即使远参考站所受噪声干扰与基站噪声不相关，但是当参考站或者基站所受到的干扰异常强烈时，利用常规远参考也不能得到较连续的测深曲线。采用现有方法依然会导致测深曲线“飞点”较多，畸变严重，影响阻抗估算的准确度，此外，这种畸变严重的测深曲线为后续数据反演和地质解释带来困难，甚至会得到错误的电性结构模型，直接影响了大地电磁测深法的勘探效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的上述缺点，提供一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法，该方法能够有效提高张量阻抗估算的准确性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法，包括以下步骤：
(1)分别采集并测量基站与参考站的电场和磁场，并对其进行滤波和放大转换，分别得到基站与参考站的电场数字信号和磁场数字信号，其中，在采集时需要保证基站与参考站采集数据的时间段和采样率的一致性；
(2)根据基站的电场数字信号和磁场数字信号形成基站的电场与磁场的互功率谱，并根据互功率谱计算基站的电磁场相干度当时，保留互功率谱中该电磁场相干度对应的电场和磁场的数据段，并对该数据段进行标记，得到基站电磁场不受非相关噪声干扰的数据段SegmentSSl，l为数据段编号，CohSSthr为预设基站电磁场相干度的阈值，其取值范围为0≤CohSSthr<1，定义如下：
其中，i、j表示x、y方向，n为独立观测的数据段段数，k为独立观测的数据段的序号，为Ei与Hj的互功率谱，为Ei的自功率谱，为Hj的自功率谱，Ei为i方向的电场强度，Hj为j方向的磁场强度，脚标中的S表示基站；
(3)根据参考站的电场数字信号和磁场数字信号形成参考站的电场与磁场的互功率谱，并根据互功率谱计算参考站的电磁场相干度当时，保留参考站的互功率谱中该电磁场相干度对应的电场和磁场的数据段并进行标记，得到参考站电磁场不受非相关噪声干扰的数据段SegmentRRm，m为数据段编号，CohRRthr为预设参考站电磁场相干度的阈值，其取值范围为0≤CohRRthr<1，定义如下：
其中，i、j表示x、y方向，n为独立观测的数据段段数，k为独立观测的数据段的序号，表示Ei与Hj的互功率谱，为Ei的自功率谱，为Hj的自功率谱，Ei为i方向的电场强度，Hj为j方向的磁场强度，脚标中的R表示参考站；
(4)计算基站SegmentSSl中的磁场分量与参考站SegmentRRm中磁场分量相干度当时，直接进入步骤(6)，否则进入步骤(5)，其中，CohHRSthr为预设基站与参考站的数据段的磁场相干度的阈值，其取值范围为0≤CohHRSthr<1，的定义如下：
其中，i表示x、y方向，n为独立观测的数据段段数，k为独立观测的数据段的序号，表示Hsi与HRi的互功率谱，为HSi的自功率谱，为HRi的自功率谱，Hsi为基站i方向的磁场强度，HRi为参考站i方向的磁场强度，脚标中的R表示参考站，S表示基站；
(5)舍弃不满足对应的磁场与电场分量的数据段，将这些数据段置零，得到磁场不受噪声干扰的基站与参考站数据段，并统计这些数据段的段数SegmentHSR，判断SegmentHSR段数是否大于预设段值，如果大于预设段值，则进行步骤(6)，否则以0.1为步长减小CohHRSthr并返回步骤(4)，直至SegmentHSR≥预设段值；
(6)进行张量阻抗估算得到张量估算值，并利用张量估算值计算视电阻率和阻抗相位值，并将结果以图形方式显示。
进一步的，步骤(6)中估算张量阻抗的方法为基于Robust的常规远参考大地电磁阻抗计算方法。
具体的，CohSSthr、CohRRthr、CohHRSthr的优选区间为[0.8，1)。
优选的，所述预设段值的范围为[4,min(m,l)]。
本发明的有益效果是：克服常规远参考大地电磁处理方法仅关注基站噪声与参考站噪声之间的非相关性，而忽视了基站信号与参考站信号相关性这一缺陷，本发明同时关注基站电磁信号相关性、参考站电磁信号相关性以及参考站与基站磁场相关性，利用这些参数之间的相关性来修正基站的功率谱，剔除基站磁场受干扰的数据段，以避免对张量阻抗估算结果造成畸变，从而得到正确的张量阻抗测深曲线，提高了大地电磁的勘探准确度，使用范围较广。本发明适用于计算大地电磁阻抗张量参数。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2为常规方法远参考大地电磁数据处理结果；
图3为使用本发明的基于磁场相关的远参考大地电磁处理结果；
图4为周期T＝107.6347s时常规远参考大地电磁处理的中间数据；
图5为周期T＝107.6347s时使用本发明的基于磁场相关的远参考大地电磁处理的中间数据。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法，包括以下步骤：
使用两个100欧姆·米的均匀半空间标准时间序列进行模拟试算，基站磁场Hy时间序列前半段时间受到主动源的干扰，参考站电磁场未受噪声影响。
(1)分别采集并测量基站与参考站的电场和磁场，并对电场和磁场进行滤波和放大转换，分别得到基站与参考站的电场数字信号和磁场数字信号，其中，保证基站与参考站采集数据的时间段和采样率的一致性，本例中采样率fs＝1。
(2)计算基站的电磁场相干度具体是根据基站的电场数字信号和磁场数字信号形成基站的电场与磁场的互功率谱，并根据互功率谱，利用公式计算基站的电磁场相干度其中，i、j表示x、y方向，n为独立观测的数据段段数，k为独立观测的数据段的序号，表示Ei与Hj的互功率谱，为Ei的自功率谱，为Hj的自功率谱，Ei为i方向的电场强度，Hj为j方向的磁场强度，脚标中的S表示基站，并设置预设基站电磁场相干度的阈值为CohSSthr，其范围0≤CohSSthr<1。当时，保留互功率谱中该电磁场相干度对应的电场和磁场的数据段，并对该数据段进行标记，得到基站电磁场不受非相关噪声干扰数据段SegmentSSl，其中，脚标里的l为数据段编号，脚标中的SS为基站(Single Site)的缩写。
通常来说，阈值CohSSthr可以0≤CohSSthr<1任意一个数值，只是数值越大，处理效果越好，基于为了得到较好的处理效果考虑，通常使用的范围是0.8≤CohSSthr<1，但若CohSSthr取值过大，但会导致数据段舍弃太多的缺点。以下附图是基于该阈值取值为0.8进行计算的。
(3)计算参考站的电磁场相干度具体是根据参考站的电场数字信号和磁场数字信号形成参考站的电场与磁场的互功率谱，并根据互功率谱利用公式计算参考站的电磁场相干度脚标中的R表示参考站(Remote reference site)，其他标注同上文，并设置预设参考站电磁场相干度的阈值CohRRthr，其取值范围为0≤CohRRthr<1。当时，保留参考站的互功率谱中该电磁场相干度对应的电场和磁场的数据段，并对该数据段进行标记，得到参考站电磁场不受非相关噪声干扰的数据段SegmentRRm，其中，脚标里的m为数据段编号。
通常来说，该阈值CohRRthr可以0≤CohRRthr<1任意一个数值，只是数值越大，处理效果越好，基于为了得到较好的处理效果考虑，通常使用的范围是0.8≤CohRRthr<1，但若CohRRthr取值过大，会导致数据段舍弃太多的缺点。以下附图是基于该阈值取值为0.8进行计算的。
(4)利用公式计算基站SegmentSSl中的磁场分量与参考站SegmentRRm中磁场分量相干度其中，表示Hsi与HRi的互功率谱，Hsi为基站i方向的磁场强度，HRi为参考站i方向的磁场强度，为HSi的自功率谱，为HRi的自功率谱，并设置预设基站与参考站的磁场相干度的阈值为CohHRSthr，其取值范围为0≤CohHRSthr<1。当时，直接进入步骤(6)，否则进入步骤(5)。
通常来说，该阈值CohHRSthr可以0≤CohHRSthr＜1任意一个数值，只是数值越大，处理效果越好，基于为了得到较好的处理效果考虑，通常使用的范围是0.8≤CohHRSthr<1，但若CohHRSthr取值过大，会导致数据段舍弃太多的缺点。以下附图是基于该阈值取值为0.8进行计算的。
(5)舍弃对应的磁场与电场分量的数据段，将这些数据段置零，得到磁场不受噪声干扰的基站与参考站数据段，并统计这些数据段的段数SegmentHSR，判断SegmentHSR段数是否大于预设段值，如果大于预设段值，则进行步骤(6)，否则以0.1为步长减小CohHRSthr并返回步骤(4)，直至SegmentHSR≥预设段值。所述预设段值的范围为4～min(m,l)，min(m,l)表示m和l中的最小值，预设段值的最小值4为一个经验值，小于4会由于功率谱叠加次数不够而导致的计算结果较差。以下附图是基于预设段值为4进行计算的。
(6)利用现有基于Robust方法的常规远参考大地电磁阻抗计算方法进行张量阻抗估算得到张量估算值，并基于现有技术利用张量估算值计算视电阻率和阻抗相位值，将结果以图形方式显示。所述未详细阐述的方法属于本领域公知技术。以下实例采用的是基于Robust的常规远参考大地电磁阻抗计算方法，该方法使用广泛，易于实现，且速度较快。
图2为常规远参考大地电磁所计算的测深曲线，图3为使用本发明的基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法所计算的测深曲线，比较两图，看出使用本发明的基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法所计算的两个方向的视电阻率都在100欧姆·米附近，阻抗相位在45°附近，能够准确计算出测深曲线，而常规远参考大地电磁计算测深曲线失败。
图4表示在周期T＝107.6347s时，常规远参考大地电磁处理的中间数据。其中，图4a、图4b、图4c分别表示Ex、Ey和Hy的功率谱，横坐标表示数据段序号；图4d中黑色实心圆点表示磁场极化方向，黑色空心圆圈表示电场极化方向，横坐标表示数据段序号；图4e表示基站与参考站之间的磁场相干度，横坐标表示数据段序号；图4f表示阻抗张量Zxy，其中横坐标为实部，纵坐标为虚部。
可以看出，Hy道的前半数据段(图4c)由于受强烈主动源干扰而导致功率谱值明显增加，比正常幅值大至少一个数量级；从极化方向图也可看出，磁场极化方向(图4d中黑色实心圆点)在前半段数据段具有很强的一致性，不符合天然大地电磁信号极化方向无序的规律；基站与参考站之间的磁场相干度前半数据段较低(图4e)，相干度在0.2-0.4之间，由于后半段时间基本不受干扰，相干度很高，基本接近于1；阻抗张量Zxy较分散，出现两个聚合，一个是基本在(0，0)附近出现聚合，另一个在(1.5，-1.5)附近出现聚合，由于数据在两个中心周围聚合，所以该周期(107.6347s)下的测深曲线会出现跳动，可以从图2的结果中看出来。
图5中各图说明如图4，设置基站电磁场相干度阈值CohSSthr＝0.8，参考站电磁场相干度阈值CohRRthr＝0.8，基站与参考站磁场分量相干度阈值将受噪声干扰数据段剔除，剔除之后的Ex、Ey和Hy的功率谱如图5a、图5b、图5c所示，可以看出利用上述相干度对功率谱的筛选，已经将Hy道受强烈主动源干扰导致的高值功率谱数据段剔除(图5c)，所保留数据段的电场极化方向(图5d中黑色空心圆圈)和磁场极化方向(图5d中黑色实心圆点)无明显优势方向，符合天然电磁场规律，磁场相干度较高(图5e)，阻抗张量Zxy表现出仅在一个中心(1.5，-1.5)聚合。对所有频率下的功率谱都按照此规则进行筛选，最后得到的视电阻率和相位曲线如图3所示，对比图2中常规远参考大地电磁法处理结果，得到了100欧姆米的电阻率值和45°的阻抗相位真值，其测深曲线变得光滑连续，提高了测深曲线质量。
本发明的方法是在大地电磁测深法中，在进行张量阻抗估算之前，同时利用基站电磁场相干度以及参考站电磁场相干度避免基站与参考站非相关噪声的干扰，并利用基站与参考站之间磁场相关度避免磁场噪声对张量阻抗计算结果的影响，从而得到能反映地下真实电性结构的测深曲线，提高了大地电磁的勘探效果。本发明使用范围较广，利用天然电磁场勘探的音频大地电磁法(AMT)、宽频大地电磁法(MT)和长周期大地电磁法(LMT)皆可使用。
Claims (4)
1.一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分别采集并测量基站与参考站的电场和磁场，并对电场和磁场进行滤波和放大转换，分别得到基站与参考站的电场数字信号和磁场数字信号，其中，在采集时需要保证基站与参考站采集数据的时间段和采样率的一致性；
(2)根据基站的电场数字信号和磁场数字信号形成基站的电场与磁场的互功率谱，并根据互功率谱计算基站的电磁场相干度当时，保留互功率谱中该电磁场相干度对应的电场和磁场的数据段，并对该数据段进行标记，得到基站电磁场不受非相关噪声干扰的数据段SegmentSSl，l为数据段编号，CohSSthr为预设基站电磁场相干度的阈值，其取值范围为0≤CohSSthr<1，定义如下：
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其中，i、j表示x、y方向，n为独立观测的数据段段数，k为独立观测的数据段的序号，为Ei与Hj的互功率谱，为Ei的自功率谱，为Hj的自功率谱，Ei为i方向的电场强度，Hj为j方向的磁场强度，脚标中的S表示基站；
(3)根据参考站的电场数字信号和磁场数字信号形成参考站的电场与磁场的互功率谱，并根据互功率谱计算参考站的电磁场相干度当时，保留参考站的互功率谱中该电磁场相干度对应的电场和磁场的数据段并进行标记，得到参考站电磁场不受非相关噪声干扰的数据段SegmentRRm，m为数据段编号，CohRRthr为预设参考站电磁场相干度的阈值，其取值范围为0≤CohRRthr<1，定义如下：
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其中，i、j表示x、y方向，n为独立观测的数据段段数，k为独立观测的数据段的序号，表示Ei与Hj的互功率谱，为Ei的自功率谱，为Hj的自功率谱，Ei为i方向的电场强度，Hj为j方向的磁场强度，脚标中的R表示参考站；
(4)计算基站SegmentSSl中的磁场分量与参考站SegmentRRm中磁场分量相干度当时，直接进入步骤(6)，否则进入步骤(5)，其中，CohHRSthr为预设基站与参考站的磁场相干度的阈值，其取值范围为0≤CohHRSthr<1，的定义如下：
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其中，i表示x、y方向，n为独立观测的数据段段数，k为独立观测的数据段的序号，表示Hsi与HRi的互功率谱，为HSi的自功率谱，为HRi的自功率谱，Hsi为基站i方向的磁场强度，HRi为参考站i方向的磁场强度，脚标中的R表示参考站，S表示基站；
(5)舍弃不满足对应的磁场与电场分量的数据段，将这些数据段置零，得到磁场不受噪声干扰的基站与参考站数据段，并统计这些数据段的段数SegmentHSR，判断SegmentHSR段数是否大于预设段值，如果大于预设段值，则进行步骤(6)，否则以0.1为步长减小CohHRSthr并返回步骤(4)，直至SegmentHSR≥预设段值；
(6)进行张量阻抗估算得到张量估算值，并利用张量估算值计算视电阻率和阻抗相位值，将结果以图形方式显示。
2.如权利要求1所述的一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法，其特征在于，步骤(6)中估算张量阻抗的方法为基于Robust的远参考大地电磁阻抗计算方法。
3.如权利要求1或2所述的一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法，其特征在于，CohSSthr、CohRRthr、CohHRSthr的优选区间为[0.8，1)。
4.如权利要求1所述的一种基于相关性检测的远参考大地电磁阻抗计算方法，其特征在于，所述预设段值的范围为[4,min(m,l)]。
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