CN110717138B - 一种拖曳式瞬变电磁数据预处理方法 - Google Patents

一种拖曳式瞬变电磁数据预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种拖曳式瞬变电磁数据预处理方法，包括：获取全时拖曳瞬变电磁数据，从第一个测点开始，依次计算该测点数据与其它测点的相关度值并记录，直至滑动完成所有测点数据的相关度计算；从第一个测点开始，将与该测点相关度值大于设置阈值的其他测点数据进行相关加权叠加，权值为对应的相关度值，将叠加后的数据记为新的测点数据，直至完成所有测点数据的相关加权叠加计算；所有相关叠加后的新测点数据为双极性梯形波发射的数据，将其正极性周期发射关断后对应的数据减去负极性周期发射关断后对应的数据后除以二，得到预处理后的数据。本发明能够在不减少测点数量的同时有效的提高测点数据信噪比。

Description

一种拖曳式瞬变电磁数据预处理方法
技术领域
本发明涉及地球物理信号处理与分析技术研究领域，特别是涉及一种拖曳式瞬变电磁数据预处理方法。
背景技术
拖曳式瞬变电磁探测是指由人工或者全地形车牵引的地面瞬变电磁系统，其发射系统能够在拖曳移动过程中连续进行工作，接收系统同步采集全过程全波形信号数据；相比于传统地面瞬变电磁定点布局探测，该拖曳式探测装置能够更高效快速的对地下地质结构进行探测，因此越发受到科研工作者的重视。然而，拖曳式瞬变电磁装置由于连续移动探测的特殊性，采集的数据易受到工频噪声、尖峰噪声、随机噪声、运动噪声的影响，由于在连续运动，其数据处理不能够采用地面瞬变电磁法的定点多次叠加的方法来提高数据信噪比；又因为其移动速度相对较慢，测线距离短，也无法采用航空瞬变电磁法相邻测点数据直接叠加的方法，会丢失横向分辨率。因此，研究适用于拖曳式瞬变电磁装置的数据预处理方法，在保证数据解释横向分辨率的同时提高数据信噪比，对拓展拖曳式瞬变电磁装置的应用范围，实现地下空间的高效探测与高精度解释具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种拖曳式瞬变电磁数据预处理方法，解决现有的方法不能满足拖曳式瞬变电磁数据的处理，没法保证数据解释横向分辨率的同时提高数据信噪比的问题。
本发明是这样实现的，
一种拖曳式瞬变电磁数据预处理方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取瞬变电磁仪器连续拖曳移动发射时采集的全时拖曳瞬变电磁数据，根据发射频率与接收机采样率提取每个发射周期下接收的瞬变电磁数据，每个发射周期采集的数据记为一个测点数据；
S2、设置相关度阈值，从第一个测点开始，依次计算该测点数据与其它测点的相关度值并记录，随后滑至下一个测点数据进行相关度计算，直至滑动完成所有测点数据的相关度计算；
S3、从第一个测点开始，将与该测点相关度值大于设置阈值的其他测点数据进行相关加权叠加，权值为对应的相关度值，将叠加后的数据记为新的测点数据，随后滑至下一个测点数据进行相关加权叠加计算，直至完成所有测点数据的相关加权叠加计算；
S4、所有相关叠加后的新测点数据为双极性梯形波发射的数据，将其正极性周期发射关断后对应的数据减去负极性周期发射关断后对应的数据后除以二，得到的数据记为拖曳式瞬变电磁预处理后的数据；
S5、所有测点完成上述计算后，完成拖曳式瞬变电磁数据预处理。
进一步地，所述步骤S1中的瞬变电磁仪器是由人工或者全地形车牵引的拖曳式瞬变电磁系统，探测线圈放置于移动平台上，采用中心回线配置，发射系统控制发射线圈在拖曳过程中连续发射，接收系统通过接收线圈同步采集全波形信号数据。
进一步地，所述步骤S1中的测点数据，其数据长度Lm由发射频率fv与接收机采样率fs定义，将拖曳式数据中每Lm个数据记为一个测点数据，表示为：
Figure BDA0002200000680000021
进一步地，所述步骤S2相关度计算公式满足：
Figure BDA0002200000680000031
其中A与B为两个不同测点数据序列，Am、Bm分别为对应测点数据序列里的第m个点，
Figure BDA0002200000680000032
为A测点数据序列的均值，/>
Figure BDA0002200000680000033
为B测点数据的均值，r为A与B测点的相关度计算值。
进一步地，所述步骤S2中相关度阈值是经验阈值系数，只有当计算的其它相邻测点相关度高于这个阈值时，才进行相关加权叠加，通过降低阈值增加相关叠加数目，提高视电阻率成像纵向分辨率，通过提高阈值增加成像横向异常分辨率，阈值选取的范围为0.5到0.9之间。
进一步地，所述步骤S3中相关加权叠加具体包括：通过计算目标测点与全部测点的相关度值，选取相关度值高于设置阈值的测点，将其作为权系数分别乘以对应的测点数据，叠加到目标测点，最后除以叠加的权系数之和进行数据归一化，得到目标测点叠加值Um满足：
Figure BDA0002200000680000034
其中U为测点数据，Uk为对应的第k个测点数据序列，N为总测点数目，rk为第k测点数据与第m测点数据的相关度值，rmin为相关度阈值，Um为加权叠加后的第m测点的数据。
进一步地，所述步骤S4中双极性梯形波发射为：拖曳式瞬变电磁发射系统的连续发射波形，双极性梯形波发射周期为工频周期的偶数倍以抑制工频噪声的干扰，正负极性周期发射关断后对应的数据相减满足：
Figure BDA0002200000680000035
其中
Figure BDA0002200000680000036
为相关加权叠加处理后测点数据的正极性周期发射关断后对应的接收数据，/>
Figure BDA0002200000680000041
为负极性周期发射关断后对应的接收数据，Um′为预处理后的第m测点拖曳式瞬变电磁数据。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提出拖曳式瞬变电磁探测数据预处理方法，采用滑动相关加权叠加算法，首先将拖曳式瞬变电磁整体数据按发射周期与采样率的乘积转换为多测点数据，随后采用相关加权叠加算法，依次滑动计算各个测点叠加后的值来保留数据的横向异性，最后通过正反双极性周期数据相减来进一步抑制噪声，完成数据预处理。该方法能够在不减少测点数量的同时有效的提高测点数据信噪比，保证了后期数据解释的横向分辨率与准确度，具有较大的实际应用价值。
附图说明
图1为拖曳式瞬变电磁探测装置示意图；
图2为拖曳式瞬变电磁实测测线数据图；
图3为拖曳式瞬变电磁数据预处理方法流程图；
图4为拖曳式瞬变电磁实测数据单个周期测点图；
图5为拖曳式瞬变电磁实测数据测点相关度图；
图6为滑动相关加权叠加算法示意图；
图7为拖曳式瞬变电磁单个周期仅极性相减处理后原始实测数据图；
图8为拖曳式瞬变电磁单个周期直接叠加处理后原始实测数据图；
图9为拖曳式瞬变电磁单个周期预处理后原始实测数据图；
图10为拖曳式瞬变电磁预处理后视电阻率成像图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于滑动相关加权叠加算法的拖曳式瞬变电磁探测数据预处理方法，包括以下步骤：
S1、获取瞬变电磁仪器连续拖曳移动发射时采集的全时拖曳瞬变电磁数据，根据发射频率与接收机采样率提取每个发射周期下接收的瞬变电磁数据，每个发射周期采集的数据记为一个测点数据；
S2、设置相关度阈值，从第一个测点开始，依次计算该测点数据与其它测点的相关度值并记录，随后滑至下一个测点数据进行相关度计算，直至滑动完成所有测点数据的相关度计算；
S3、从第一个测点开始，将与该测点相关度值大于设置阈值的其他测点数据进行相关加权叠加，权值为对应的相关度值，将叠加后的数据记为新的测点数据，随后滑至下一个测点数据进行相关加权叠加计算，直至完成所有测点数据的相关加权叠加计算；
S4、所有相关叠加后的新测点数据为双极性梯形波发射的数据，将其正极性周期发射关断后对应的数据减去负极性周期发射关断后对应的数据后除以二，得到的数据记为拖曳式瞬变电磁预处理后的数据；
S5、所有测点完成上述计算后，即完成拖曳式瞬变电磁数据预处理；
所述步骤S1中的瞬变电磁仪器是由人工或者全地形车牵引的拖曳式瞬变电磁系统，探测线圈放置于移动平台上，采用中心回线配置，发射系统控制发射线圈在拖曳过程中连续发射，接收系统通过接收线圈同步采集全波形信号数据；
所述步骤S1中的测点数据，其数据长度Lm由发射频率fv与接收机采样率fs定义，将拖曳式数据中每Lm个数据记为一个测点数据；
Figure BDA0002200000680000061
所述步骤S2的相关度计算公式满足：
Figure BDA0002200000680000062
其中A与B为两个不同测点数据序列，Am、Bm分别为对应测点数据序列里的第m个点，
Figure BDA0002200000680000063
为A测点数据序列的均值，/>
Figure BDA0002200000680000064
为B测点数据的均值，r为A与B测点的相关度计算值；
所述步骤S2中的相关度阈值是经验阈值系数，只有当计算的其它相邻测点相关度高于这个阈值时，才进行相关加权叠加，合理的选取阈值有利于在保证信噪比的同时提高后期反演成像解释横向异常分辨率，阈值选取的范围为0.5到0.9之间；
所述步骤S3中的相关加权叠加是通过计算目标测点与全部测点的相关度值，选取相关度值高于设置阈值的测点，将其作为权系数分别乘以对应的测点数据，叠加到目标测点，最后除以叠加的权系数之和进行数据归一化，得到目标测点叠加值Um满足：
Figure BDA0002200000680000065
其中U为测点数据，Uk为对应的第k个测点数据序列，N为总测点数目，rk为第k测点数据与第m测点数据的相关度值，rmin为相关度阈值，Um为加权叠加后的第m测点的数据；
所述步骤S4中的双极性梯形波发射是拖曳式瞬变电磁发射系统的连续发射波形，双极性梯形波发射周期为工频周期的偶数倍以抑制工频噪声的干扰，正负极性周期发射关断后对应的数据相减满足：
Figure BDA0002200000680000066
其中
Figure BDA0002200000680000072
为相关加权叠加处理后测点数据的正极性周期发射关断后对应的接收数据，/>
Figure BDA0002200000680000073
为负极性周期发射关断后对应的接收数据，Um′为预处理后的第m测点拖曳式瞬变电磁数据；
基于滑动相关加权叠加算法的拖曳式瞬变电磁探测数据预处理方法的详细说明：
(1)、本实施例中拖曳式瞬变电磁探测装置采用入如图1所示的结构，该装置采用中心回线方式探测，包括拖曳车5，以及设置在拖曳平台上的发射系统4和接收系统3，发射系统4在拖曳过程中连续发射，接收系统3同步采集全波形信号数据，发射线圈2为4匝，尺寸为2m×2m，发射频率为12.5Hz，接收线圈1为1匝，半径为0.25m。发射波形为双极性梯形波，接收系统采样率为156.25K，在一段道路上进行拖曳式测量后采集到的整体测线数据X(n)，拖曳式瞬变电磁测线数据见图2，数据预处理流程如图3所示；
(2)、根据发射周期和接收机采样率得出一个发射周期对应的数据量为12500个，将原始实测数据每12500个记为一个测点数据U，图4为单个发射周期对应的测点数据图；
(3)、按照下面相关度计算公式，从第一个测点开始，依次计算该测点数据与其它测点的相关度值r并记录，随后滑至下一个测点数据进行相关度计算，直至滑动完成所有测点数据的相关度计算，图5为第二十个测点与其相邻的测点(第一至第一百测点)的相关度图；
Figure BDA0002200000680000071
(4)、设置相关度阈值rmin，只有当计算的其它相邻测点相关度高于这个阈值时，才进行后面的相关加权叠加，合理的选取阈值有利于在保证信噪比的同时提高后期反演成像解释横向异常分辨率，阈值选取的范围一般为0.6到0.9之间，本文将阈值设置为0.7；
(5)、进行相关加权叠加，将与目标m测点相关度计算值高于阈值的测点进行加权叠加得到Um，权系数rk为计算的相关度值，相关加权叠加算法示意图如图6所示，计算公式如下；
Figure BDA0002200000680000081
(6)、由于是双极性梯形波发射，将每个测点对应的正极性周期发射关断后数据
Figure BDA0002200000680000083
与负极性周期发射关断后数据/>
Figure BDA0002200000680000084
相减，来进一步提高数据信噪比，计算公式满足下式；
Figure BDA0002200000680000082
(7)、所有测点完成上述计算后，即完成了拖曳式瞬变电磁数据的预处理；
为了验证该数据预处理方法的有效性，随机选取一个测点数据(第二二十测点)进行分析，图7为该测点仅通过双极性波数据相减处理得到的数据图形，图8为采用直接叠加法处理后的数据结果，即每隔100个测点数据直接叠加合成为一个测点数据，图9为采用相关加权叠加算法预处理后的数据结果；
基于滑动相关加权叠加的拖曳式瞬变电磁探测数据预处理方法，能够在不减少测点数量的同时有效的提高测点数据信噪比，保证后期数据解释的横向分辨率与准确度。对比图7、图8与图9可知，拖曳式瞬变电磁数据在不经过叠加处理时晚期数据信噪比较低，然而采用直接叠加的方法，虽然叠加100次后晚期信噪比明显提高，但是原始数据的幅度减小明显，数据严重失真，采用滑动相关加权叠加算法预处理后的数据，在提高信噪比的同时，保持了信号的真实性，为后期数据解释奠定了重要基础；图10为采用滑动相关加权叠加算法预处理后的拖曳式瞬变电磁数据视电阻率解释结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种拖曳式瞬变电磁数据预处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、获取瞬变电磁仪器连续拖曳移动发射时采集的全时拖曳瞬变电磁数据，根据发射频率与接收机采样率提取每个发射周期下接收的瞬变电磁数据，每个发射周期采集的数据记为一个测点数据；
S2、设置相关度阈值，从第一个测点开始，依次计算该测点数据与相邻第一至第一百的其它测点的相关度值并记录，随后滑至下一个测点数据进行相关度计算，直至滑动完成所有测点数据的相关度计算；所述步骤S2中相关度阈值是经验阈值系数，只有当计算的其它相邻测点相关度高于这个阈值时，才进行相关加权叠加，通过降低阈值增加相关叠加数目，提高视电阻率成像纵向分辨率，通过提高阈值增加成像横向异常分辨率，阈值选取的范围为0.5到0.9之间；
S3、从第一个测点开始，将与该测点相关度值大于设置阈值的其他测点数据进行相关加权叠加，权值为对应的相关度值，将叠加后的数据记为新的测点数据，随后滑至下一个测点数据进行相关加权叠加计算，直至完成所有测点数据的相关加权叠加计算；
S4、所有相关叠加后的新测点数据为双极性梯形波发射的数据，将其正极性周期发射关断后对应的数据减去负极性周期发射关断后对应的数据后除以二，得到的数据记为拖曳式瞬变电磁预处理后的数据；
S5、所有测点完成上述计算后，完成拖曳式瞬变电磁数据预处理。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的瞬变电磁仪器是由人工或者全地形车牵引的拖曳式瞬变电磁系统，探测线圈放置于移动平台上，采用中心回线配置，发射系统控制发射线圈在拖曳过程中连续发射，接收系统通过接收线圈同步采集全波形信号数据。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的测点数据，其数据长度Lm由发射频率fv与接收机采样率fs定义，将拖曳式数据中每Lm个数据记为一个测点数据，表示为：
Figure FDA0004187953530000021
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤S2相关度计算公式满足：
Figure FDA0004187953530000022
其中A与B为两个不同测点数据序列，Am、Bm分别为对应测点数据序列里的第m个点，
Figure FDA0004187953530000023
为A测点数据序列的均值，/>
Figure FDA0004187953530000024
为B测点数据的均值，r为A与B测点的相关度计算值。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中相关加权叠加具体包括：通过计算目标测点与全部测点的相关度值，选取相关度值高于设置阈值的测点，将其作为权系数分别乘以对应的测点数据，叠加到目标测点，最后除以叠加的权系数之和进行数据归一化，得到目标测点叠加值Um满足：
Figure FDA0004187953530000025
其中U为测点数据，Uk为对应的第k个测点数据序列，N为总测点数目，rk为第k测点数据与第m测点数据的相关度值，rmin为相关度阈值，Um为加权叠加后的第m测点的数据。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中双极性梯形波发射为：拖曳式瞬变电磁发射系统的连续发射波形，双极性梯形波发射周期为工频周期的偶数倍以抑制工频噪声的干扰，正负极性周期发射关断后对应的数据相减满足：
Figure FDA0004187953530000031
其中
Figure FDA0004187953530000032
为相关加权叠加处理后测点数据的正极性周期发射关断后对应的接收数据，
Figure FDA0004187953530000033
为负极性周期发射关断后对应的接收数据，Um'为预处理后的第m测点拖曳式瞬变电磁数据。
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