CN110286412A - 一种搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式及电干扰校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式及电干扰校正方法，瞬变电磁仪的双拖体之间通过中继缆连接，将电极缆绑在中继缆上，电极缆上依次布置多组AgCl不极化电极对，每组的电极距相同；利用双拖体的弱正浮力将电极缆拉平，形成水平观测；本发明使得在海底水平拖曳观测自然电位的过程中电极距恒定，排除因电极距变化造成的自然电位假异常，由超短基线及姿态传感器进行定位并记录水平偏角，拖曳过程中保持电极缆水平；其次与瞬变电磁仪探测的电导率异常对比，排除海底底流引起的电位异常干扰；另外利用形态学方法去除瞬变电磁电信号的干扰，提高了滤波的效果。本发明为更加精准的观测海底矿体产生的自然电位提供保障。

Description

一种搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式及电干扰 校正方法

技术领域

本发明涉及海底矿体电法勘探技术领域，具体为一种搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式及电干扰形态学校正方法。

背景技术

近海底自然电位方法是一种非常重要的硫化物矿体地球物理勘探方法。传统观测方式，电极需要以钢缆和摄像拖体为载体。挂在钢缆上自然电位传感器垂直观测方式，电极所在位置用卡扣固定在钢缆上，电极会随钢缆一起运动，其摆动频率会对电场信号造成影响，且钢缆中的电流也会影响电极观测信号的效果，降低自然电位信号的信噪比。由于电极不是成对使用的，不同电极相对于参考电极的极差不可控。搭载在摄像拖体上进行的自然电位传感器三分量测量，在摄像拖体上固定位置(前、后、左、右、上、下)对应方向成对安装电极，分别采集空间三个方向的电场。由于搭载于摄像拖体中会有部分屏蔽效果，所以采集到的数据幅值较小，另外电极观测的自然电场信号受闪光灯(主要是脉冲信号)的干扰明显，且受拖体姿态(前后摇摆)及拖体触底的影响较大。

由于自然电位异常的来源较复杂且受电干扰影响大，观测到的自然电位异常有可能是电极距变化或海底底流等其他因素造成的，因此需要在拖曳测量时排除这些电位异常来源的干扰，且对测得的自然电位数据进行滤波处理，才能得到有效的电位数据。

发明内容

针对以上问题，本发明从减少电位异常其他来源的干扰和提高自然电位观测信号的信噪比入手，设计一种新的近海底自然电位观测方式。

本发明通过下述技术方案得以实现：一种搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式，瞬变电磁仪的前端控制单元拖体和后端接收单元拖体之间通过中继缆连接，控制单元拖体上安装采集舱，将电极缆绑在中继缆上，电极缆的头部连接采集舱，电极缆上依次布置多组AgCl不极化电极对，每组的电极距相同(组和组之间的距离不限)；瞬变电磁仪的控制单元拖体通过钢缆连接科考船的绞车；利用双拖体的弱正浮力将电极缆拉平，形成水平观测；

科考船上安装超短基线接收装置，控制单元拖体上安装超短基线发射装置，通过发射接收装置的配合，实时定位控制单元拖体的位置，利用科考船的绞车控制钢缆的收放来实时调整拖体高度与测线高度之间的偏差在设定阈值内，控制科考船的航行方向来调整拖体与测线在水平方向的偏差在设定阈值内；

控制单元拖体和接收单元拖体上均安装姿态传感器，姿态传感器采集拖体的水平偏角，利用科考船的绞车控制钢缆的收放，从而控制拖体在水中的姿态，使得水平偏角小于阈值，保持电极缆水平；

通过控制单元拖体和接收单元拖体上的高度计测量拖体到海底的距离，绞车控制钢缆的收放时，需要保证拖体到海底的实时距离在设定阈值内。

进一步地，在海底水平拖曳观测自然电位的过程中电极距保持恒定，排除因电极距变化而造成的自然电位假异常。

进一步地，与瞬变电磁仪同步探测的电导率异常的范围和位置对比，排除海底底流引起的电位异常干扰，实现对硫化物产生的电位异常的更精准的探测。

一种利用形态学滤波去瞬变电磁双拖体电干扰的方法，包括如下步骤：

S1：利用以上海底自然电位观测方式沿着测线水平拖曳测量得到自然电场数据，采用比瞬变电磁发射双极性方波更高的频率采集；

S2：回收瞬变电磁双拖体后，从采集舱中导出自然电场数据，重采样滤去瞬变电磁回线源产生的感应电场信号，并计算电场水平分量的积分得到等效自然电位值；

S3：根据船速和海底矿体(如硫化物等矿体)的范围这些先验信息取合适的窗长(30～60s)，在窗长内利用形态学滤波方法对重采样后的自然电位数据中的电干扰进行校正，用结构元素扫描自然电位数据的每个数据点，利用公式(1)先进行腐蚀操作；

(fΘb)(x,y)＝min{f(x+x′,y+y′)-b(x′,y′)|(x′,y′)∈D_b} (1)

其中，f(x,y)为自然电位数据，b(x′,y′)为平滑结构元素，D_b是一个二元矩阵，对于(x′,y′)∈D_b，b(x′,y′)＝0，推出

(fΘb)(x,y)＝min{f(x+x′,y+y′)|(x′,y′)∈D_b} (2)

腐蚀操作相当于一个取局部最小值的算子，消除自然电位数据中的细小的电信号干扰；

S4：再对步骤S3腐蚀后的自然电位数据运用公式(3)进行膨胀操作；

其中，f(x,y)为自然电位数据，b(x′,y′)为平滑结构元素，D_b是一个二元矩阵，同样对于(x′,y′)∈D_b，b(x′,y′)＝0，推出

膨胀操作相当于一个取局部最大值的算子，将与自然电位数据点相关的点合并到自然电位数据中，如公式(5)，对自然电位数据进行先腐蚀后膨胀的操作为开运算，能够消除细小的电信号干扰和平滑数据；

本发明的有益效果是：通过设计一种新的海底自然电位观测方式，能够在拖曳观测自然电位的过程中保持电极距稳定且与瞬变电磁仪同步探测，可实时调整电极缆姿态以保持水平，排除电极距变化、海底底流等其他电位异常来源的干扰；其次，利用形态学滤波去除瞬变电磁双拖体电信号的干扰，提高了滤波的效果。因此，本发明为更加精准的观测硫化物等海底矿体产生的自然电位提供保障。

附图说明

图1是本发明搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式示意图；

图2是自然电位挂缆式观测信号受钢缆干扰结果；

图3是自然电位不极化电极搭载在拖体上三分量测量时，自然电位观测信号受拖体姿态影响的结果；

图4是搭载瞬变电磁双拖体的实测原始数据；

图5是搭载瞬变电磁双拖体的自然电位形态学滤波后数据。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例的结果。

实施例1：

如图1所示，本发明设计了一种新的搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式，在拖曳观测自然电位的过程中保持电极距稳定且与瞬变电磁仪同步探测，排除电极距变化、海底底流等其他电位异常来源的干扰，包括：

1)该种观测方式具体布放流程

海底自然电位观测装置由采集舱、6支电极和一根20m的电极导线组成，电极两两一对构成一组，三组电极输出三组电位差(E12、E34、E56)。图1中为本发明搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式，下放前，将电极缆(水密缆)与双拖体之间的中继缆平行固定在一起，以防电极缆因受力而被拉断；图中数字为电极编号，将成对的电极按照编号1、2、3、4、5、6依次安装到电极缆上，编号越小，距离采集舱越近，并用尼龙扎带固定，成对的电极之间距离6m，组和组之间的距离不限，图1中，2、3号电极在同一位置，4、5号电极在同一位置。电极缆的头部与采集舱相连，将采集舱加挂在瞬变电磁仪前端的控制单元拖体中，利用拖体的弱正浮力将电极缆拉平，形成水平观测，以1～2knot的速度，通过高度计反馈在近海底～30m的高度拖曳前进。由于双拖体之间的中继缆是硬质的材料，拖曳观测过程中电极距不容易发生变化，且由瞬变电磁双拖体搭载的超短基线及姿态传感器进行定位并记录水平偏角，具体如下：

科考船上安装超短基线接收装置，控制单元拖体上安装超短基线发射装置，通过发射接收装置的配合，实时定位控制单元拖体的位置，利用科考船的绞车控制钢缆的收放来实时调整拖体高度与测线高度之间的偏差在设定阈值内，控制科考船的航行方向来调整拖体与测线在水平方向的偏差在设定阈值内；

控制单元拖体和接收单元拖体上均安装姿态传感器，姿态传感器采集拖体的水平偏角，利用科考船的绞车控制钢缆的收放，从而控制拖体在水中的姿态，使得水平偏角小于阈值，拖曳过程中根据水平偏角实时调整电极缆姿态以保持水平。

2)传统观测方式钢缆和拖体等设备运动对观测信号的干扰验证

传统的观测方式中将自然电位观测系统挂在钢缆上完全垂直观测，电极随钢缆一起运动，钢缆振动频率会对观测信号造成影响。图2中E12、E34、E56为三对不极化电极垂直挂缆式观测得到的自然电场信号，按照布放方式，E12、E34、E56对应的三对电极离摄像拖体越来越远，钢缆振动越来越小，自然电位信号幅度越来越小，所以钢缆的振动对电极有直接影响。局部放大后可以看到信号周期振动，也归因于钢缆的影响。图3中近底拖曳自然电位观测系统以三分量的形式搭载在摄像拖体上，由于拖体在行进的过程中前后摇摆，产生电场干扰，使得电极测得的自然电场信号受拖体姿态和拖体触底的影响较大。拖体触底最大可引起5mV的异常，超过了矿致自然电位异常，淹没了有效信号。拖体姿态的影响呈周期变化。本发明新的近海底自然电位观测方式避免了钢缆切割地磁场产生的无规律的感应电场的干扰和摄像拖体的影响，在拖曳观测过程中将自然电位异常与瞬变电磁仪同步探测的电导率异常的范围和位置对比，排除海底底流引起的电位异常干扰。

实施例2：

一种利用形态学滤波校正瞬变电磁双拖体电干扰的方法，包括以下步骤：

S1：利用以上海底自然电位观测方式沿着测线水平拖曳测量得到自然电场数据，采用比瞬变电磁发射双极性方波更高的频率(2400Hz)采集；

S2：回收瞬变电磁双拖体后，从采集舱中导出自然电场数据，等效计算积分得到自然电位数据，重采样滤去瞬变电磁回线源产生的感应电场信号；

S3：根据船速(1～2knot)和硫化物矿体的范围等先验信息取合适的窗长(30～60s)，在窗长内利用形态学滤波方法对重采样后的自然电位数据中的电干扰进行校正，用结构元素扫描自然电位数据的每个数据点，利用公式(1)先进行腐蚀操作；

(fΘb)(x,y)＝min{f(x+x′,y+y′)-b(x′,y′)|(x′,y′)∈D_b} (1)

其中，f(x,y)为自然电位数据，b(x′,y′)为平滑结构元素，D_b是一个二元矩阵，对于(x′,y′)∈D_b，b(x′,y′)＝0，推出

(fΘb)(x,y)＝min{f(x+x′,y+y′)|(x′,y′)∈D_b} (2)

腐蚀操作相当于一个取局部最小值的算子，消除自然电位数据中的细小的电信号干扰；

S4：再对步骤S3腐蚀后的自然电位数据运用公式(3)进行膨胀操作；

其中，f(x,y)为自然电位数据，b(x′,y′)为平滑结构元素，D_b是一个二元矩阵，同样对于(x′,y′)∈D_b，b(x′,y′)＝0，推出

膨胀操作相当于一个取局部最大值的算子，将与自然电位数据点相关的点合并到自然电位数据中，如公式(5)，对自然电位数据进行先腐蚀后膨胀的操作为开运算，能够消除细小的电信号干扰和平滑数据；

如图4为某一航次该种海底自然电位观测方式测得的自然电位原始数据，图5为自然电位数据形态学滤波校正效果。

以上仅为本发明的实施实例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式，其特征在于，瞬变电磁仪的前端控制单元拖体和后端接收单元拖体之间通过中继缆连接，控制单元拖体上安装采集舱，将电极缆绑在中继缆上，电极缆的一端连接采集舱，电极缆上依次布置多组AgCl不极化电极对，每组的电极距相同；瞬变电磁仪的控制单元拖体通过钢缆连接科考船的绞车；利用双拖体的弱正浮力将电极缆拉平，形成水平观测。

科考船上安装超短基线接收装置，控制单元拖体上安装超短基线发射装置，通过发射接收装置的配合，实时定位控制单元拖体的位置，利用科考船的绞车控制钢缆的收放来实时调整拖体高度与测线高度之间的偏差在设定阈值内，控制科考船的航行方向来调整拖体与测线在水平方向的偏差在设定阈值内。

控制单元拖体和接收单元拖体上均安装姿态传感器，姿态传感器记录拖体的水平偏角，利用科考船的绞车控制钢缆的收放，从而控制拖体在水中的姿态，使得水平偏角小于阈值，保持电极缆水平。

通过控制单元拖体和接收单元拖体上的高度计测量拖体到海底的距离，绞车控制钢缆的收放时，需要保证拖体到海底的实时距离在设定阈值内。

2.根据权利要求1所述的搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式，其特征在于，在海底水平拖曳观测自然电位的过程中电极距保持恒定，排除因电极距变化而造成的自然电位假异常。

3.根据权利要求1所述的搭载瞬变电磁双拖体的海底自然电位观测方式，其特征在于，与瞬变电磁仪同步探测的电导率异常的范围和位置对比，排除海底底流引起的电位异常干扰。

4.一种利用形态学滤波去除权利要求1所述瞬变电磁双拖体电干扰的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：利用权利要求1所述的海底自然电位观测方式沿着测线水平拖曳测量得到自然电场数据，采用比瞬变电磁发射双极性方波更高的频率采集；

S2：回收瞬变电磁双拖体后，从采集舱中导出自然电场数据，重采样滤去瞬变电磁回线源产生的感应电场信号，并计算电场水平分量的积分得到等效自然电位值；

S3：根据船速和海底矿体的范围取合适的窗长，在窗长内利用形态学滤波方法对重采样后的自然电位数据中的电干扰进行校正，用结构元素扫描自然电位数据的每个数据点，利用公式(1)先进行腐蚀操作；

(fΘb)(x,y)＝min{f(x+x′,y+y′)-b(x′,y′)|(x′,y′)∈D_b} (1)

其中，f(x,y)为自然电位数据，b(x′,y′)为平滑结构元素，D_b是一个二元矩阵，对于(x′,y′)∈D_b，b(x′,y′)＝0，推出

(fΘb)(x,y)＝min{f(x+x′,y+y′)|(x′,y′)∈D_b} (2)

腐蚀操作相当于一个取局部最小值的算子，消除自然电位数据中的细小的电信号干扰；

S4：再对步骤S3腐蚀后的自然电位数据运用公式(3)进行膨胀操作；

其中，f(x,y)为自然电位数据，b(x′,y′)为平滑结构元素，D_b是一个二元矩阵，同样对于(x′,y′)∈D_b，b(x′,y′)＝0，推出

膨胀操作相当于一个取局部最大值的算子，将与自然电位数据点相关的点合并到自然电位数据中，如公式(5)，对自然电位数据进行先腐蚀后膨胀的操作为开运算，能够消除细小的电信号干扰和平滑数据；

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