CN109828307A - 一种瞬变电磁多频率融合的探测方法及应用 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本公开涉及一种瞬变电磁多频率融合的探测方法及应用。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
在瞬变电磁进行探测不良地质体时发现，瞬变电磁低频探测深度较浅，对深层分辨率较高，而高频探测深度较深，对浅层分辨率较高。在实际应用中，针对不同的地质探测要求，可选择不同的发射频率参数。但根据发明人了解，在多个分散的频率数据解释中，往往存在一个明显问题，即不同频率垂直分辨率的差异易导致错误解释。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种瞬变电磁多频率融合的探测方法及应用，本公开解决了不同频率结果图中电阻率响应相互矛盾的问题，可应用于各种不良地质体的精准探测，为不良地质体的精确定位提供可靠依据。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种瞬变电磁多频率融合的探测方法，包括以下步骤：
利用多组发射频率进行采集，得到不同感应电动势和不同时间道分布的实验数据；
将重合时间域多种频率融合后的数据与每种频率特有时间域数据按时间先后进行组合，获得多道时间域数据，得到多频率融合的数据；
对组合数据进行时间域上的分区，实现平均时间道分布，得到感应电动势衰减曲线；
对回归融合数据与多种频率特有时间域数据的交界处进行圆滑处理，并采用平均时间道分布，将圆滑处理后的数据代入原数据中，进行二维成像反演，得到电阻率剖面图。
得到电阻率剖面图后，根据地电特征信息对不良地质体，即可分析地址分层情况。
作为一种可选择的方案，在进行瞬变电磁原位测试前，核查现场地质资料，对不良地质体的大小与规模有初步的判断，确定初步测试方案，并布设测线。
作为一种可选择的方案，发射测量时，对发射电流进行归一化处理，保证其他测量参数不变，首先用一发射频率，得到数据集和对应的时间域数据，再次测量时依次增大发射频率，得到其他数据集和时间域数据。
作为一种可选择的方案，进行组合时，采用局部加权线性回归对重合时间域内的数据赋予了一定的权重，进而基于感应电动势数值对均方误差进行最小化计算，使多种频率数据充分拟合。
作为进一步的限定，将重合时间域融合后的数据与每种频率特有时间域数据按时间先后进行组合。
作为一种可选择的方案，时间域上的分区过程中，对重合区域内的数据进行回归融合处理后，结合各频率特有时间域数据，将所有数据在时间域上平均分成若干段，使每段时间域的数据个数相同。
作为一种可选择的方案，利用三次指数加权圆滑方法对回归融合数据与多种频率特有时间域数据的交界处进行处理。
作为进一步的限定，三次指数加权圆滑模型为：
其中i>1，为第i时间道的一次指数圆滑值；第i时间道的二次指数圆滑值；第i时间道的三次指数圆滑值，即圆滑目标值；β为权重值，也称指数圆滑系数；Yi为第i时间道的真实值。
进一步的，当需要圆滑的数据超过设定值时，选择第1时间道的实际值作为初始值；当数据小于设定值时，选择最初三道数据的平均值作为初始值。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种瞬变电磁多频率融合的探测方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种瞬变电磁多频率融合的探测方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开结合瞬变电磁仪器探测特点，采用现场实地探测的方法获取数据，通过局部加权线性回归方法对多种频率的数据进行融合，并采用时间道分布与圆滑处理方法控制成像结果，得到瞬变电磁局部加权线性回归多频融合的最优处理方法。为准确得到各层地质的分界面信息，将数据重合区域进行融合处理，突出不同频率段的优势，为进一步的正确解释提供依据。同时局部加权线性回归对重合时间域内的数据赋予了一定的权重，进而基于感应电动势数值对均方误差进行最小化计算，使多种频率数据充分拟合。
对数据进行局部加权线性回归处理后，数据按照平均时间道分布得到的电阻率特征与实际参数有很强的相似性，效果明显优于非平均时间道分布和等差时间道分布，可以结合高频及低频独有的地质信息，不同地层分界面更加清晰，基本反映出地质情况。
对交界处的数据进行三次指数加权圆滑处理进一步优化了融合成像效果，可正确反映真实地层情况。加权移动平均圆滑处理可减少干扰层厚度，使电阻率值及对应的深度参数更加接近实际地层参数。三次指数加权圆滑处理使干扰层基本消失，电阻率值与各层电阻率参数基本相符，电阻率分层对应的深度与地层深度参数相符，且分层更加清晰，有效提升了瞬变电磁数据解释的准确性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本实施例的流程图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供一种适用于瞬变电磁多频率融合的探测方法，基本思路包括：
基于瞬变电磁的数据特征，采用一元回归模型，建立感应电动势与时间道的线性回归模型，局部加权线性回归对重合时间域内的数据赋予了一定的权重，进而基于感应电动势数值对均方误差进行最小化计算，使多种频率数据充分拟合。
由于不同数据均存在有特有的时间域分布，采用多频融合，对不同频率重合时间域部分的数据进行融合处理，除去重合的时间域分布，不同频率的数据均存在特有的时间域分布，由于现场实地探测中低频高频的数据相关性较大，所以可直接将重合时间域融合后的数据与每种频率特有时间域数据按时间先后进行组合。
采用平均时间道分布，对重合区域内的数据进行回归融合处理后，结合各频率特有时间域数据，将所有数据在时间域上平均分成若干段，使每段时间域的数据个数相同。
瞬变电磁得到的感应电动势为呈抛物线状递减的非线性曲线，因此选择采用三次指数加权圆滑的方式对非线性(抛物线)变化趋势的时间序列数据集。在平均时间道分布的前提下，对交界处的数据进行三次指数加权圆滑处理进一步优化了融合成像效果，可正确反映真实地层情况。加权移动平均圆滑处理可减少干扰层厚度，使电阻率值及对应的深度参数更加接近模型参数。三次指数加权圆滑处理使干扰层基本消失，电阻率值与各层电阻率参数基本相符，电阻率分层对应的深度与模型深度参数相符，且分层更加清晰，有效提升了瞬变电磁数据解释的准确性。
如图1所示，一种适用于瞬变电磁多频率融合的探测方法，包括以下步骤：
(1)核查现场地质资料，对不良地质体的大小，规模，范围有初步的了解和认知，根据现场实地情况，确定瞬变电磁原位试验方案。
(2)根据现场实际需要布置测线长度，对发射电流进行归一化处理，数据采集参数除发射频率外，其他参数固定，测量时首先采用小发射频率，得到数据集A，时间域数据m1道，再次测量时采用大发射频率，得到数据集B，时间域数据m2道，(可根据实际需要，继续添加数据集)得到多组设计感应电动势和时间道分布的实验数据。
(3)直接将重合时间域多种频率融合后的数据与每种频率特有时间域数据按时间先后进行组合。采用局部加权线性回归对重合时间域内的数据赋予了一定的权重，进而基于感应电动势数值对均方误差进行最小化计算，使多种频率数据充分拟合。共获得m3道时间域数据，得到多频率融合的数据。
(4)组合方式采取平均时间道分布。对重合区域内的数据进行回归融合处理后，结合各频率特有时间域数据，将所有数据在时间域上平均分成若干段，使每段时间域的数据个数相同，得到感应电动势衰减曲线。
(5)为消除干扰层，减小深度误差，准确反映地质信息，需要对回归融合数据与多种频率特有时间域数据的交界处进行圆滑处理。瞬变电磁得到的感应电动势为呈抛物线状递减的非线性曲线，因此选择三次指数加权圆滑方法。
(6)采用平均时间道分布，将圆滑处理后的数据代入原数据中，进行二维成像反演，得到电阻率剖面图。
(7)根据得到的电阻率剖面图，根据地电特征信息对不良地质体，地质的分层情况进行合理的解释。
步骤(3)中，任取一系列数据集(x1,y1),…,(xi,yi),…,(xn,yn)。其中，建立一般线性回归模型为：
其中，θ＝[θ0,…,θm]T为模型参数。
在本实施例中，步骤(3)中，局部加权线性回归为解决欠拟合问题，在估计中引入偏差，设置权重，即：
其中，为局部加权线性拟合的权重，τ控制着权重函数的宽度。
采用局部加权线性回归对重合时间域内的数据赋予了一定的权重，进而基于感应电动势数值对均方误差进行最小化计算，使多种频率数据充分拟合。
在本实施例中，步骤(4)中，将重合时间域融合后的数据与每种频率特有时间域数据按时间先后进行组合。其组合方式采取平均时间道分布。
可以选用的方式为：采取平均时间道分布对重合区域内的数据进行回归融合处理后，结合各频率特有时间域数据，将所有数据在时间域上平均分成若干段，使每段时间域的数据个数相同。在实地探测研究中，根据总时间域分布将其平均分为多段，得到大小频率的特有段和融合段，得到其感应电动势衰减曲线。
在本实施例的步骤(5)中，采用三次指数加权圆滑方法，三次指数加权圆滑方法则主要适用于呈非线性(抛物线)变化趋势的时间序列数据集。不同的数据类型应选择不同的指数圆滑方法。瞬变电磁得到的感应电动势为呈抛物线状递减的非线性曲线，因此选择三次指数加权圆滑方法。
其中，本实施例选用的三次指数加权圆滑模型为：
其中i>1，为第i时间道的一次指数圆滑值；第i时间道的二次指数圆滑值；第i时间道的三次指数圆滑值，即圆滑目标值；β为权重值，也称指数圆滑系数；Yi为第i时间道的真实值。
指数加权圆滑方法在使用过程中需要确定三个圆滑初值，即设定的第1时间道的圆滑值以及当需要圆滑的数据较多时(大于15)，圆滑初值对目标值的影响较小，可选择第1时间道的实际值作为初始值。当数据较少时(小于15)，圆滑初值对目标值的影响较大，可选择最初三道数据的平均值作为初始值，即
而作为权重值，β反映了不同时间道的数据在指数圆滑过程中所占的比重，其确定公式为：
其中，ω表示前期数据所占权重的百分比；n表示移动步长。β取值越大，说明距圆滑目标值越近的数据对其影响越大；β取值越小，说明圆滑目标值越接近算术平均值。
平均时间道分布被定义为：对重合区域内的数据进行回归融合处理后，结合各频率特有时间域数据，将所有数据在时间域上平均分成若干段，使每段时间域的数据个数相同。
相应的，在其他实施例中，上述数据处理过程可以在处理器、服务器、存储介质等媒介上。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种瞬变电磁多频率融合的探测方法中的步骤(3)-(6)。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种瞬变电磁多频率融合的探测方法的步骤(3)-(6)。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
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