CN107526111A - 针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法，包括：在测区内布设地面参考站，并进行电磁数据的采集，得到含有天电噪声的地面参考站数据；利用含有天电噪声的地面参考站数据进行处理，提取出天电噪声数据；以及将姿态校正后的航空电磁数据和提取出的天电噪声数据按照相同的起止时间截取相同的长度，然后对应作差，得到去除天电噪声的航空电磁数据。该方法简单易行，不需要进行其他复杂的数学计算，也不需要对半航空瞬变电磁法得到的数据进行叠加运算，因此大大提高了系统的水平分辨率，且不受电磁信号和天电噪声的频带影响，能够精确的识别和提取天电噪声的波形，因此能够更加精确地去除天电噪声。
Description
技术领域
本公开属于电法勘探领域，涉及一种针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法。
背景技术
半航空瞬变电磁法(Semi-airborne transient electromagnetic method，S-ATEM)是一种利用敷设于地表的回线源或接地导线源发射电磁脉冲信号，利用有人或无人飞行器携带接收设备在空中接收的混合系统。敷设于地表的发射源利用脉冲电流激励大地，同时通过空中的接收系统采集大地的响应，通过地下介质响应确定地下目标体。S-ATEM法既具有地面电磁法(Electromagnetic method，EM)发射功率大、探测深度大等优点，又具有航空电磁法(Airborne electromagnetic method，AEM)探测效率高、适用范围广等优点。
天电是指大气层中积贮的电荷放电而引起的电磁辐射，是电磁波在地面-电离层波导传播的现象，雷电便是一种最强烈的天电干扰。如果在附近有雷电发生或者经地面-电离层波导的多重反射，天电噪声通常直接传播到探测地点。天电噪声具有很宽的频谱，主要频段集中在5Hz到1kHz的极低频段与2kHz到10kHz的超低频段。
因此S-ATEM系统在飞行测量过程中，容易受到自然界天电噪声的干扰，这会降低电磁信号的信噪比。另外，天电噪声不仅会影响数据处理结果的准确性，而且会影响系统的探测深度，因此研究半航空电磁(S-ATEM)系统天电噪声的去除方法具有重要的现实意义：
1)在天电噪声水平很严重的情况下，仍然可以进行有效的勘查测量，无需等待天电水平降低；
2)天电噪声的去除能够增大信噪比，有助于提高对小异常目标体的分辨能力；
3)天电噪声对水平分量影响较大，天电噪声的有效去除能够实现水平分量与垂直分量的有效运用。
现有的研究中去除天电噪声的方法主要针对航空电磁法(AEM)数据，且大多数的方法中将天电噪声与工频噪声和随机电磁噪声利用滤波方法整体去除。其中，有研究提出了裁剪法，首先识别天电，然后对天电数据进行裁剪后插值或者舍弃整条衰减曲线，该种方法在天电情况较多时，数据的插值会带来引入误差，同时直接裁剪掉天电数据，会影响叠加次数，从而影响信噪比。也有的研究给出了中值滤波、裁剪平均法和M值估计法，由于叠加的窗比较短，不适合天电很多的情况。另外的研究中有的利用小波变换对天电进行去除，但是当局部出现较大的天电干扰时，对衰减曲线特性有一定的影响。
CN105652325A公开了一种基于指数拟合-自适应卡尔曼的地空电磁数据去噪方法。该发明针对地空测量的单点电磁数据，根据地空时域电磁数据近似e指数规律衰减的特征，提取每时段内数据的时间常数值作为拟合参数，采用e指数拟合方法对每时段内的数据进行处理，将拟合输出结果作为预测值输入到滤波器中，再应用自适应标量卡尔曼滤波方法对数据进行电磁噪声滤除。该滤波器设计针对一个单点电磁数据的综合噪声滤波方法，对各种电磁噪声都有一定的抑制能力，但是半航空系统中各种电磁噪声的幅频特性差异明显，运动噪声的频率范围是n Hz～10n Hz，而天电噪声的频率范围在n kHz～10n kHz，因此这种滤波器的宽频带特性导致该滤波器在针对某一种特定噪声时消除效果不理想。
综上可知，天电噪声频率范围较宽，与电磁信号频带有一定的重合，使用滤波方法去除，会影响电磁信号数据质量，同时滤波器带宽有限，会导致滤波器带外噪声滤除不够干净，去除效果差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法，包括：在测区内布设地面参考站，并进行电磁数据的采集，得到含有天电噪声的地面参考站数据；利用含有天电噪声的地面参考站数据进行处理，提取出天电噪声数据；以及将姿态校正后的航空电磁数据和提取出的天电噪声数据按照相同的起止时间截取相同的长度，然后对应作差，得到去除天电噪声的航空电磁数据。
在本公开的一些实施例中，利用含有天电噪声的地面参考站数据进行处理，提取出天电噪声数据包括：将含有天电噪声的地面参考站数据拆分为K个长度为n的周期信号和长度为r的剩余信号；将K个长度为n的周期信号对应采样点求和并取均值，获得一个长度为n的叠加电磁信号；将长度为n的叠加电磁信号拼接K次并延长长度r至与含有天电噪声的地面参考站数据长度相等，得到不含天电噪声的信号；以及将含有天电噪声的地面参考站数据与不含天电噪声的信号作差，获得该区域的天电噪声数据；其中，K＝[N/n]，N＝K·n+r，n＜N；K为大于1的自然数；N为含有天电噪声的地面参考站数据的长度；[*]表示取整运算。
在本公开的一些实施例中，在测区内布设地面参考站包括：将地面参考站布设区域设置在发射源两侧，并对称分布。
在本公开的一些实施例中，发射源为接地的发射导线，该发射导线的长度为L；地面参考站布设区域为长L/2，宽L/4的矩形，距离发射源最近距离为L/4。
在本公开的一些实施例中，在地面参考站布设区域选取地面参考站包括：在地面参考站布设区域选择一点，并采集电磁数据，根据采集到的电磁数据是否饱和确定该点是否作为参考站：如果数据不饱和，则该处可作为参考站使用；如果数据出现饱和情况，则将该点在地面参考站布设区域内移动，直至数据不饱和为止，对应的数据不饱和的点作为地面参考站。
在本公开的一些实施例中，获取姿态校正后的航空电磁数据包括：将半航空电磁系统飞行作业获取的航空电磁数据进行姿态校正，得到姿态校正后的航空电磁数据。
在本公开的一些实施例中，将半航空电磁系统飞行作业获取的航空电磁数据进行姿态校正包括：将半航空电磁系统飞行作业获取的航空电磁数据变换至与所述地面参考站数据相同的直角坐标系下，进行姿态校正；其中，该姿态校正满足：
H＝RH′
式中，H为旋转后矩阵；R为旋转矩阵；H′为被旋转矩阵；δP，δR，δY分别为传感器吊舱在俯仰、横滚、航向三个方向上的角度变化值。
在本公开的一些实施例中，将姿态校正后的航空电磁数据和提取出的天电噪声数据按照相同的起止时间截取相同的长度包括：对姿态校正后的航空电磁数据和所述天电噪声数据的长度进行对比判断；以及将姿态校正后的航空电磁数据和所述天电噪声数据二者中长度较长的一个进行截取，截取与另外一个长度起止时间相同的长度。
在本公开的一些实施例中，针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法还包括：对去除天电噪声的航空电磁数据进行反演，转换成飞行坐标系下去除天电噪声的航空电磁数据。
在本公开的一些实施例中，对去除天电噪声的航空电磁数据进行反演满足：
H＝RH′
式中，H为实际采集数据；R为旋转矩阵；H′为姿态校正后数据；δP，δR，δY分别为传感器吊舱在X轴、Y轴、Z轴三个方向上的角度变化值；
其中，去除天电噪声的航空电磁数据为姿态校正后数据，飞行坐标系下去除天电噪声的航空电磁数据为实际采集数据。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法，具有以下有益效果：
通过在地面布设一套基站采集天电噪声信号，然后将天电噪声提取出来，从航空电磁数据中将天电噪声直接相减去除，方法简单易行，不需要进行其他复杂的数学计算，也不需要对半航空瞬变电磁法得到的数据进行叠加运算，因此大大提高了系统的水平分辨率，且不受电磁信号和天电噪声的频带影响，能够精确的识别和提取天电噪声的波形，因此能够更加精确地去除天电噪声。
附图说明
图1为根据本公开实施例半航空电磁系统采集数据方式及地面参考系统布设示意图。
图2为根据本公开实施例针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法流程图。
图3为根据本公开实施例图2所示流程图的具体实施步骤流程图。
图4A为根据本公开实施例地面参考站最佳布设区域示意图。
图4B为根据本公开实施例地面参考站的布设流程图。
图5为根据本公开实施例从地面参考站获取数据中提取天电噪声的流程图。
图6为根据本公开实施例图5所示流程利用实测地面基站数据提取天电噪声的过程示意图。
图7为根据本公开实施例半航空电磁系统在去除天电噪声前后的结果对比图。
具体实施方式
本公开提供了一种针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法，通过在地面布设一套地面参考站采集天电噪声信号，然后将天电噪声提取出来，从航空电磁数据中将天电噪声直接相减去除，大大提高了系统的水平分辨率，且不受电磁信号和天电噪声的频带影响，能够精确的识别和提取天电噪声的波形，因此能够更加精确地去除天电噪声。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开的第一个实施例提供了一种针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法。
图1为根据本公开实施例半航空电磁系统采集数据方式及地面参考系统布设示意图；图2为根据本公开实施例针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法流程图；图3为根据本公开实施例图2所示流程图的具体实施步骤流程图。
由图1可知，半航空电磁(S-ATEM)系统利用长度为数千米的接地导线为发射源，向地下发射具有一定占空比的双极性方波，当电流波形关断瞬间，激励地下介质产生感应电磁场即二次场，二次场被安装于飞行平台的接收系统接收，如图1中所示，接收系统对应接收机和传感器，接收二次场，并通过数据处理获得地下介质的电阻率分布信息。
结合图1、图2和图3所示，本公开的针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法，包括：
步骤S102：在测区内布设地面参考站，并进行电磁数据的采集，得到含有天电噪声的地面参考站数据；
在测区内布设地面参考站的位置选取会影响接收到的电磁场信号的质量，本实施例中介绍地面参考站的最佳布设区域的选择过程，但不公开不局限于最佳布设区域，实际操作中，地面参考站也可以位于非最佳的其他位置。
图4A为根据本公开实施例地面参考站最佳布设区域示意图；图4B为根据本公开实施例地面参考站的布设流程图。
参照图4A，其中的接地的发射导线的长度为L，为发射源，根据导线发射源的电磁场分布特征，将参考站布设区域设置在发射源两侧，并对称分布，该区域为长L/2，宽L/4的矩形，距离发射源最近距离为L/4，在该区域内电磁场信号强度适中，分布较为均匀，如图4A中对称分布的矩形阴影区域所示，为最佳地面参考站的布设区域。
参照图4B，地面参考站的布设过程包括：首先在测区内布设发射导线，确定测区坐标系统及发射参数；然后选择图4A所示矩形区域的中心点布设参考站，采集电磁数据，并根据采集到的电磁数据是否饱和确定该点是否作为参考站：如果数据不饱和，则该点可作为参考站使用，并在该处进行电磁数据采集；如果数据出现饱和情况，则将参考站选取点沿Y轴方向向两侧移动直至参考站数据不饱和为止，对应的数据不饱和的点即可作为地面参考站，然后进行电磁数据的采集，得到含有天电噪声的地面参考站数据。
特别强调的是，以上选取地面参考站的点的移动方式并不局限于沿Y轴方向向两侧移动，这里只是举例说明，实际操作中，只要该点在布设区域内，且满足采集到的电磁数据不饱和，便可以作为地面参考站使用，具体移动方式不作限定。
步骤S104：利用含有天电噪声的地面参考站数据进行处理，提取出天电噪声数据；
图5为根据本公开实施例从地面参考站获取数据中提取天电噪声的流程图。
本实施例中，电磁数据采样率为p，电磁信号发射频率f，电磁信号周期T＝1/f，每个周期数据长度n＝pT，地面参考站电磁数据S的长度为N。参照图3和图5，将地面参考站数据4拆分为K个长度为n的周期信号和长度为r的剩余信号，其中，K＝[N/n]，N＝K·n+r，K为正整数；然后将K个长度为n的周期信号对应采样点求和并取均值，获得一个长度为n的叠加电磁信号s；将长度为n的叠加电磁信号s拼接K次并延长长度r至与数据S等长度，得到数据S’，为不含天电噪声的精确信号5；接着利用含有天电噪声的地面参考站数据4与不含天电噪声的精确信号5作差，获得该区域的天电噪声数据6。
其中，周期信号的个数K为大于1的自然数。
步骤S112：将半航空电磁系统飞行作业获取的航空电磁数据进行姿态校正，得到姿态校正后的航空电磁数据；
参照图3，半航空电磁系统飞行作业获取的信号包括：航空电磁数据1以及传感器姿态数据2，是包含天电噪声与其他噪声的信号数据，将其变换至与地面参考站数据相同的直角坐标系下，进行姿态校正，得到姿态校正后的航空电磁数据3；
其中，姿态校正采用如下公式：
H＝RH′ (1)
式中，H为旋转后矩阵；R为旋转矩阵；H′为被旋转矩阵；δP，δR，δY分别为传感器吊舱在俯仰、横滚、航向三个方向上的角度变化值。
旋转后矩阵即为姿态校正后的航空电磁数据，对应的直角坐标系；被旋转矩阵为飞行坐标系下的航空电磁数据。
步骤S202：将姿态校正后的航空电磁数据和提取出的天电噪声数据按照相同的起止时间截取相同的长度，然后对应作差，得到去除天电噪声的航空电磁数据；
提取姿态校正后的航空电磁数据和天电噪声数据的起止时间，截取相同时间段内的两组数据，分别得到相同时间长度的数据Sa和Sf，然后用数据Sa减去数据Sf得到去除天电噪声的航空电磁数据。
具体过程参见图3，对姿态校正后的航空电磁数据3和天电噪声数据6的长度进行对比判断：如果姿态校正后的航空电磁数据3的长度大于天电噪声数据6的长度，那么从姿态校正后的航空电磁数据3中截取出与天电噪声数据6具有相同起止时间的长度段，得到航空电磁数据8，然后将天电噪声数据6从航空电磁数据8中减去，得到去除天电噪声的航空电磁数据9；如果姿态校正后的航空电磁数据3的长度小于天电噪声数据6的长度，那么从天电噪声数据6中截取出与姿态校正后的航空电磁数据3具有相同起止时间的长度段，得到天电噪声数据7，然后将天电噪声数据7从姿态校正后的航空电磁数据3中减去，得到去除天电噪声的航空电磁数据9。总之，对姿态校正后的航空电磁数据和天电噪声数据的长度进行对比判断；以及将姿态校正后的航空电磁数据和天电噪声数据二者中长度较长的一个进行截取，截取与另外一个长度起止时间相同的长度。
本实施例中，去除天电噪声的航空电磁数据9为姿态校正后数据，将其进一步根据公式(1)和(2)进行反演，转换成飞行坐标系下去除天电噪声的航空电磁数据，即：实际采集数据，如图3所示。
此时，对应的公式(1)和公式(2)中的参数含义发生变化，其中各个参数的含义如下：H为实际采集数据；R为旋转矩阵(表达式发生变化)；H′为姿态校正后数据；δP，δR，δY分别为传感器吊舱在X轴、Y轴、Z轴三个方向上的角度变化值。
需要说明的是，最后的变换坐标系进行反演的步骤并不是本公开解决去除天电噪声所必须的步骤。
需要说明的是，本实施例中的步骤S102和S104之间按照顺序执行，而步骤S112和步骤S102之间是并列的，并不存在先后顺序；步骤S202是在以上步骤都执行完之后进行。
根据本公开实施例所示的针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法进行了实验。根据步骤S102所示的方法布设地面基站，并获得含有天电噪声的实测地面基站数据，然后根据图5所示流程进行天电噪声的提取，得到去除天电噪声的航空电磁数据。
图6为根据本公开实施例图5所示流程利用实测地面基站数据提取天电噪声的过程示意图；图7为根据本公开实施例半航空电磁系统在去除天电噪声前后的结果对比图。
图6中的上图为地面参考站某周期的响应波形图，中图为地面参考站周期叠加后精确的周期响应波形图；下图为上图与中图的数据作差后提取的天电噪声波形图；然后将图6中的下图提取得到的天电噪声波形图与含天电噪声的原始信号按照起止时间相同截取相同的长度作差，得到去除天电噪声后的信号，含天电噪声的原始信号如图7中上图所示，去除天电噪声后信号如图7中下图所示；可见，本公开的天电噪声提取与去除的方法不受电磁信号和天电噪声的频带影响，能够精确的识别和提取天电噪声的波形。
综上所述，本公开提供了一种针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法，通过在地面布设一套地面参考站采集天电噪声信号，然后将天电噪声提取出来，从航空电磁数据中将天电噪声直接相减去除，大大提高了系统的水平分辨率，且不受电磁信号和天电噪声的频带影响，能够精确的识别和提取天电噪声的波形，因此能够更加精确地去除天电噪声。
需注意，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。当然，根据实际需要，本公开针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法还包含其他的方法和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种针对半航空电磁系统的天电噪声提取与去除的方法，包括：
在测区内布设地面参考站，并进行电磁数据的采集，得到含有天电噪声的地面参考站数据；
利用含有天电噪声的地面参考站数据进行处理，提取出天电噪声数据；以及
将姿态校正后的航空电磁数据和提取出的天电噪声数据按照相同的起止时间截取相同的长度，然后对应作差，得到去除天电噪声的航空电磁数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述利用含有天电噪声的地面参考站数据进行处理，提取出天电噪声数据包括：
将含有天电噪声的地面参考站数据拆分为K个长度为n的周期信号和长度为r的剩余信号；
将K个长度为n的周期信号对应采样点求和并取均值，获得一个长度为n的叠加电磁信号；
将长度为n的叠加电磁信号拼接K次并延长长度r至与所述含有天电噪声的地面参考站数据长度相等，得到不含天电噪声的信号；以及
将含有天电噪声的地面参考站数据与不含天电噪声的信号作差，获得该区域的天电噪声数据；
其中，K＝[N/n]，N＝K·n+r，n＜N；K为大于1的自然数；N为含有天电噪声的地面参考站数据的长度；[*]表示取整运算。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在测区内布设地面参考站包括：将地面参考站布设区域设置在发射源两侧，并对称分布。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述发射源为接地的发射导线，该发射导线的长度为L；所述地面参考站布设区域为长L/2，宽L/4的矩形，距离发射源最近距离为L/4。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述地面参考站布设区域选取地面参考站包括：
在地面参考站布设区域选择一点，并采集电磁数据，根据采集到的电磁数据是否饱和确定该点是否作为参考站：如果数据不饱和，则该处可作为参考站使用；如果数据出现饱和情况，则将该点在地面参考站布设区域内移动，直至数据不饱和为止，对应的数据不饱和的点作为地面参考站。
6.根据权利要求1所述的方法，获取所述姿态校正后的航空电磁数据包括：
将半航空电磁系统飞行作业获取的航空电磁数据进行姿态校正，得到姿态校正后的航空电磁数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述将半航空电磁系统飞行作业获取的航空电磁数据进行姿态校正包括：
将半航空电磁系统飞行作业获取的航空电磁数据变换至与所述地面参考站数据相同的直角坐标系下，进行姿态校正；
其中，所述姿态校正满足：
H＝RH′
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式中，H为旋转后矩阵；R为旋转矩阵；H′为被旋转矩阵；δP，δR，δY分别为传感器吊舱在俯仰、横滚、航向三个方向上的角度变化值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将姿态校正后的航空电磁数据和提取出的天电噪声数据按照相同的起止时间截取相同的长度包括：
对所述姿态校正后的航空电磁数据和所述天电噪声数据的长度进行对比判断；以及
将所述姿态校正后的航空电磁数据和所述天电噪声数据二者中长度较长的一个进行截取，截取与另外一个长度起止时间相同的长度。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，还包括：
对去除天电噪声的航空电磁数据进行反演，转换成飞行坐标系下去除天电噪声的航空电磁数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述对去除天电噪声的航空电磁数据进行反演满足：
H＝RH′
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式中，H为实际采集数据；R为旋转矩阵；H′为姿态校正后数据；δP，δP，δY分别为传感器吊舱在X轴、Y轴、Z轴三个方向上的角度变化值；
其中，去除天电噪声的航空电磁数据为姿态校正后数据，飞行坐标系下去除天电噪声的航空电磁数据为实际采集数据。
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