CN110794464A - 一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法，根据测量得到的前、后高空背景场数据，通过对背景场数据中所有周期信号按照采样时间道进行叠加后平均，得到周期内各时间道的背景场值，通过得到的各时间道背景场值(Background Data)，利用实测数据(Real Data)对背景场进行去除，得到含有地下介质信息的二次场信号(Second Field Data)，航空电磁数据接收线圈中的总场响应包含了背景场信号和二次场信号，通过本发明可以对总场中的背景场进行去除，得到含有地下信息的二次场，通过二次场信息可以较清晰的得到地下结构分布情况，为时间域航空电磁数据处理和解释提供较好的基础。

Description

一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法

技术领域

本发明涉及航空电磁数据预处理技术领域，尤其涉及一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法。

背景技术

时间域航空电磁数据是背景场和二次场之和。其中背景场包含了一次场和飞机及仪器的噪声。与本发明先关的背景技术阐述了如何去除一次场。

Smith(2001)利用时间域航空电磁响应的同向分量和垂向分量对一次场的去除进行了研究，表明在电阻体介质中假设同向分量只含有一次场信息，那么接收传感器的位置可由同向分量确定，但良导体介质不适用于上述情况；如果接收传感器位置测量准确，则可以精准的算出自由空间中一次场值，即可对其在总场中进行去除从而得到二次场。

时间域航空电磁法是航空物探测量的常用方法之一，已广泛应用于矿产资源勘查、环境监测、地质调查等领域。该方法是通过飞机平台搭载电磁勘探设备对地下目标体进行探测，分为时间域和频率域两大类，可以快速高效的对复杂地区进行大面积勘探，特别适合湖泊沼泽、沙漠、高山、森林覆盖等地形复杂地区。该方法通过电磁感应原理，利用发射源向地下发射脉冲磁场，经过地下介质激发产生涡流场，接收线圈接收来自地下返回的涡流场二次场信号的同时，接收从空气中发射装置直接传回的一次场信号。

理想情况下，直接从接收线圈中去除一次场信号即可得到反映地下介质信息的二次场响应，但实际工作中，还需考虑飞机及仪器对信号的影响。我们将一次场信号和飞机及仪器本身感应出的信号及飞机金属表皮轻微颤动引起的附加噪声信号总和称为背景场，即时间域航空电磁接收线圈接收的数据包含了背景场和含有地下介质信息的二次场信号。

由于航空电磁测量收发距较小，导致背景场信号幅值远高于二次场信号，且背景场信号中不含有地下介质信息，所以必须对接收线圈内的背景场信号进行去除，从而得到包含地下介质信息的二次场响应。

首先，Smith进行的是一次场去除，而不是对背景场进行去除。其次，进行去除时不仅需要假设同向分量中只含有了一次场，同时需要限定地下介质导电情况。最后，仍需要通过分量响应计算出接收和发射的位置，才可以确定一次场的响应，且其对传感器测量精度要求非常高。综上，假设条件过多，适用于实际生产中难度要求高。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法，它可以对总场中的背景场进行去除，得到含有地下信息的二次场，通过二次场信息可以较清晰的得到地下结构分布情况，为时间域航空电磁数据处理和解释提供较好的基础。

本发明的技术方案是：提供一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法，根据测量得到的前、后高空背景场数据，通过对背景场数据中所有周期信号按照采样时间道进行叠加后平均，得到周期内各时间道的背景场值，通过得到的各时间道背景场值(BackgroundData)，利用实测数据(Real Data)对背景场进行去除，得到含有地下介质信息的二次场信号(Second Field Data)；

时间域航空电磁数据情况为：时间域航空电磁法是以飞机为平台搭载物探仪器设备来探测地下结构的方法；该系统中包含发射装置、接收装置，接收装置接收到的数据包含一次场信号、二次场信号及噪声；

时间域航空电磁法测量情况为：采用前高空背景场测量——低空工区测量——后高空背景场测量方式进行；测量后的数据包括前、后高空背景场数据，还包含测量工区的低空测线数据；飞机在远离地面一定高度进行飞行测量时，接收线圈得到的信号为一次场信号和飞机及仪器的相关信号，此时地下涡流场极弱可将其忽略，认为此时接收线圈的信号即为背景场；且认为相同采样时间道的信号为一个恒定值；

背景场去除的方法为：时间域航空电磁数据由若干个周期组成，每个周期有固定的采样时间道，假设前、后背景场均各含有100s的数据，航空电磁系统基频是25Hz，则每个周期就有1/25Hz＝0.04s的数据，因此含有2500个周期，每个周期根据采样率计算有4000个采样时间道；分别对前、后高空2500个周期内4000个相同采样时间道进行累加求均值，得到的均值即为一个周期内4000个采样时间道的背景场值；通过时间记录，利用插值来对所有测线的背景场进行计算，从而得到每条测线上方的背景场值，达到对背景场去除的目的。

进一步的，所述接收装置中一次场信号是发射装置直接发出传回得到；二次场信号是地下介质由于一次场激发而产生；由于航空测量涉及飞机和仪器，因此飞机和仪器也会对信号产生影响，视其为噪声成分；最后留下的是含有地下介质信息的二次场信号，对其他信号进行去除；这里将一次场信号和由飞机及仪器产生的噪声统称为背景场信号。

进一步的，背景场去除具体步骤如下：

S1、计算一个周期的背景场数据；将前、后背景场数据中每个周期相同的采样时间道进行累加、平均，即2500个周期中每个采样时间道进行累加，然后累加和再除以2500个周期，得到相应采样时间道的平均值，即得到一个周期4000个采样时间道的背景场值；通过前、后高空背景场各100s的数据分别得到前、后一个4000道采样时间道的背景场值；

S2、构建插值函数；两点确定一条直线；前、后高空数据各有4000个采样时间道，因此每个采样时间道都有两个点，那么每两个点就是一个线性插值函数，由此确定了4000个线性插值；线性插值函数的x即为时间间隔，y即为背景场值；x是已知数，是通过仪器测量过程中同步记录得到，故我们可以得到测线上方一个周期内各采样时间道的背景场值；由于高空背景场数据相同采样时间道的信号为一个恒定值，故只需要得到各测线一个周期内各采样时间道的背景场信号即可，插值后得到每条测线的高空背景场数据；

S3、背景场去除；通过上面步骤已经得到每条测线上方的背景场值，相对应的采样时间道进行相减即可得到每条测线的二次场信号。

进一步的，背景场场值对实测数据影响大且其不含有地下介质信息，若不正确的进行去除，二次场信息会淹没在背景场信号中，背景场去除后，得到的二次场信号可以通过测线响应清晰的判断地下介质分布情况。

进一步的，通过正确的背景场去除，可以从数据中判断异常出现的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：航空电磁数据接收线圈中的总场响应包含了背景场信号和二次场信号，通过本发明可以对总场中的背景场进行去除，得到含有地下信息的二次场，通过二次场信息可以较清晰的得到地下结构分布情况，为时间域航空电磁数据处理和解释提供较好的基础。

附图说明

构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的时间域航空电磁野外飞行示意图；

图2示出了本发明背景场线性插值示意图；

图3示出了本发明背景场去除前后效果比较图；

图4示出了本发明实测数据与背景场数据剖面对比图；

图5示出了本发明二次场数据剖面图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法，根据已知测量得到的前、后高空背景场数据，通过对背景场数据中所有周期信号按照采样时间道进行叠加后平均，得到周期内各时间道的背景场值，通过得到的各时间道背景场值，利用实测数据对背景场进行去除，得到含有地下介质信息的二次场信号；

时间域航空电磁数据情况为：时间域航空电磁法是以飞机为平台搭载物探仪器设备来探测地下结构的一种物探方法；该系统中包含发射装置、接收装置，接收装置接收到的数据包含一次场信号、二次场信号及各种噪声，如飞机等；

如图1所示，时间域航空电磁法测量情况为：采用前高空背景场测量——低空工区测量——后高空背景场测量方式进行；测量后的数据包括前、后高空背景场数据，还包含测量工区的低空测线数据；飞机在远离地面一定高度(>1000m)进行飞行测量时，接收线圈得到的信号为一次场信号和飞机及仪器的相关信号，此时地下涡流场极弱可将其忽略，认为此时接收线圈的信号即为背景场；且认为相同采样时间道的信号为一个恒定值；

背景场去除的方法为：时间域航空电磁数据由若干个周期组成，每个周期有固定的采样时间道，这里为了方便说明，假设前、后背景场均各含有100s的数据，航空电磁系统基频是25Hz，则每个周期就有1/25Hz＝0.04s的数据，因此含有2500个周期，每个周期根据采样率计算有4000个采样时间道；我们分别对前、后高空2500个周期内4000个相同采样时间道进行累加求均值，得到的均值即为一个周期内4000个采样时间道的背景场值。通过时间记录，利用插值来对所有测线的背景场进行计算，从而得到每条测线上方的背景场值，达到对背景场去除的目的。

进一步的，接收装置中一次场信号是发射装置直接发出传回得到；二次场信号是地下介质由于一次场激发而产生；由于航空测量涉及飞机和仪器，因此飞机和仪器也会对信号产生影响，视其为噪声成分；需要最后留下的是含有地下介质信息的二次场信号，因此必须对其他信号进行去除；这里将一次场信号和由飞机及仪器产生的噪声统称为背景场(信号)。

进一步的，背景场去除具体步骤如下：

S1、计算一个周期的背景场数据；将前、后背景场数据中每个周期相同的采样时间道进行累加、平均，即2500个周期中每个采样时间道进行累加，然后累加和再除以2500个周期，得到相应采样时间道的平均值，即得到一个周期4000个采样时间道的背景场值；通过前、后高空背景场各100s的数据分别得到前、后一个4000道采样时间道的背景场值；

S2、如图2所示，构建插值函数；两点确定一条直线；前、后高空数据各有4000个采样时间道，因此每个采样时间道都有两个点，那么每两个点就是一个线性插值函数，由此确定了4000个线性插值；线性插值函数的x即为时间间隔，y即为背景场值；x是已知数，是通过仪器测量过程中同步记录得到，故我们可以得到测线上方一个周期内各采样时间道的背景场值；由于高空背景场数据相同采样时间道的信号为一个恒定值，故只需要得到各测线一个周期内各采样时间道的背景场信号即可，插值后得到每条测线的高空背景场数据；

S3、背景场去除；通过上面步骤已经得到每条测线上方的背景场值，相对应的采样时间道进行相减即可得到每条测线的二次场信号。

进一步的，从图3中可以清晰的看出背景场场值对实测数据(Real Data)影响非常大，若不正确的进行去除，二次场信息(Second Field Data)会淹没在背景场信号(Background Data)中，且由于背景场不含有地下介质信息，因此也必须予以去除。同时，将背景场数据和实测数据进行剖面展示，图4给出了实测数据和背景场在剖面情况下的数据对比情况，从图中不能明确的看出地下介质分布的情况。

进一步的，当进行背景场去除后，二次场剖面曲线发生变化。如图5所示，给出了去除背景场后的二次场剖面数据，从数据中可以较为清晰的判断异常出现的大体位置(377350-377550，379000-3794000)，处理结果再一次说明去除背景场的必要性。正确的去除背景场可以为后期数据处理奠定了较好的基础。

实施例

根据测量得到的前、后高空背景场数据，对背景场数据中所有周期信号按照采样时间道进行叠加平均，得到周期内各时间道的背景场值，通过插值函数得到的测线各时间道背景场值，利用实测数据与背景场作差进行背景场去除，得到含有地下介质信息的二次场信号。

从图3中可以清晰的看出背景场场值对实测数据影响非常大，如不正确的进行去除，二次场信息会淹没在背景场信号中，且由于背景场不含有地下介质信息，因此也必须予以去除。同时，将背景场数据和实测数据进行剖面展示，图4给出了实测数据和背景场在剖面情况下的数据对比情况，从图中难以明确的看出地下介质分布的情况。

当进行背景场去除后，二次场剖面曲线有了明显的变化。如图5所示，给出了去除背景场后的二次场剖面数据，从数据中可以较为清晰的判断异常出现的大体位置(377350-377550，379000-3794000)，处理结果再一次说明去除背景场的必要性。正确的去除背景场可以为后期数据处理奠定了较好的基础。

背景技术在诸多假设的情况下，仅去除了一次场响应，而本发明不仅去除了一次场响应，同时将飞机及仪器产生的影响进行了去除，经过验证本发明可以较好的应用于实测数据中。

本发明的技术关键点为：

确定前、后高空背景场数据的周期数及每个周期的采样时间道；

确定工区测线开始时间与前后高空背景数据的时间间隔；

准确计算相同采样时间道的斜率和截距；

通过上述关键点，本发明的航空电磁数据接收线圈中的总场响应包含了背景场信号和二次场信号，通过本发明可以对总场中的背景场进行去除，得到含有地下信息的二次场，通过二次场信息可以较清晰的得到地下结构分布情况，为时间域航空电磁数据处理和解释提供较好的基础。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

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、工作、器件、组件和/或它们的组合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法，其特征在于：根据测量得到的前、后高空背景场数据，通过对背景场数据中所有周期信号按照采样时间道进行叠加后平均，得到周期内各时间道的背景场值，通过得到的各时间道背景场值(Background Data)，利用实测数据(Real Data)对背景场进行去除，得到含有地下介质信息的二次场信号(Second FieldData)；

时间域航空电磁数据情况为：时间域航空电磁法是以飞机为平台搭载物探仪器设备来探测地下结构的方法；该系统中包含发射装置、接收装置，接收装置接收到的数据包含一次场信号、二次场信号及噪声；

时间域航空电磁法测量情况为：采用前高空背景场测量——低空工区测量——后高空背景场测量方式进行；测量后的数据包括前、后高空背景场数据，还包含测量工区的低空测线数据；飞机在远离地面一定高度进行飞行测量时，接收线圈得到的信号为一次场信号和飞机及仪器的相关信号，此时地下涡流场极弱可将其忽略，认为此时接收线圈的信号即为背景场；且认为相同采样时间道的信号为一个恒定值；

背景场去除的方法为：时间域航空电磁数据由若干个周期组成，每个周期有固定的采样时间道，假设前、后背景场均各含有100s的数据，航空电磁系统基频是25Hz，则每个周期就有1/25Hz＝0.04s的数据，因此含有2500个周期，每个周期根据采样率计算有4000个采样时间道；分别对前、后高空2500个周期内4000个相同采样时间道进行累加求均值，得到的均值即为一个周期内4000个采样时间道的背景场值；通过时间记录，利用插值来对所有测线的背景场进行计算，从而得到每条测线上方的背景场值，达到对背景场去除的目的。

2.根据权利要求1所述一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法，其特征在于：所述接收装置中一次场信号是发射装置直接发出传回得到；二次场信号是地下介质由于一次场激发而产生；由于航空测量涉及飞机和仪器，因此飞机和仪器也会对信号产生影响，视其为噪声成分；最后留下的是含有地下介质信息的二次场信号，对其他信号进行去除；这里将一次场信号和由飞机及仪器产生的噪声统称为背景场信号。

3.根据权利要求1所述一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法，其特征在于，背景场去除具体步骤如下：

S1、计算一个周期的背景场数据；将前、后背景场数据中每个周期相同的采样时间道进行累加、平均，即2500个周期中每个采样时间道进行累加，然后累加和再除以2500个周期，得到相应采样时间道的平均值，即得到一个周期4000个采样时间道的背景场值；通过前、后高空背景场各100s的数据分别得到前、后一个4000道采样时间道的背景场值；

S2、构建插值函数；两点确定一条直线；前、后高空数据各有4000个采样时间道，因此每个采样时间道都有两个点，那么每两个点就是一个线性插值函数，由此确定了4000个线性插值；线性插值函数的x即为时间间隔，y即为背景场值；x是已知数，是通过仪器测量过程中同步记录得到，故我们可以得到测线上方一个周期内各采样时间道的背景场值；由于高空背景场数据相同采样时间道的信号为一个恒定值，故只需要得到各测线一个周期内各采样时间道的背景场信号即可，插值后得到每条测线的高空背景场数据

S3、背景场去除；通过上面步骤已经得到每条测线上方的背景场值，相对应的采样时间道进行相减即可得到每条测线的二次场信号。

4.根据权利要求1所述一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法，其特征在于：背景场场值对实测数据影响大且其不含有地下介质信息，若不正确的进行去除，二次场信息会淹没在背景场信号中，背景场去除后，得到的二次场信号可以通过测线响应清晰的判断地下介质分布情况。

5.根据权利要求1所述一种去除时间域航空电磁数据背景场的方法，其特征在于：通过正确的背景场去除，可以从数据中判断异常出现的位置。

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