CN107589461B - 一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法，它包括采集阶段：设计双向编码序列，并生成发射驱动信号，发射驱动信号驱动尖脉冲场源向地层发送拟高斯脉冲，并同步记录发射电流信号和响应信号；提取阶段：根据发射电流信号和响应信号得到自相关函数和互相关函数，消除自相关函数对互相关函数的影响，得到大地脉冲响应，通过反演，由大地脉冲响应得到地层电阻率随深度变化的信息。本发明利用双向编码所具有的良好自相关性以及与噪声的低互相关性等特性，有效降低各种工业和人文的电磁干扰对测量的影响，提高信噪比。本发明可以以相对较小的功率发射，有效获取深部地层的弱响应信息，实现深部地层的探测。

Description

一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，具体涉及的是一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法。

背景技术

目前时域电磁勘探技术在野外数据采集过程中无可避免的遇到了由电力输送网、居住区或车辆交通等所产生的电磁干扰影响。许多施工现场存在着异常强烈的电磁干扰，因此导致现场仪器的采集数据不甚理想，而无法保证结果的准确性。

为了提高信噪比和测量精度，常规处理一般采用以下两种方法：一种方法是提高人工源的发射功率，如此将导致装置重量大幅增加，不利于现场野外施工，同时也会明显地增加整体设备的制作成本和技术实现难度，而且当人工源达到一定功率后再增加所得到的改善效果并不明显；另一种方法是增加数据叠加次数，如此将以付出更多的现场采集时间作为代价，既降低了工作效率，也会因此引入更多未知噪声。

基于现状，近些年来国内外许多专家学者在时间域电磁勘探技术基础上研究了一些新的方法和技术，这些研究主要分为两种方向。

一部分是针对时间域电磁法中发射波形对勘探能力影响进行研究，期望通过调整发射波形的形态和发射参数来提高勘探的效果，但没有较大突破，其应用改善效果不明显。

另外一部分是将在通信领域已有成熟应用的伪随机编码技术与电磁勘探方法进行结合，以达到提高信噪比的作用。目前的各种编码方式都是基于方波进行编码，方波编码发射信号的自相关函数存在早期盲区问题，其盲区大小和方波宽度成正比。因此为了提取较理想的大地电磁脉冲响应，需要尽可能的缩小方波宽度，给发射源装置提出了很高的要求，一般很难实现大电流高速切换。由此可见，使用以编码方波作为激励源波形对大地电磁脉冲响应进行辨识，虽然可以在一定程度上带来较高的抗干扰能力，也会因为激励源的自相关性的不足而导致所提取的大地电磁脉冲响应和真实值存在较大的差距，并且因为仪器装备的限制无法实现大电流编码。

基于上述情况，迫切需要研究提出一种更加合理和可靠的大地电磁深部探测方法，从而显著提高了大地电磁脉冲响应提取的准确性。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法，从而显著提高了大地电磁脉冲响应提取的准确性，并能极大地提高最大发射电流值，以从另外一方面改善信噪比。

本发明所述的一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法包括

采集阶段：设计双向编码序列，并生成发射驱动信号，发射驱动信号驱动尖脉冲场源向地层发送拟高斯脉冲，并同步记录发射电流信号和响应信号；

提取阶段：根据发射电流信号和响应信号得到自相关函数和互相关函数，消除自相关函数对互相关函数的影响，得到大地脉冲响应，通过反演，由大地脉冲响应得到地层电阻率随深度变化的信息。

进一步地，所述双向编码序列由不同能量或不同方向的尖脉冲电流信号按不同的时间间隔排列而成，所述双向编码的排列顺序由伪随机编码经过转换而形成。

进一步地，所述双向编码的码元间隔小于等于10s。

进一步地，在采集阶段，设计多种双向编码序列，形成组合式双向编码序列，并生成连续发射的组合式驱动信号。

进一步地，所述拟高斯脉冲的脉冲瞬时电流最大值大于100A；所述拟高斯脉冲的脉冲瞬时功率最大值大于100kW；所述拟高斯脉冲的脉冲宽度小于100ms。

进一步地，所述互相关函数通过离线计算得到，即采集完毕后将所记录的发射电流信号和接收响应信号进行同步时间和完整周期截取后再计算。

进一步地，所述消除发射信号自相关函数对互相关函数的影响包含有两个部分计算，首先将互相关函数除去发射信号自相关函数以矫正幅值，再进行截取中间一个码元间隔周期以去除自相关函数中周期旁瓣的影响。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法使用双向编码作为编码驱动源，产生的发射信号自相关特性良好、与电磁噪声互相关性低，可以有效提高信噪比。本发明使用双向编码序列作为发射信号，再通过相关辨识技术提取大地电磁脉冲响应的方法，可以在不额外增加发射功率和采集时间情况下降低电磁干扰对获取地层信息准确性的影响。

本发明所述尖脉冲时域电磁法是一种以拟高斯脉冲信号为激励源的瞬变电磁法，回避了发射系统的关断时间问题，能极大地提高最大发射电流值，实现大功率仪器小型化，克服了采用阶跃电流为初始激励源及观测方式的诸多不足。

本发明提出了一套完整的基于双向编码尖脉冲时域电磁深层探测方法，可更加准确的提取大地电磁脉冲响应，相对于原有勘探方法，本发明所述方法能够大幅度地提升对大地电磁脉冲响应的辨识精度，并以较小的功率发射，实现对深部地层的勘探。

附图说明

图1是方波伪随机编码和尖脉冲伪随机编码自相关对比图；

图2是本发明所述基于双向编码尖脉冲时域电磁深部探测方法的基本流程框图；

图3-a是电流编码的发射电流示意图；图3-b为方向编码的发射电流示意图；

图4是尖脉冲编码的自相关图；

图5-a是尖脉冲发射方法和阶跃源发射方法分别对大地电磁脉冲的辨识结果对比图，图5-b是本发明双向编码尖脉冲发射方法对大地电磁脉冲的辨识结果；

图6是实际发射电流波形图；

图7是实际观测信号波形图；

图8是收发信号互相关后的结果；

图9是本发明所提取的大地电磁脉冲响应。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过和具体实施对本发明作进一步的详细描述。同时通过说明，本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明提供一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法，用于地球物理电磁方法勘探中，其基本原理是：使用以双向编码尖脉冲为激励的发射源对大地发射电流信号，在观察中使用仪器同步采集发射电流曲线和响应曲线，之后采用基于维纳-霍夫方程原理进行相关辨识处理，经过截取和矫正等处理，实现对大地电磁脉冲响应的高精度辨识。

图1为方波伪随机编码和尖脉冲伪随机编码自相关对比图，该图清晰显示出，基于双向编码的尖脉冲时域电磁深部探测方法的精确度更高。

本发明所述的基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法包括

采集阶段：设计双向编码序列，并生成发射驱动信号，发射驱动信号驱动尖脉冲场源向地层发送拟高斯脉冲，并同步记录发射电流信号和响应信号；

提取阶段：根据发射电流信号和响应信号得到自相关函数和互相关函数，消除自相关函数对互相关函数的影响，得到大地脉冲响应，通过反演，由大地脉冲响应得到地层电阻率随深度变化的信息。

具体地，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：设计编码方案

本发明提供了一种双向编码的尖脉冲作为激励的编码场源发射方案，按照维纳-霍夫方程成立的两个条件对发射波形进行设计，使用伪随机信号中拥有最佳自相关性和最低与电磁干扰噪声互相关性的双向编码为编码驱动源，使用大功率拟高斯脉冲场源为发射装置，以实现最大限度满足维纳-霍夫方程条件，从而保证辨识结果的准确性。

本发明所述的双向编码序列为大功率脉冲序列，由不同能量或不同方向的脉冲电流信号按不同的时间间隔排列而成，所述双向编码的排列顺序由m 序列伪随机编码经过转换而形成。

根据实际勘探任务设计编码方案，所述编码方案的设计参数包含有编码级数、码元间隔、重复周期数、场源编码方案等。

编码级数的选择要考虑当地电磁干扰程度和测量深度等因素。

码元间隔Δt的选择要考虑观察时窗长度等因素。为预留足够的时间使电流与系统进行作用，根据探测深度的需要设计信息时窗长度t，并选取Δt＝t。本发明所述码元间隔最大值可以达到10s，因此可以获取晚时的地层响应信息，以达到数千米的勘探深度。

重复周期数q的选择要考虑作业时长和测量的数据质量等因素。在采集数据时间允许范围内，重复周期数越大，可通过筛选和叠加去除突变干扰的影响。

在某些实施方案中，还应考虑周期长度N和信号幅度a。虽然在抗随机噪声方面，周期长度越长越好，但对于突变干扰来说，周期长度越长，出现不平稳和突变的可能性越大。因此最佳选择是使用多组短周期长度的信号进行组合。信号幅度a受场源影响，通过使用大功率脉冲场源，提高输出功率，将直接提高信噪比。

本发明所述的场源编码方案包含电流编码和方向编码两种方案，要考虑发射仪器状态和地层极化情况，两种方案的对比示例分别如图3-a和图3-b所示。

步骤2：按照所述编码方案生成发射驱动信号。

步骤3：以所述发射驱动信号驱动脉冲场源进行发射。

在离观测区域一定距离的地面或井中设置发射源，由双向编码序列驱动，通过与发射机连接的线圈或接地电极向地层发送脉冲电磁场。本发明使用大功率拟高斯脉冲场源为发射装置，产生的大功率脉冲波形为拟高斯脉冲，所述拟高斯脉冲的脉冲瞬时电流最大值大于100A、瞬时功率最大值大于100kW、脉冲宽度小于100ms。

实际发射电流如图6所示。

步骤4:使用接收记录系统同步全时段记录观测区域的电磁响应信息及发送电流波形。

发射电流记录系统在GPS时间同步下进行全时段数字记录发射机实际发射电流波形；观测区域内由多组多分量阵列观测站在GPS时间同步下进行全时段数字记录大地的电场(Ex，Ey)和磁场(Hx，Hy，Hz)响应。

所接收到的电磁响应信息和发射电流波形之间的关系如公式(1)所示：

z(t)＝u(t)+n(t)＝g(r)*x(t-r)+n(t) (1)

其中，z(t)为记录系统所接收到的电磁响应信息，u(t)为大地电磁响应， n(t)为仪器所接收到的电磁噪声，g(t)为大地电磁脉冲响应，x(t)为发射机实际输出电流波形。

步骤1至步骤4为本发明所述的采集阶段，在采集阶段，设计多种双向编码序列，形成组合式双向编码序列，并生成连续发射的组合式驱动信号。换句话说，在采集过程中，采用多种编码序列进行组合，也就是在采集过程中一种编码信号发射完毕后再连续发射另一种编码信号。如果在采集时间允许的条件下，应尽可能使用更多种编码信号进行组合发射，以提高其降噪能力。所述采集时间的计算方法采用公式(2)：

T＝q*N*Ts (2)

其中Ts是采集系统的采样率。

步骤5:根据记录的发射电流波形计算发射电流自相关函数

计算发射电流自相关函数采用公式(3)：

R_ii(k)＝[I(t)*I(t)]/n (3)

其中，R_ii(k)为发射电流自相关函数，I(t)为实际发射电流曲线，n为记录点数。

通常伪随机尖脉冲编码的自相关图像如图4所示。

步骤6：根据系统辨识原理，将记录的发射电流信号与观测站所记录的响应信号做互相关计算，得出互相关函数。所述互相关函数通过离线计算得到，即采集完毕后将所记录的发射电流信号和接收响应信号进行同步时间和完整周期截取后再计算。

计算发射电流波形和电磁响应信息互相关函数采用公式(4)：

R_ir(k)＝[I(t)*R(t)]/n (4)

其中，R_ir(k)为互相关函数，I(t)表示实际发射电流曲线，R(t)表示记录的电磁响应信息，n为记录点数。

步骤7：消除自相关函数对互相关函数的影响，得到大地脉冲响应。所述消除发射信号自相关函数对互相关函数的影响包含有两个部分计算：

(7.1)对互相关函数进行矫正，将步骤6中所述互相关函数除去步骤5 中所述发射电流自相关函数。

(7.2)根据步骤1中所设计编码方案的参数对步骤7.1所述矫正后互相关函数进行截取而得近似大地电磁脉冲响应。

其中，所述互相关函数区域截取的计算步骤为：选择骤7.1所述矫正后互相关函数的后一半数据；依照编码方案中码元间隔时间Δt截取数据的前Δt 时间范围内的数据。

步骤8:通过反演，将近似大地脉冲响应中随时间变换的响应值转换为地层的早期电阻率和晚期电阻率沿深度变化的信息。

应用本发明的一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法既可实现对大地电磁脉冲响应高精度的提取，也可以通过傅立叶转换后应用于频率域方法。

下面通过具体测试结果对本发明作进一步的阐述。

按照本发明所述的一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法的要求，研制的长接地导线源编码脉冲源的输出能力为：m序列的码元间隔为1/8192s-32s可调，m序列的阶数为3阶至12阶可调，用于向大地发射编码电流。采集系统的采样频率为9.6kHz-10Hz可调，用于记录实际发射电流和电磁响应信息。

本实施例中，目标层埋深3000米，发射电流为3.2A，发射极距2700m，收发偏移距3000m，三个磁场分量和两个电场分量进行观测，电极间距50m。 m序列码元间隔8s，m序列阶数为7阶。图6为实际发射电流波形，图7为实际观测信息，图8为收发信号互相关后的结果，图9为提取的大地电磁脉冲响应。

此外，本发明还进行了对比试验，以证明依据本发明的方法，可以对大地电磁脉冲响应进行更高精度的辨识。分别使用周期性发射方法和本发明提供的方法对大地电磁脉冲响应进行提取，结果如图5-a和5-b所示。

以上所述的具体实施案例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法，其特征在于：所述方法包括

采集阶段：设计多种双向编码序列，形成组合式双向编码序列，并生成连续发射的组合式驱动信号，发射驱动信号驱动尖脉冲场源向地层发送拟高斯脉冲，并同步记录发射电流信号和响应信号；

提取阶段：根据发射电流信号和响应信号得到自相关函数和互相关函数，将互相关函数除去发射电流信号自相关函数以矫正幅值，再进行截取中间一个码元间隔周期以去除自相关函数中周期旁瓣的影响，消除自相关函数对互相关函数的影响，得到大地脉冲响应，通过反演，由大地脉冲响应得到地层电阻率随深度变化的信息；

所述互相关函数通过离线计算得到，即采集完毕后将所记录的发射电流信号和接收响应信号进行同步时间和完整周期截取后再计算；

所述双向编码序列由不同能量或不同方向的尖脉冲电流信号按不同的时间间隔排列而成，所述双向编码的排列顺序由伪随机编码经过转换而形成。

2.根据权利要求1所述的基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法，其特征在于：所述双向编码的码元间隔小于等于10s。

3.根据权利要求2所述的基于双向编码的尖脉冲时域电磁深层探测方法，其特征在于：所述拟高斯脉冲的脉冲瞬时电流最大值大于100A；所述拟高斯脉冲的脉冲瞬时功率最大值大于100kW；所述拟高斯脉冲的脉冲宽度小于100ms。