CN110865240B - 一种探测大地电性结构的方法和装置 - Google Patents

一种探测大地电性结构的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种探测大地电性结构的方法和装置，所述方法包括：获取输电线产生的工频电磁场信号与大地作用后的信号；从获得的信号中提取有效工频电磁场信号；对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构。本发明实施例基于工频电磁场信号实现对大地电性结构的测量，既消除了工频电磁场干扰，又实现了对大地电性结构的探测，提高了对大地电性结构的探测精度，降低了起伏山区的探测成本，提高了起伏山区的施工效率。

Description

一种探测大地电性结构的方法和装置
技术领域
本发明实施例涉及电磁场及其应用技术，尤指一种探测大地电性结构的方法和装置。
背景技术
电磁法是探测地球电性结构的主要手段，因具有勘探深度大、不受高阻层屏蔽、对低阻体灵敏、成本低效率高等优点，电磁法已被广泛应用于金属矿产、油气资源、水文地质、工程勘查、环境评估、壳幔研究等领域。获得高信噪比的观测信号是保障电磁法数据处理精度及探测结果准确度的关键因素，也是数据采集的首要目标。然而，电磁法的数据通常会受到多种多样的噪音干扰，导致其信号质量下降。其中最普遍存在且影响最为严重的一个干扰是输电线系统产生的工频电磁场干扰，即50赫兹(Hz)(有些国家为60Hz)及其谐频成分的电磁波干扰。当观测点离输电线较近时，有效电磁信号几乎被强工频信号淹没，形成似等振幅的50Hz噪声干扰，导致观测数据发生严重畸变。
为压制或去除电磁法数据中的工频电磁场干扰，人们在数据采集和处理过程中不得不采取各种各样的技术手段。但是，工频电磁场干扰对电磁法观测的影响途径比较多，影响机理比较复杂，干扰影响也具有多样性，单一的数据处理方法很难对其进行彻底的滤除，而且大部分滤波技术还会造成有效频谱信息的损失。特别是当离输电线较近，工频电磁场干扰强度较大时，常规的滤波、陷波技术无法完全消除工频电磁场干扰，且由频率混叠的作用、限幅效应、谐波效应等造成的干扰也无法通过后续的数据处理方法进行消除。工频电磁场干扰成为电磁法测量中无法避免、难以克服的一种干扰。
发明内容
本发明实施例提出了一种探测大地电性结构的方法和装置，能够在消除输电线产生的工频电磁场干扰的情况下实现对大地电性结构的探测。
本发明实施例提出了一种探测大地电性结构的方法，包括：
获取输电线产生的工频电磁场信号与大地作用后的信号；
从获得的信号中提取有效工频电磁场信号；
对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构。
在本发明实施例中，从获得的信号中提取有效工频电磁场信号包括：
对所述获得的信号进行傅里叶变换，从傅里叶变换后的信号中提取特定频率的信号，将特定频率的信号进行傅里叶逆变换得到所述有效工频电磁场信号；
其中，所述特定频率包括基频和以下至少之一：多次谐波、间谐波、次谐波。
在本发明实施例中，对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构包括：
根据所述基频的垂直磁场分量与谐频的垂直磁场分量确定所述谐频电流；其中，所述谐频包括以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频；
当所述有效工频电磁场信号满足非近场条件时，根据基频电流和所述谐频电流计算无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场；
根据无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场对所述有效工频电磁场信号进行反演得到大地电性结构。
本发明实施例提出了一种探测大地电性结构的装置，包括：
信号获取模块，用于获取传输电产生的工频电磁场信号与大地作用后的信号；
信号提取模块，用于从获得的信号中提取有效工频电磁场信号；
信号处理模块，用于对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构。
本发明实施例提出了一种探测大地电性结构的装置，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当指令被处理器执行时，实现上述任一种探测大地电性结构的方法的步骤。
本发明实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种探测大地电性结构的方法。
本发明实施例包括：获取输电线产生的工频电磁场信号与大地作用后的信号；从获得的信号中提取有效工频电磁场信号；对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构。本发明实施例基于工频电磁场信号实现对大地电性结构的测量，既消除了工频电磁场干扰，又实现了对大地电性结构的探测，提高了对大地电性结构的探测精度，降低了起伏山区的探测成本，提高了起伏山区的施工效率。
附图说明
下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。
图1为本发明一个实施例提出的探测大地电性结构的方法的流程图；
图2为本发明实施例仪器观测到的输电线产生的工频电磁场信号的示意图；
图3为本发明实施例电磁场的频谱信息示意图；
图4为本发明实施例电阻率—深度断面示意图
图5为本发明另一个实施例提出的探测大地电性结构的装置的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。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各种方式可以相互组合。
输电线产生的工频电磁波在传播过程中同样与大地发生电磁耦合作用，并携带着大地的电阻率信息，因此，可以考虑利用输电线产生的工频电磁场进行大地电性结构的探测，并且，输电线产生的电磁场具有较为丰富的频谱信息。以我国为例，输电线的基频(f0)为50Hz，受电压、电流的畸变还会产生多次谐波(f＝nf0)成分。此外，电网系统中还会产生丰富的间谐波(f≠nf0)和次谐波(0<f<f0)成分。若能有效利用这部分电磁场进行探测，则具有非常大的优势。首先，输电线中的电流一般可达几百至几千安培，可以发送常规人工源不能企及的能量，信号可覆盖很大的范围；其次，固定输电线的工频电磁场的振幅基本是稳定的，便于实施重复观测；再次，可以获得输电线的位置和属性信息，对其产生的电磁场进行计算；最后，我国电力网分布密集，即使人烟稀少的山区也常有输电线经过，为实施观测提供了便利。
参见图1，本发明一个实施例提出了一种探测大地电性结构的方法，包括：
步骤100、获取输电线产生的工频电磁场信号与大地作用后的信号。
在本发明实施例中，工频电磁场信号与大地作用后的信号包括：平行于输电线的电场分量Ey、垂直于输电线的水平磁场分量Hx和铅锤方向的磁场分量Hz(即垂直磁场分量)。
在本发明实施例中，可以利用可实施大地电磁法测量的仪器，如V8、GMS-07e等在距离输电线一定范围内观测工频电磁场信号，可实施大地电磁法测量的仪器观测到工频电磁场信号后发送到实现本发明实施例的探测大地电性结构的方法的设备或装置。
在本发明实施例中，利用电极观测平行于输电线的电场分量Ey，利用磁探头观测垂直于输电线的水平磁场分量Hx和铅锤方向的垂直磁场分量Hz。
步骤101、从获得的信号中提取有效工频电磁场信号。
在本发明实施例中，对获得的信号进行傅里叶变换，从傅里叶变换后的信号中提取特定频率的信号，将特定频率的信号进行傅里叶逆变换得到有效工频电磁场信号。
其中，可以利用复调制频率细化技术对获得的信号进行傅里叶变换。
其中，特定频率包括基频和以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频。
步骤102、对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构。
在本发明实施例中，大地电性结构包括大地电阻率和深度信息。
在本发明实施例中，对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构包括：
根据所述基频的垂直磁场分量与谐频的垂直磁场分量确定所述谐频电流；其中，所述谐频包括以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频；
当所述有效工频电磁场信号满足非近场条件时，根据基频电流和所述谐频电流计算无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场；
根据无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场对所述有效工频电磁场信号进行反演得到大地电性结构。
具体实施步骤包括：
(1)在输电线附近布设基站(即上述可实施大地电磁法测量的仪器)，同步观测工频电磁场信号，监测输电线运行稳定性，以及时发现输电线因为闪污、短路、泄露等因素造成的电磁场异常；
(2)记录输电线电压等级、排列方式、走向等信息。
(3)利用基站观测信号中基频(50Hz)的垂直磁场分量与谐频的垂直磁场分量确定各谐频电流大小；例如，谐频电流即为谐频的垂直磁场分量与基频的垂直磁场分量之间的比值乘以基频电流；其中，所述谐频包括以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频；
(4)通过有效工频电磁场信号的垂直磁场分量和水平磁场分量的比值T＝|Hz|/|Hx|确定有效工频电磁场信号是否满足非近场条件。具体的，当垂直磁场分量和水平磁场分量的比值小于或等于预设阈值(如1.5)时，确定有效工频电磁场信号满足非近场条件；当垂直磁场分量和水平磁场分量的比值大于预设阈值时，确定有效工频电磁场信号不满足非近场条件。当有效工频电磁场信号满足非近场条件时，才具有一定的测深能力，即继续执行步骤(5)。
(5)根据得到的基频和各谐频电流大小，利用公式(1)～(3)计算无限长导线产生的电磁场，并根据记录的实际输电线排列方式和走向，利用矢量合成法则计算输电线在层状大地中产生的电磁场；
Figure BDA0002293026650000061
Figure BDA0002293026650000062
Figure BDA0002293026650000063
式中，rTE为TE反射系数(包括深度信息)，I为供电线中基频或谐频的电流幅值，
Figure BDA0002293026650000064
其中，ω为角频率，μ0为空气磁导率，z为观测点高度，
Figure BDA0002293026650000065
为波数，其中，ε0为空气介电常数，σx为大地电导率。
(6)利用OCCAM算法，对有效工频电磁场信号进行一维反演，得到大地电阻率和深度信息。
本发明实施例基于工频电磁场信号实现对大地电性结构的测量，既消除了工频电磁场干扰，又实现了对大地电性结构的探测，并且提高了对大地电性结构的探测精度，并且降低了起伏山区的成本，提高了起伏山区的效率。
示例
以国内某矿区探测结果为例，说明本发明专利的实施方法和效果。
1、传输电产生的工频电磁场信号经大地反射的信号采集
根据测区输电线分布情况，选择远离其他人噪声干扰的区域进行数据采集。与输电线平行方向布置一条测线，测线长度800米，测点间距40米，与输电线距离570米。采用V8多功能电法工作站观测Ey分量、Hx分量和Hz分量。同时在距输电线正下方10米处布设基站连续观测输电线的工频电磁场信号。如图1所示为观测到的传输电产生的工频电磁场信号的观测信号，图中的曲线可以是Ey分量、Hx分量和Hz分量中的任意一个，横坐标为时间，纵坐标为振幅。
2.有效工频电磁场信号提取
利用复调制频率细化技术对传输电产生的工频电磁场信号经大地反射的信号进行傅里叶变换，得到电磁场的频谱信息，如图3所示，横坐标为振幅，纵坐标为频率。由此可以提取出有效的工频电磁信号频率为：50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz、350Hz、400Hz、450Hz、500Hz、550Hz、600Hz、650Hz、700Hz、750Hz、800Hz、900Hz、950Hz。
3.有效工频电磁场信号数据处理解释
利用OCCAM反演算法，对提取出的有效工频电磁场信号进行一维反演解释，得到如图4所示的电阻率—深度断面图，图中，横坐标为测点距离，纵坐标为深度。由图4可知，地层成层性较好，在测线深度100m～200m之间存在一个低阻异常区域，这与已有地质资料基本吻合。该探测结果说明本发明专利在实际生产中有较好的效果。
参见图5，本发明另一个实施例提出了一种探测大地电性结构的装置，包括：
信号获取模块，用于获取输电线产生的工频电磁场信号与大地作用后的信号；
信号提取模块，用于从获得的信号中提取有效工频电磁场信号；
信号处理模块，用于对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构。
在本发明实施例中，工频电磁场信号经大地反射的信号包括：平行于输电线的电场分量Ey、垂直于输电线的水平磁场分量Hx和铅锤方向的磁场分量Hz(即垂直磁场分量)。
在本发明实施例中，可以利用可实施大地电磁法测量的仪器，如V8、GMS-07e等在距离输电线一定范围内观测工频电磁场信号，可实施大地电磁法测量的仪器观测到工频电磁场信号后发送到实现本发明实施例的探测大地电性结构的方法的设备或装置。
在本发明实施例中，利用电极观测平行于输电线的电场分量Ey，利用磁探头观测垂直于输电线的水平磁场分量Hx和铅锤方向的垂直磁场分量Hz。
在本发明实施例中，信号提取模块具体用于：对观测信号进行傅里叶变换，从傅里叶变换后的信号中提取特定频率的信号，将特定频率的信号进行傅里叶逆变换得到有效工频电磁场信号。
其中，信号提取模块可以利用复调制频率细化技术对经大地反射的信号进行傅里叶变换。
其中，特定频率包括基频和以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频。
在本发明实施例中，大地电性结构包括大地电阻率和深度信息。
在本发明实施例中，信号提取模块具体用于：
根据所述基频的垂直磁场分量与谐频的垂直磁场分量确定所述谐频电流；其中，所述谐频包括以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频；
当所述有效工频电磁场信号满足非近场条件时，根据基频电流和所述谐频电流计算无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场；
根据无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场对所述有效工频电磁场信号进行反演得到大地电性结构。
具体实施步骤包括：
(1)在输电线附近布设基站(即上述可实施大地电磁法测量的仪器)，同步观测工频电磁场信号，监测输电线运行稳定性，以及时发现输电线因为闪污、短路、泄露等因素造成的电磁场异常；
(2)记录输电线电压等级、排列方式、走向等信息。
(3)利用基站观测信号中基频(50Hz)的垂直磁场分量与谐频的垂直磁场分量之间的比值，确定各谐频电流大小；例如，谐频的垂直磁场分量与基频的垂直磁场分量之间的比值乘以基频电流；其中，所述谐频包括以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频；
(4)通过有效工频电磁场信号的垂直磁场分量和水平磁场分量的比值T＝|Hz|/|Hx|确定有效工频电磁场信号是否满足非近场条件。具体的，当垂直磁场分量和水平磁场分量的比值小于或等于预设阈值(如1.5)时，确定有效工频电磁场信号满足非近场条件；当垂直磁场分量和水平磁场分量的比值大于预设阈值时，确定有效工频电磁场信号不满足非近场条件。当有效工频电磁场信号满足非近场条件时，才具有一定的测深能力，即继续执行步骤(5)。
(5)根据得到的基频和各次谐频电流大小，利用公式(1)～(3)计算无限长导线产生的电磁场，并根据记录的实际输电线排列方式和走向，利用矢量合成法则计算输电线在层状大地中产生的电磁场；
Figure BDA0002293026650000091
Figure BDA0002293026650000092
Figure BDA0002293026650000093
式中，rTE为TE反射系数(包括深度信息)，I为输电线中基频或谐频电流的幅值，
Figure BDA0002293026650000094
其中ω为角频率，μ0为空气磁导率，z为观测点高度，
Figure BDA0002293026650000095
为波数，其中，ε0为空气介电常数，σx为大地电导率。
(7)利用OCCAM算法，对有效工频电磁场信号进行一维反演，得到大地电阻率和深度信息。
上述探测大地电性结构的装置的具体实现过程与前述实施例探测大地电性结构的方法的具体实现过程相同。
本发明实施例基于工频电磁场信号实现对大地电性结构的测量，既消除了工频电磁场干扰，又实现了对大地电性结构的探测，并且提高了对大地电性结构的探测精度，并且降低了起伏山区的成本，提高了起伏山区的效率。
本发明另一个实施例提出了一种探测大地电性结构的装置，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当指令被处理器执行时，实现上述任一种探测大地电性结构的方法的步骤。
本发明另一个实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种探测大地电性结构的方法。
需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种探测大地电性结构的方法，其特征在于，所述大地电性结构包括大地电阻率和深度信息，包括：
获取输电线产生的工频电磁场与大地作用后的信号；
从获得的信号中提取有效工频电磁场信号；
对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构；
从获得的信号中提取有效工频电磁场信号包括：
对所述获得的信号进行傅里叶变换，从傅里叶变换后的信号中提取特定频率的信号，将特定频率的信号进行傅里叶逆变换得到所述有效工频电磁场信号；
其中，所述特定频率包括基频和以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频；
所述对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构包括：
根据所述基频的垂直磁场分量与谐频的垂直磁场分量确定谐频电流；其中，所述谐频包括以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频；
当所述有效工频电磁场信号满足非近场条件时，根据基频电流和所述谐频电流计算无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场；
根据无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场对所述有效工频电磁场信号进行反演得到大地电性结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构包括：
在输电线附近布设基站，同步观测工频电磁场信号，监测输电线运行稳定性；
记录输电线电压等级、排列方式、走向信息；
利用基站观测信号中基频的垂直磁场分量与谐频的垂直磁场分量确定各谐频电流大小；
通过有效工频电磁场信号的垂直磁场分量和水平磁场分量的比值T＝|Hz|/|Hx|确定有效工频电磁场信号是否满足非近场条件；
当所述有效工频电磁场信号满足非近场条件时，根据得到的基频和各谐频电流大小，利用公式(1)～(3)计算无限长导线产生的电磁场，并根据记录的实际输电线排列方式和走向，利用矢量合成法则计算输电线在层状大地中产生的电磁场；
Figure FDA0003083064610000021
Figure FDA0003083064610000022
Figure FDA0003083064610000023
式中，rTE为TE反射系数，所述TE反射系数包括深度信息，I为供电线中基频或谐频的电流幅值，
Figure FDA0003083064610000024
其中，ω为角频率，μ0为空气磁导率，z为观测点高度，
Figure FDA0003083064610000025
为波数，其中，ε0为空气介电常数，σx为大地电导率；
利用OCCAM算法，对有效工频电磁场信号进行一维反演，得到大地电阻率和深度信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过有效工频电磁场信号的垂直磁场分量和水平磁场分量的比值T＝|Hz|/|Hx|确定有效工频电磁场信号是否满足非近场条件包括：
当垂直磁场分量和水平磁场分量的比值小于或等于预设阈值时，确定有效工频电磁场信号满足非近场条件；当垂直磁场分量和水平磁场分量的比值大于预设阈值时，确定有效工频电磁场信号不满足非近场条件；当有效工频电磁场信号满足非近场条件时，具有一定的测深能力，继续执行根据得到的基频和各谐频电流大小的步骤。
4.一种探测大地电性结构的装置，其特征在于，所述大地电性结构包括大地电阻率和深度信息，包括：
信号获取模块，用于获取输电线产生的工频电磁场信号与大地作用后的信号；
信号提取模块，用于从获得的信号中提取有效工频电磁场信号；
信号处理模块，用于对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构；
所述信号提取模块从获得的信号中提取有效工频电磁场信号包括：
对所述获得的信号进行傅里叶变换，从傅里叶变换后的信号中提取特定频率的信号，将特定频率的信号进行傅里叶逆变换得到所述有效工频电磁场信号；
其中，所述特定频率包括基频和以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频；
所述信号处理模块所述对有效工频电磁场信号进行数据处理得到大地电性结构包括：
根据所述基频的垂直磁场分量与谐频的垂直磁场分量确定谐频电流；其中，所述谐频包括以下至少之一：多次谐频、间谐频、次谐频；
当所述有效工频电磁场信号满足非近场条件时，根据基频电流和所述谐频电流计算无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场；
根据无限长导线产生的电磁场和输电线在层状大地中产生的电磁场对所述有效工频电磁场信号进行反演得到大地电性结构。
5.一种探测大地电性结构的装置，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当指令被处理器执行时，实现如权利要求1～3任一项所述的探测大地电性结构的方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～3任一项所述的探测大地电性结构的方法。
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