CN110954962B - 一种用于强噪声环境的拖曳式瞬变电磁数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在强噪声环境中的拖曳式瞬变电磁高效噪声抑制方法，包括：设计拖曳式瞬变电磁系统参数；拖曳车工作，电磁系统连续采集“噪声‑二次场信号”交替数据，取“噪声‑N组二次场信号”作为一个处理单元点；最优噪声相位搜索；去掉噪声成分比重最大的周期性噪声，获得初步消噪信号；直到N组二次场信号全部处理完成；N组信号的最优目标函数值Z进行由小到大排序，对N组处理后的信号进行两次筛选，获得第一个候选信号s1和第二个候选信号s2；计算候选信号s1与候选信号s2后1/2数据的方差v1和方差v2，输出最终处理信号。本发明可大幅提高信噪比，克服了拖曳式瞬变电磁系统在移动探测中无法获取较多叠加次数、信噪比低的问题。

Description

一种用于强噪声环境的拖曳式瞬变电磁数据处理方法

技术领域

本发明涉及瞬变电磁信号处理领域，特别是在强噪声环境中的拖曳式瞬变电磁高效噪声抑制方法。

背景技术

近十几年科技发展迅速，地表土地资源越来越稀缺。人类对地下空间的探索与开发也逐渐受到更多的海内外学者的关注。地下隧道铺设、综合管廊建设、海绵城市规划均与地下空间规划利用密不可分。要高效、安全、充分的利用地下空间，首要任务就是用一种高效准确的地下空间探测方法。

瞬变电磁法是一种基于电磁感应定律的地球物理探测方法，因其对低阻体敏感的特点，广泛应用于地质结构探测、地质资源勘查等工作中，同时广泛服务于人类城市地下空间的科学研究与探索工作中。然而在噪声抑制方面，目前瞬变电磁法处理噪声的最有效方法是对同一测点进行大量叠加，该传统的方法在定点探测场景取得了很好的噪声抑制效果；但是由于大量的叠加次数，导致系统工作效率大大下降。而且，为了高效探测，拖曳式瞬变电磁进行移动测量，叠加次数有限，传统的数据处理方法无法有效抑制噪声，尤其是在较强周期性噪声干扰(如工频谐波噪声)的环境中，噪声抑制效果更差；且在高速拖曳移动探测中，会采集大量数据，给数据保存和后期处理带来很大压力。因此，一个合理的拖曳式噪声处理方法是必不可少的。

发明内容

本发明提供一种用于强噪声环境的拖曳式瞬变电磁数据处理方法，在降低叠加次数的同时，有效抑制噪声，保证了拖曳车能够保持较高移速状态下进行高精度的探测，对于实现地下空间的连续高效高精度探测具有重要意义。

本发明是这样实现的，一种用于强噪声环境的拖曳式瞬变电磁数据处理方法，包括以下步骤：

一种用于强噪声环境的拖曳式瞬变电磁数据处理方法，，该方法包括：包括以下步骤：

S1、设计拖曳式瞬变电磁系统发射频率f、发射电流幅度I、采样频率f_R参数，设定拖曳车移动速度，分为快速和慢速两种工作模式，慢速是快速的速度2倍，根据不同探测环境调整以及切换；

S2、拖曳车工作，电磁系统连续采集“噪声-二次场信号”交替数据，取“噪声-N组二次场信号”作为一个处理单元，单个测点；

S3、最优噪声相位搜索，对一个处理单元的二次场信号进行处理，采用处理单元的前40ms噪声数据和下一个处理单元的前40ms噪声数据作为参考噪声，结合二次场信号中的噪声情况，对参考噪声遍历搜索最优相位，依次对处理单元的N组二次场信号进行处理，其中，N等于一个处理单元的二次场采集时间乘以发射频率f后取整数；

S4、寻找到与二次场信号中噪声成分最相似的噪声相位后，去掉噪声成分比重最大的周期性噪声，获得初步消噪信号；

S5、判定是否处理完N组信号，如果没有完成，重复步骤S3、S4对下一组二次场信号进行处理，直到N组二次场信号全部处理完成；

S6、N组信号的最优目标函数值Z进行由小到大排序，对N组处理后的信号进行一次筛选，舍弃目标函数值后一半较大值对应的信号，获得第一个候选信号s1；

S7、N组信号的最优目标函数值Z进行由小到大排序，对N组处理后的信号进行一次筛选，取数值B作为第二个阈值，其中B＝2A，A是最优目标函数值的中位数，保留所有Z<B的初步消噪信号，再将保留信号进行叠加平均处理，得到第二个候选信号s2；

S8、计算候选信号s1与候选信号s2后1/2数据的方差v1和方差v2，若v1<v2，则候选信号s1作为本次测点的输出结果；反之，候选信号s2作为本次测点的输出结果，对输出结果进行保存，该输出结果即为一个处理单元的最终处理信号；

S9、拖曳车行驶过程中，对每一个“噪声-N组二次场信号”测点进行实时数据处理。

进一步地，该方法包括：S1中快速和慢速两种工作模式，分别设置为车速5m/s与10m/s；车速为5m/s时，电磁系统相间采集40ms噪声与960ms二次场信号，车速为10m/s时相间采集40ms噪声与460ms二次场信号。

进一步地，S2中当车速5m/s时，一个处理单元的采集时间为1s；车速10m/s时，一个处理单元的采集时间为0.5s；二次场信号数据表示为：

x(t)＝s(t)+n_c(t)

其中x(t)为采集的二次场信号，s(t)为真实信号，n_c(t)为以周期性噪声为主的多种噪声耦合。

进一步地，S3中，搜索最优噪声相位为在时间域上匹配出与二次场信号中的噪声成分相似性最高的部分，寻优过程的目标函数为二次场信号后1/3数据与等长的纯噪声数据计算误差平方和，目标函数值最小为最优，保留最优目标函数值Z。

进一步地，S3中，以误差平方和作为衡量相似性的目标函数，其数值越小代表两者相似性越高，目标函数表示为：

其中t₀为遍历寻优过程中的搜索坐标，l为采集到的一组二次场信号总长，x为N组二次场信号中的一组，n为采集到的噪声数据。

进一步地，S4中根据最优噪声相位截取一段与信号等长的噪声数据，信号与最优噪声数据段做差，去掉噪声成分比重最大的周期性噪声。

进一步地，对N组处理后的信号进行一次筛选，舍弃目标函数值后一半较大值对应的信号包括：取N组信号最优目标函数值的中位数A作为第一个阈值，保留所有Z<A的初步消噪信号，再将保留信号叠加平均得到第一个候选信号s1。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

1)本发明提出了用于强噪声环境的拖曳式瞬变电磁数据处理方法，仅通过较少次数的叠加即可大幅提高信噪比，克服了拖曳式瞬变电磁系统在移动探测中无法获取较多叠加次数、信噪比低的问题；

2)本发明提出的方法适用不同噪声环境，可以灵活选择工作模式，在提高工作效率的同时，保证了较高的横向分辨率；

3)本发明提出的方法采用遍历寻优思路，快速搜索参考噪声与信号中噪声的最佳匹配段，并用晚期信号进行匹配，减小二次场信号中早期信号对于匹配过程中的影响，可快速准确去除信号中的周期噪声，有效提高信噪比；

4)本发明提出的方法采用双阈值进行有效叠加数据的筛选，可排除一些质量差的信号数据，这些质量差的信号数据参与叠加会整体降低数据处理结果；

5)本发明提出的方法在拖曳车行驶过程中，对每一个测点进行实时数据处理，由于拖曳瞬变电磁系统会采集大量的数据，利用该方法可以大幅降低了数据存储容量。

附图说明

图1为本发明方法整体工作流程图；

图2为车速5m/s时的拖曳瞬变电磁系统工作模式的采集方案；

图3为车速10m/s时的拖曳瞬变电磁系统工作模式的采集方案；

图4为拖曳车两种工作过程中采集到的一个40ms噪声；

图5为拖曳车5m/s工作时，采用传统叠加处理单一测点信号结果；

图6为拖曳车5m/s工作时，采用本发明方法两端噪声寻优并筛选处理后叠加单一测点信号结果；

图7为拖曳车10m/s工作时，采用传统叠加处理单一测点信号结果；

图8为拖曳车10m/s工作时，采用本发明方法两端噪声寻优并筛选处理后叠加单一测点信号结果。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种用于强噪声环境的拖曳式瞬变电磁数据处理方法，其整体工作流程如图1所示，包括以下步骤：

S1、设计拖曳式瞬变电磁系统发射频率f、发射电流幅度I、采样频率f_R等参数，设定拖曳车移动速度，分为车速5m/s与10m/s两种工作模式。车速为5m/s时，电磁系统相间采集40ms噪声与960ms二次场信号，车速为10m/s时相间采集40ms噪声与460ms二次场信号；车速10m/s更加高效，车速5m/s更加精准，可根据不同探测环境灵活调整；

S2、拖曳车工作，电磁系统连续采集“噪声-二次场信号”交替数据，取“噪声-N组二次场信号”作为一个处理单元，即单个测点；车速5m/s时，一个处理单元的采集时间为1s，如图2所示；车速10m/s时，一个处理单元的采集时间为0.5s，如图3所示；这样可以保证两种车速下，测量的横向分辨率一样，即5m一个测点；采集的噪声数据由多种类型噪声耦合而成，主要包含较强的周期性噪声、随机噪声、尖峰噪声等。二次场信号数据表示为：

x(t)＝s(t)+n_c(t)

其中x(t)为采集的二次场信号，s(t)为真实信号，n_c(t)为以周期性噪声为主的多种噪声耦合。

S3、最优噪声相位搜索，对一个处理单元的二次场信号进行处理，采用处理单元的前40ms噪声数据和下一个处理单元的前40ms噪声数据作为参考噪声，结合二次场信号中的噪声情况，对参考噪声遍历搜索最优相位，搜索最优噪声相位本质上是在时间域上匹配出与二次场信号中的噪声成分相似性最高的部分，寻优过程的目标函数为二次场信号后1/3数据与等长的纯噪声数据计算误差平方和，目标函数值最小为最优，保留最优目标函数值Z；依次对处理单元的N组二次场信号进行处理，其中，N等于一个处理单元的二次场采集时间乘以发射频率f后取整数；选取后1/3信号数据取代完整信号与噪声进行搜索匹配的优点在于，晚期信号相对前期信号衰减明显，用晚期信号进行匹配可大幅减小二次场信号中真实信号成分对于匹配过程中的干扰，同时使用N组信号前后采集的总共80ms纯噪声数据进行相位搜索的优点是该处理单元的前40ms噪声数据和下一个处理单元的前40ms噪声数据在时间和空间上更加靠近该处理单元的二次场信号中的噪声，即噪声与信号数据中的噪声相关度最大，很大程度减少周期性噪声因时间和空间上的变化带来的影响；以误差平方和(mse)作为衡量相似性的目标函数，其数值越小代表两者相似性越高，目标函数表示为：

其中t₀为遍历寻优过程中的搜索坐标，l为采集到的一组二次场信号总长，x为N组二次场信号中的一组，n为采集到的噪声数据，即参考对象；

S4、寻找到与二次场信号中噪声成分最相似的噪声相位后，根据最优噪声相位截取一段与信号等长的噪声数据，信号与最优噪声数据段做差，去掉噪声成分比重最大的周期性噪声，获得初步消噪信号；

S5、判定是否处理完N组信号，如果没有完成，重复步骤S3、S4对下一组二次场信号进行处理，直到N组二次场信号全部处理完成；

S6、N组信号的最优目标函数值Z进行由小到大排序，对N组处理后的信号进行一次较为严格筛选，舍弃目标函数值后一半较大值对应的信号，大幅度排除一些由于外界因素导致的二次场信号中噪声成分变化明显的信号和一些受到尖峰噪声影响的信号，取N组信号最优目标函数值的中位数A作为第一个阈值，保留所有Z<A的初步消噪信号，再将保留信号叠加平均，获得第一个候选信号s1；

S7、与S6相似，N组信号的最优目标函数值Z进行由小到大排序，对N组处理后的信号进行一次较为宽松的筛选，取数值B作为第二个阈值，其中B＝2A，保留所有Z<B的初步消噪信号，再将保留信号进行叠加平均处理，得到信号s2；

S8、计算候选信号s1与s2后1/2数据的方差v1和v2。若v1<v2，则s1作为本次测点的输出结果；反之，s2作为本次测点的输出结果，对输出结果进行保存，该输出结果即为一个处理单元的最终处理信号；

S9、拖曳车行驶过程中，对每一个“噪声-N组信号”测点进行实时数据处理，由于拖曳瞬变电磁系统会采集大量的数据，利用该方法可以大幅降低了数据存储容量。

一种用于强噪声环境的拖曳式瞬变电磁数据处理方法细节说明：

本发明工作流程示意图如图1所示，该方法按照以下流程进行搜索：

S1、根据不同探测环境灵活调整工作模式；环境相对复杂，噪声干扰较强，宜采用电磁系统的精准模式工作，保持车速5m/s进行探测；环境空旷，噪声干扰相对较弱，宜采用电磁系统的高效模式工作，车速保持10m/s进行探测；S2、拖曳车开始工作，电磁系统连续采集“噪声-二次场信号”交替数据，依据工作模式设定处理单元的时长，精准模式采集时长1s为一个处理单元，高效模式采集时长0.5s为一个处理单元，保证测量的横向分辨率为5m，即5m一个测点；

S3、对一个处理单元的全部二次场信号进行处理，采用处理单元的前40ms噪声数据和相邻下一个处理单元的前40ms噪声数据作为参考噪声，依次对处理单元的N组二次场信号与前后采集的纯噪声遍历搜索最优相位，设定寻优过程的目标函数为二次场信号后1/3数据与等长的纯噪声数据计算误差平方和，保留最优相位以及最小误差平方和Z；

S4、根据最优噪声相位截取一段与信号等长的噪声数据，信号与最优噪声数据段做差，去掉噪声成分比重最大的周期性噪声，获得初步消噪信号；

S5、判定是否完成N组信号处理。如果没有完成，重复步骤S3、S4对下一组二次场信号进行处理，直到N组耦合信号全部处理完成；S6对N组信号的最优目标函数值Z进行由小到大排序，取中位数A作为第一个阈值，保留所有Z<A的初步消噪信号，再将保留信号叠加平均，获得第一个候选信号s1；

S7、对N组信号的最优目标函数值Z进行由小到大排序，取数值B作为第二个阈值，其中B＝2A，保留所有Z<B的初步消噪信号，再将保留信号进行叠加平均处理，得到信号s2；

S8、计算候选信号s1与s2后1/2数据的方差v1和v2。对方差值较小的信号进行保存，该信号即为一个处理单元的最终处理信号；

电磁系统的两种工作模式如图2和图3所示，其探测的横向分辨率均为5m，值得注意的是，由于拖曳式瞬变电磁系统数据采集的连续性，每一个处理单元不仅利用自己所在处理单元中的噪声作为参考噪声，同时还可以利用相邻下一个处理单元中的噪声作为参考噪声，这样使得每一段噪声在两个测点发挥两次作用，有效改进了拖曳式探测系统相对于定点探测系统在数据采集次数限制上的劣势。

间隔采集的40ms噪声数据如图4所示，图中清晰的看出在真实环境噪声中，周期噪声是环境噪声中的主要干扰，主要是工频及其谐波噪声，并且40ms可完整包含两个周期噪声，保证寻找最优噪声相位时可遍历噪声的完整周期。

电磁系统在5m/s的工作模式下由传统叠加处理方法和本发明方法处理结果如图5和图6所示，图中子图为晚期信号放大展示，由于拖曳车运动导致的单个测点叠加次数限制，本发明方法在晚期信号处理时对噪声的抑制效果明显优于传统叠加方法。

电磁系统在10m/s的工作模式下由传统叠加处理方法和本发明方法处理结果如图7和图8所示，图中子图为晚期信号放大展示，在两倍效率的高效工作模式下，叠加次数限制更加苛刻，在经过本发明方法处理后噪声抑制效果略逊于车速5m/s精准工作模式，且明显优于传统的叠加处理方法。

Claims (4)

1.一种用于强噪声环境的拖曳式瞬变电磁数据处理方法，其特征在于，该方法包括：包括以下步骤：

S1、设计拖曳式瞬变电磁系统发射频率f、发射电流幅度I、采样频率f_R参数，设定拖曳车移动速度，分为快速和慢速两种工作模式，快速是慢速的速度2倍，根据不同探测环境调整以及切换；

S2、拖曳车工作，电磁系统连续采集“噪声-二次场信号”交替数据，取“噪声-N组二次场信号”作为一个处理单元，单个测点；

S3、最优噪声相位搜索，对一个处理单元的二次场信号进行处理，采用处理单元的前40ms噪声数据和下一个处理单元的前40ms噪声数据作为参考噪声，结合二次场信号中的噪声情况，对参考噪声遍历搜索最优相位，依次对处理单元的N组二次场信号进行处理，其中，N等于一个处理单元的二次场采集时间乘以发射频率f后取整数；搜索最优噪声相位为在时间域上匹配出与二次场信号中的噪声成分相似性最高的部分，寻优过程的目标函数为二次场信号后1/3数据与等长的纯噪声数据计算误差平方和，目标函数值最小为最优，保留最优目标函数值Z；

以误差平方和作为衡量相似性的目标函数，其数值越小代表两者相似性越高，目标函数表示为：

其中t₀为遍历寻优过程中的搜索坐标，l为采集到的一组二次场信号总长，x为N组二次场信号中的一组，n为采集到的噪声数据；

S4、寻找到与二次场信号中噪声成分最相似的噪声相位后，去掉噪声成分比重最大的周期性噪声，获得初步消噪信号；

S5、判定是否处理完N组信号，如果没有完成，重复步骤S3、S4对下一组二次场信号进行处理，直到N组二次场信号全部处理完成；

S6、N组信号的最优目标函数值Z进行由小到大排序，对N组处理后的信号进行一次筛选，舍弃目标函数值后一半较大值对应的信号，获得第一个候选信号s1；其中，对N组处理后的信号进行一次筛选，舍弃目标函数值后一半较大值对应的信号包括：取N组信号最优目标函数值的中位数A作为第一个阈值，保留所有Z<A的初步消噪信号，再将保留信号叠加平均得到第一个候选信号s1；

S7、N组信号的最优目标函数值Z进行由小到大排序，对N组处理后的信号进行一次筛选，取目标函数值B作为第二个阈值，其中B＝2A，A是最优目标函数值的中位数，保留所有Z<B的初步消噪信号，再将保留信号进行叠加平均处理，得到第二个候选信号s2；

S8、计算候选信号s1与候选信号s2后1/2数据的方差v1和方差v2，若v1<v2，则候选信号s1作为本次测点的输出结果；反之，候选信号s2作为本次测点的输出结果，对输出结果进行保存，该输出结果为一个处理单元的最终处理信号；

S9、拖曳车行驶过程中，对每一个“噪声-N组二次场信号”测点进行实时数据处理。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括：S1中快速和慢速两种工作模式，分别设置为车速5m/s与10m/s；车速为5m/s时，电磁系统相间采集40ms噪声与960ms二次场信号，车速为10m/s时相间采集40ms噪声与460ms二次场信号。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，S2中当车速5m/s时，一个处理单元的采集时间为1s；车速10m/s时，一个处理单元的采集时间为0.5s；二次场信号数据表示为：

x(t)＝s(t)+n_c(t)

其中x(t)为采集的二次场信号，s(t)为真实信号，n_c(t)为以周期性噪声为主的多种噪声耦合。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，S4中根据最优噪声相位截取一段与信号等长的噪声数据，信号与最优噪声数据段做差，去掉噪声成分比重最大的周期性噪声。

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