CN106679795B - 电磁探测噪声测量系统及降噪方法 - Google Patents

电磁探测噪声测量系统及降噪方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电磁探测噪声测量系统及降噪方法，该系统包括一个与发射机连接的发射电极和与发射电极距离预设测量间距处的接收电极组，每个接收电极均与信号采集装置连接；还包括设置在相邻接收电极之间的噪声测量电极，噪声测量电极与信号采集装置连接；发射电极与接收电极处于同一测线方向上；噪声测量电极的布设方向与测线方向正交。本发明的电磁探测噪声测量系统及降噪方法，通过在相邻接收电极之间布设噪声测量电极，使发射电极与接收电极处于同一测线方向上，噪声测量电极的布设方向与测线方向正交，达到既有效采集接收端接收信号，又能采集接收端的背景噪声信号，后续根据预设降噪模型对各种信号进行降噪处理，得到所需的真实场信号。

Description

电磁探测噪声测量系统及降噪方法
技术领域
本发明涉及地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种电磁探测噪声测量系统及降噪方法。
背景技术
电磁探测具有成本低、方便快捷、分辨率高的特点，尤其适用于金属矿藏探测，目前已成为地球物理勘探领域中的研究热点。
然而一方面在电磁探测中有效信号的强度随着收发距离的增加迅速衰减，在接收端电场强度一般只能达到mV级别；另一方面，随着经济社会的发展，各种背景噪声越来越严重，在部分人文活动频繁的工区，尖峰干扰与电力干扰强度极大，有效信号往往被这些背景噪声所淹没。
目前常见的降噪手段是增大发射功率、多次发射进行数据叠加、使用工频陷波等数字信号处理手段进行噪声滤除。但对于大收发距情况下，增大发射功率带来的效果微乎其微。多次发射进行数据叠加只能对随机噪声进行压制，无法滤除人文噪声，而当噪声含量复杂时，一般的数字滤波技术也很难取得较好的降噪效果。
发明内容
本发明提供一种电磁探测噪声测量系统及降噪方法，用于解决现有技术中降噪效果不好的问题。
第一方面，本发明提供一种电磁探测噪声测量系统，包括：一个与发射机连接的发射电极和与所述发射电极距离预设测量间距处的接收电极组，所述接收电极组包括多个接收电极，每个接收电极均与信号采集装置连接；还包括设置在相邻接收电极之间的噪声测量电极，所述噪声测量电极与信号采集装置连接；
其中，所述发射电极与所述接收电极处于同一测线方向上；所述噪声测量电极的布设方向与所述测线方向正交。
可选地，所述信号采集装置包括示波器。
可选地，所述预设测量间距为4-8km。
可选地，所述发射电极的布设距离为300-600m。
可选地，所述信号采集装置内设存储单元。
第二方面，本发明提供一种电磁探测信号降噪方法，包括：
获取电磁探测区域接收端处的混合信号和噪声信号，所述混合信号包括偶极子场信号和噪声信号，所述混合信号和所述噪声信号均为采用上述系统采集到的信号；
根据混合信号、噪声信号和预设的降噪模型获得对应于所述电磁探测接收端处的偶极子场信号。
可选地，所述降噪模型包括：
噪声信号的计算公式为：mn(t)＝hn(t)*n(t)；
混合信号的计算公式为：
mr(t)＝hr(t)*(n(t)+s(t))＝hr(t)*n(t)+hr(t)*s(t)；
降噪公式为：mr(t)-mn(t)＝hr(t)*n(t)-hn(t)*n(t)+hr(t)*s(t)，其中，hn(t)＝hr(t)，则mr(t)-mn(t)＝hr(t)*s(t)＝hs(t)；
反褶积公式为：f(t)*hs(t)＝f(t)*hr(t)*s(t)＝δ(t)*s(t)＝s(t)；
其中，mn(t)为噪声信号，hn(t)为噪声测量电极的冲激响应，mr(t)为混合信号，hr(t)是所用接收电极的冲激响应，n(t)为真实的噪声信号，mr(t)为混合信号，s(t)为真实的偶极子场信号，*为卷积符号，f(t)为反算子，δ(t)为单位冲激信号。
由上述技术方案可知，本发明的电磁探测噪声测量系统及降噪方法，通过在相邻接收电极之间布设噪声测量电极，使发射电极与接收电极处于同一测线方向上，噪声测量电极的布设方向与测线方向正交，达到既有效采集接收端接收信号，又能采集接收端的背景噪声信号，后续根据预设降噪模型对各种信号进行降噪处理，得到所需的真实场信号。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的电磁探测噪声测量系统的结构分布示意图；
图2为本发明实施例提供的偶极子场的分布示意图；
图3为接收电极采集的信号示意图；
图4为噪声测量电极采集的噪声信号示意图；
图5为降噪后接收信号的示意图；
图6为降噪前后辨识出的大地脉冲响应曲线示意图；
图7为本发明实施例2提供的电磁探测信号降噪方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种电磁探测噪声测量系统，包括：一个与发射机连接的发射电极和与所述发射电极距离预设测量间距处的接收电极组，所述接收电极组包括多个接收电极，每个接收电极均与信号采集装置连接；还包括设置在相邻接收电极之间的噪声测量电极，所述噪声测量电极与信号采集装置连接；其中，所述发射电极与所述接收电极处于同一测线方向上；所述噪声测量电极的布设方向与所述测线方向正交。
如图1所示实施例1提供一种电磁探测噪声测量系统，包括一个与发射机连接的发射电极和与该发射电极距离预设测量间距处的接收电极组，所述接收电极组包括两个接收电极，每个接收电极均与信号采集装置连接。
本系统还包括设置在该两个接收电极之间的噪声测量电极，所述噪声测量电极与信号采集装置连接。
其中，所述发射电极与所述接收电极处于同一测线方向上；所述噪声测量电极的布设方向与所述测线方向正交。
在本发明实施例中，由于电磁探测中的收发距离一般长达数公里，故在本实施例中预设测量间距可为4-8km。所述发射电极的布设距离可为300-600m。该布设距离相对于收发距离来说，所述的发射电极便可等效于一对电偶极子。如图2所示，偶极子场沿轴线呈对称分布，即在轴线方向上存在电势差。这也是噪声测量电极所测量的电压信号，而在轴线两侧(正交方向)的对称位置处为等电势点，电势差为零。本发明所述噪声测量电极的测量点为图2中的等电势点，接收电极的测量点为图2中的电势差点。
在理想状态下，由于等电势点间无电势差，噪声测量电极观测不到任何信号，但实际上，由于存在背景噪声，且其分布不具备对称性，因此噪声测量电极所记录的信号即为全部的背景噪声。
在本发明实施例中，所述信号采集装置可为示波器，用于采集电压信号。
在本发明实施例中，所述信号采集装置可内设存储单元，具有存储采集到的数据的功能。
由于在电磁探测过程中，接收电极采集电压信号并存储，噪声测量电极采集电压信号并存储。噪声测量电极采集的是噪声信号，接收电极采集的是混合信号，即包括偶极子场信号和噪声信号。因此，要得到最终的电磁探测信号需要对获取到的噪声信号及混合信号进行处理。
因此，在处理过程中，各信号采集装置需要将采集到的电压信号发送给用于进行信号处理的处理器中。
该处理器获得信号后，会按照预设的处理步骤对信号进行处理，最终得到所需的电测探测信号。
下面对信号处理步骤进行解释说明：
首先由于偶极子场的分布特性，噪声测量电极布设方向必须正交于测线方向，这样才能保证所测数据全部为背景噪声。
在接收端包含两种信号：沿测线方向的偶极子场信号，即场信号s(t)以及沿正交方向的背景噪声信号n(t)。其中接收电极采集的是二者的混合信号s(t)+n(t)，噪声测量电极采集的是背景噪声信号n(t)。
由于任何测量装置都存在带宽、衰减以及波形畸变，因此测量装置记录到的信号波形往往存在失真，即“真实信号”与“记录信号”之间存在偏差。根据信号与系统理论，“真实信号”与测量装置的“冲激响应”的卷积就是“记录信号”。
为便于区分，用以下符号表示真实信号与记录信号：
s(t)-真实的场信号
n(t)-真实的噪声信号
mn(t)-记录的噪声信号
mr(t)-记录的混合信号
hn(t)-噪声测量电极的冲激响应
hr(t)-接收电极的冲激响应
*-卷积符号
根据信号与系统理论可知：
记录的噪声信号等于噪声测量电极冲激响应与真实噪声信号的卷积，即：
mn(t)＝hn(t)*n(t) (1)
同理，记录的混合信号为：
mr(t)＝hr(t)*(n(t)+s(t))＝hr(t)*n(t)+hr(t)*s(t) (2)
显然(2)式中hr(t)*n(t)为噪声分量，从mr(t)中减去mn(t)以削弱该噪声分量，即：
mr(t)-mn(t)＝hr(t)*n(t)-hn(t)*n(t)+hr(t)*s(t) (3)
可见，只有hn(t)＝hr(t)时，即噪声测量电极与接收电极的冲激响应相同时，噪声分量才能有效剔除，此时(3)式可写作：
mr(t)-mn(t)＝hr(t)*s(t) (4)
如(4)式中，其结果已不包含噪声分量，说明本发明所述噪声测量电极所记录的噪声信号通过信号处理后实现了噪声剔除。
然而(4)式中的hr(t)*s(t)并不是真实的场信号s(t)，直接使用会降低数据质量，因此还需通过反褶积从hr(t)*s(t)中恢复出s(t)。
记hs(t)＝hr(t)*s(t)。
反褶积的目的是从hs(t)中恢复出s(t)。
由于hr(t)是所用接收电极的冲激响应，是已知的。因此可求解一反算子f(t)，使得hr(t)*f(t)＝δ(t)，其中δ(t)为单位冲激信号，δ(t)与任何信号的卷积都等于该信号本身。
对f(t)与hs(t)作卷积运算，有：
f(t)*hs(t)＝f(t)*hr(t)*s(t)＝δ(t)*s(t)＝s(t) (5)
由此可求得真实的场信号s(t)，该信号可用于后期的数据处理且具备较高的信噪比。
具体实施例：为验证本发明所述系统的可行性，在保津高速和廊沧高速相交的西南处，省道S334北东侧进行了一次验证试验。测线南端距离文安县城约4km，测线南北端经纬度分别为38°52'26.15"北；116°24'50.86"东和38°54'13.02"北；116°21'22.65"东。本次试验发射电流30A，发射极布设距离为300m，接收极布设距离为50m，收发距离为4km。
由于测线紧邻省道，因此尖峰干扰严重，另外接收区有输电线及电力变压器，存在严重的电力干扰。图3为接收数据，有用信号几乎完全被噪声淹没。图4为本发明所述噪声测量电极测得的背景噪声数据。对图4数据进行降噪，见图5。
从图5可以看出，进行降噪能够有效压制噪声，降噪后的接收信号能够清楚分辨出发射源信号的包络。分别使用原始接收数据以及降噪后的接收数据对大地脉冲响应曲线进行辨识，辨识结果对比见图6。
可以看出经过本发明所述系统采集数据及对数据降噪后，大地脉冲响应曲线的精度与平滑度得到了提高，经计算，本实施例中脉冲响应曲线的辨识信噪比提高了40dB。
图7示出了本发明实施例2提供一种电磁探测信号降噪方法，包括：
S21、获取电磁探测区域接收端处的混合信号和噪声信号，所述混合信号包括偶极子场信号和噪声信号，所述混合信号和所述噪声信号均为采用上述实施例1所述系统采集到的信号；
S22、根据混合信号、噪声信号和预设的降噪模型获得对应于所述电磁探测接收端处的偶极子场信号。
所述降噪模型包括：
噪声信号的计算公式为：mn(t)＝hn(t)*n(t)；
混合信号的计算公式为：
mr(t)＝hr(t)*(n(t)+s(t))＝hr(t)*n(t)+hr(t)*s(t)；
降噪公式为：mr(t)-mn(t)＝hr(t)*n(t)-hn(t)*n(t)+hr(t)*s(t)，其中，hn(t)＝hr(t)，则mr(t)-mn(t)＝hr(t)*s(t)＝hs(t)；
反褶积公式为：f(t)*hs(t)＝f(t)*hr(t)*s(t)＝δ(t)*s(t)＝s(t)；
其中，mn(t)为噪声信号，hn(t)为噪声测量电极的冲激响应，mr(t)为混合信号，hr(t)是所用接收电极的冲激响应，n(t)为真实的噪声信号，mr(t)为混合信号，s(t)为真实的偶极子场信号，*为卷积符号，f(t)为反算子，δ(t)为单位冲激信号。
针对本实施例中的降噪模型在上述实施例1中有详细解释说明，故在此不对上述各种信息的降噪处理进行再说明。
本发明的电磁探测信号降噪方法，通过在相邻接收电极之间的噪声测量电极，使发射电极与接收电极处于同一测线方向上，噪声测量电极的布设方向与测线方向正交，达到既有效采集接收端接收信号，又能接收端的背景噪声信号，后续根据预设降噪模型对各种信号进行降噪处理，得到所需的真实场信号。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种电磁探测信号降噪方法，其特征在于，包括：
获取电磁探测区域接收端处的混合信号和噪声信号，所述混合信号包括偶极子场信号和噪声信号，所述混合信号和所述噪声信号均为采用电磁探测噪声测量系统采集到的信号；
根据混合信号、噪声信号和预设的降噪模型获得对应于所述电磁探测接收端处的偶极子场信号；
所述降噪模型包括：
噪声信号的计算公式为：mn(t)＝hn(t)*n(t)；
混合信号的计算公式为：
mr(t)＝hr(t)*(n(t)+s(t))＝hr(t)*n(t)+hr(t)*s(t)；
降噪公式为：mr(t)-mn(t)＝hr(t)*n(t)-hn(t)*n(t)+hr(t)*s(t)，其中，hn(t)＝hr(t)，则mr(t)-mn(t)＝hr(t)*s(t)＝hs(t)；
反褶积公式为：f(t)*hs(t)＝f(t)*hr(t)*s(t)＝δ(t)*s(t)＝s(t)；
其中，mn(t)为噪声信号，hn(t)为噪声测量电极的冲激响应，mr(t)为混合信号，hr(t)是所用接收电极的冲激响应，n(t)为真实的噪声信号，s(t)为真实的偶极子场信号，*为卷积符号，f(t)为反算子，δ(t)为单位冲激信号；
所述电磁探测噪声测量系统包括：一个与发射机连接的发射电极和与所述发射电极距离预设测量间距处的接收电极组，所述接收电极组包括多个接收电极，每个接收电极均与信号采集装置连接；还包括设置在相邻接收电极之间的噪声测量电极，所述噪声测量电极与信号采集装置连接；
其中，所述发射电极与所述接收电极处于同一测线方向上；所述噪声测量电极的布设方向与所述测线方向正交。
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