CN108983296A - 一种瞬变电磁和激发极化效应解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瞬变电磁和激发极化效应解耦方法，将接收信号的分成直流分量与交流分量，以交流分量为混合信号，利用独立分量分析算法实现瞬变电磁和激发极化效应解耦，分别提取单纯的瞬变电磁信号与激发极化信号，然后分别进行三维反演和解释。本发明方法能能够有效的提取地矿探测中低阻地质异常信息、压制激发极化效应，可以有效提高矿体勘探中瞬变电磁与激发极化的综合解释效果。

Description

一种瞬变电磁和激发极化效应解耦方法

技术领域

本发明属于地球物理探测技术领域，具体涉及一种瞬变电磁和激发极化效应解耦方法。

背景技术

地矿勘探中，大多数成矿岩石受激发极化效应的影响，电阻率是一个与发射频率、岩矿石电化学性质等因素有关的复数，这就导致了野外测量所得的电磁场信号包含电磁感应效应与激发极化效应双重因素影响；这一现象主要表现为在金属矿或硫化矿产等激发极化效应较强的地区进行瞬变电磁勘探时，瞬变电磁采集的晚期信号出现负值的现象，即瞬变电磁的激发极化效应影响。

理论上若无激发极化效应影响，瞬变电磁响应为一严格衰减的正值信号，但由于耦合效应的存在，瞬变电磁晚期信号往往不满足衰减规律，并伴随大量负值，这使得传统的解释方法完全失效，导致采集数据完全报废。

因此，探索瞬变电磁与激发极化响应的解耦，实现瞬变电磁与激发极化的联合解释成为矿产资源勘探研究的焦点问题，但由于电磁耦合的复杂性，目前尚没有一种具有普适性的方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种瞬变电磁和激发极化效应解耦与联合解释方法，用以实现瞬变电磁与激发极化的联合解释。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种瞬变电磁和激发极化效应解耦方法，包括以下步骤：

将采集到的信号分解为直流分量和交流分量，提取的交流分量反映了瞬变电磁和激发极化效应的耦合效果，以此作为独立分量分析的信号源；

采用最小互信息独立分量分析算法进行激发极化效应分离，提取探测区域瞬变电磁信号与激发极化效应信号；

对于提取的激发极化效应信号，基于电阻率法进行激发极化三维反演；对于提取的瞬变电磁信号，采用瞬变电磁解释技术进行瞬变电磁解释。

进一步地，所述的最小互信息独立分量分析算法采用互信息极小化判据、基于自然梯度优化，包括两个方面：优化判据和寻优算法。

进一步地，所述的优化判据采用互信息极小化判据，表示为：

上式中，x是交流分量，y是输出信号，y_i是输出信号y中的元素，m是输出信号个数，W是分离矩阵，log|W|为分离矩阵信息度量，H(·)为信息熵。

进一步地，所述的采用最小互信息独立分量分析算法采用自然梯度法进行优化，通过将常规梯度用自然梯度代替，从而简化调节参数时的分离矩阵求逆计算，保证计算的稳定性。

进一步地，通过逐步调节分离矩阵W使目标函数取得极小值完成寻优过程；调节分离矩阵的调节量ΔW表示为：

上式中，W是分离矩阵，μ为调节参数。

一种瞬变电磁和激发极化效应解耦系统，包括依次连接的信号采集分解模块、分离模块以及反演解释模块，其中：

所述的信号采集分解模块用于将采集到的信号分解为直流分量和交流分量，提取的交流分量反映了瞬变电磁和激发极化效应的耦合效果，以此作为独立分量分析的信号源；

所述的分离模块采用最小互信息独立分量分析算法进行激发极化效应分离，提取探测区域瞬变电磁信号与激发极化效应信号；

所述的反演解释模块用于对于提取的激发极化效应信号，基于电阻率法进行激发极化三维反演；对于提取的瞬变电磁信号，采用瞬变电磁解释技术进行瞬变电磁解释。

本发明具有以下技术特点：

1.本发明方法提出利用独立分量分析法对两种信号进行分离，得到单纯的瞬变电磁响应与激发极化响应，然后分别反演进行综合解释，同时给出极化率、电阻率以及深度信息，实现含有激发极化效应的瞬变电磁响应信息的综合利用。

2.本发明利用最小互信息独立分量分析算法进行激发极化效应解耦，实现矿体特征信号提取，提高了瞬变电磁法在矿体勘探中的有效应用，综合利用了瞬变电磁响应与激电特征。

附图说明

图1为本发明方法的示意图。

具体实施方式

参照图1，一种瞬变电磁和激发极化效应解耦方法包括以下步骤：

步骤1，将采集到的信号分解为直流分量和交流分量，提取的交流分量反映了瞬变电磁和激发极化效应的耦合效果，以此作为独立分量分析的信号源；

独立分量分析法要求源信号是零均值的实随机变量且在任意时刻均相互统计独立，为了满足这一条件限制，首先将采集到的信号进行分解，表达为直流分量和交流分量和的形式，而提取的交流分量反映了瞬变电磁和激发极化效应的耦合效果，以此作为独立分量分析的信号源。

步骤2，采用互信息极小化判据、基于自然梯度优化的最小互信息独立分量分析算法进行激发极化效应分离，从而提取探测区域瞬变电磁信号与激发极化效应信号；而所述的瞬变电磁信号即可反映出地质特征。

所述采用互信息极小化判据含义如下：

设n维列向量y的概率密度函数为P_y(y)，各分量y_i的概率密度函数为P_i(y_i)，则互信息极小化判据为互信息I(y，W)取得极小值：

其中，是P_y(y)与之间的KL散度(相对熵)，KL值越大，则二者越不相似，当两者相同时，KL值为0。

将交流分量信号作为混合信号输入，利用独立分量分析算法进行激发极化效应分离，实现激发极化效应信号与瞬变电磁信号的分离。独立分量分析算法包括两个方面：优化判据和寻优算法。

所述的优化判据采用互信息极小化判据，表示为：

其中，x是混合信号，即所述的交流分量，y是输出信号，y_i是输出信号y中的元素，m是输出信号个数，W是分离矩阵，log|W|为分离矩阵信息度量，H(·)为信息熵。

所述的采用最小互信息独立分量分析算法采用自然梯度法进行优化，通过将常规梯度用自然梯度代替，从而简化调节参数时的分离矩阵求逆计算，保证计算的稳定性。由于目标函数I(y,W)是分离矩阵W的函数，所述的寻优算法为，通过逐步调节分离矩阵W使目标函数取得极小值完成寻优过程，所对应的输出信号y即为盲信号分离后的输出信号。调节分离矩阵W的调节量如式3所示。将式3展开，最后的调节参数涉及到对分离矩阵求逆。矩阵求逆往往计算量大；若矩阵条件数较大，往往计算不稳定。采用自然梯度法进行优化，将常规梯度用自然梯度代替，能够避免对分离矩阵求逆，不仅节省计算量，而且计算稳定。当然，其中调节参数中的参量需要转化成分离信号的高阶统计量来计算。

其中，y为输出信号，μ为调节参数，W是式2中的分离矩阵。

采用互信息极小化判据、基于自然梯度优化的最小互信息独立分量分析算法对输出的各独立成分的排序和幅度比例变化具有不变性。因此可以容易区分瞬变电磁信号与激电信号(激发极化效应信号)。

步骤3，对于提取的激发极化响应(激发极化效应信号)，基于电阻率法进行激发极化三维反演；对于提取的瞬变电磁信号，利用现有的瞬变电磁解释技术进行瞬变电磁解释。

将信号分离后，可分别获得无电磁影响的激电响应与无激电影响的瞬变电磁响应。将两者分别利用现有解释技术进行解释，获得瞬变电磁成果图件与激发极化成果图件，实现二者的综合解释。

综上所述，本实施例提供的一种瞬变电磁和激发极化效应解耦方法，将接收信号的分成直流分量与交流分量，以交流分量为混合信号，利用独立分量分析算法实现瞬变电磁和激发极化效应解耦，分别提取单纯的瞬变电磁信号与激发极化信号，更加准确提取矿体特征信号，可以提高矿体勘探中瞬变电磁与激发极化的综合解释效果。

Claims (6)

1.一种瞬变电磁和激发极化效应解耦方法，其特征在于，包括以下步骤：

将采集到的信号分解为直流分量和交流分量，提取的交流分量反映了瞬变电磁和激发极化效应的耦合效果，以此作为独立分量分析的信号源；

采用最小互信息独立分量分析算法进行激发极化效应分离，提取探测区域瞬变电磁信号与激发极化效应信号；

对于提取的激发极化效应信号，基于电阻率法进行激发极化三维反演；对于提取的瞬变电磁信号，采用瞬变电磁解释技术进行瞬变电磁解释。

2.如权利要求1所述的瞬变电磁和激发极化效应解耦方法，其特征在于，所述的最小互信息独立分量分析算法采用互信息极小化判据、基于自然梯度优化，包括两个方面：优化判据和寻优算法。

3.如权利要求2所述的瞬变电磁和激发极化效应解耦方法，其特征在于，所述的优化判据采用互信息极小化判据，表示为：

上式中，x是交流分量，y是输出信号，y_i是输出信号y中的元素，m是输出信号个数，W是分离矩阵，log|W|为分离矩阵信息度量，H(·)为信息熵。

4.如权利要求2所述的瞬变电磁和激发极化效应解耦方法，其特征在于，所述的采用最小互信息独立分量分析算法采用自然梯度法进行优化，通过将常规梯度用自然梯度代替，从而简化调节参数时的分离矩阵求逆计算，保证计算的稳定性。

5.如权利要求3所述的瞬变电磁和激发极化效应解耦方法，其特征在于，通过逐步调节分离矩阵W使目标函数取得极小值完成寻优过程；调节分离矩阵的调节量ΔW表示为：

上式中，W是分离矩阵，μ为调节参数。

6.一种瞬变电磁和激发极化效应解耦系统，其特征在于，包括依次连接的信号采集分解模块、分离模块以及反演解释模块，其中：

所述的信号采集分解模块用于将采集到的信号分解为直流分量和交流分量，提取的交流分量反映了瞬变电磁和激发极化效应的耦合效果，以此作为独立分量分析的信号源；

所述的分离模块采用最小互信息独立分量分析算法进行激发极化效应分离，提取探测区域瞬变电磁信号与激发极化效应信号；

所述的反演解释模块用于对于提取的激发极化效应信号，基于电阻率法进行激发极化三维反演；对于提取的瞬变电磁信号，采用瞬变电磁解释技术进行瞬变电磁解释。