CN111257951B

CN111257951B - 地空短偏移电磁探测系统、多源发射信号分离方法

Info

Publication number: CN111257951B
Application number: CN202010071726.XA
Authority: CN
Inventors: 武欣; 薛国强; 周舟
Original assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS
Current assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: AU2020100334A4; CN111257951A

Abstract

本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及一种地空短偏移电磁探测系统、多源发射信号分离方法。本发明系统包括发射系统、观测系统，发射系统包括一个或多个在地面布设的基于长接地线源的发射装置；观测系统包括多个观测装置；观测装置包括飞行设备、单分量磁场传感器、接收机；用于采集单一分量磁场数据的所述观测装置，其数量大于所述发射装置的数量；多个观测装置按照预设编队在设定观测区域进行飞行观测，获取对应的多组观测信号；设定观测区域为中任意一点距离各个发射装置的距离均小于拟探测深度的N倍，其中N为设定值。本发明实现了经济灵活的多分量观测，为深部大型矿床的高分辨、经济、快速探测与地下构造信息提取提供了更多的可能性。

Description

地空短偏移电磁探测系统、多源发射信号分离方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及一种地空短偏移电磁探测系统、多源发射信号分离方法。

背景技术

电磁法是一种基于电磁感应原理的地球物理探测方法，其以地下媒质电导率等物性差异为基础，观测在天然或人工场源激励下大地产生的响应电磁场(即二次场)，通过分析二次场的时空分布规律，最终实现对地下构造信息的提取，因此被广泛应用于矿产、地下水、地热等资源调查，及地质填图、环境工程等领域。

传统的电磁探测方法均为地面方法，即整个观测系统全部布设于地面，因此，在诸如戈壁、沙漠、沟壑或水网密布以及森林覆盖等地区，地面方法探测效率较低，难以实现快速大面积覆盖。为解决上述问题，研究人员提出航空电磁法(Airborne Electromagneticmethod,AEM)。

航空电磁探测系统与方法可分为全航空系统(Airborne Electromagneticsystem,ATEM)与半航空系统(Semi-airborne electromagnetic system,SATEM)。所谓全航空系统，即将包括发射机、发射回线及其承载结构、传感器以及接收机的整套观测系统全部搭载于飞行平台之上。相对的，半航空系统则指仅将部分观测系统搭载于飞行平台上的。如图1所示，半航空系统一般会选择将系统的发射部分(发射机与天线)布设于地面，接收部分(传感器与接收机)搭载于飞行平台上。布设于地面的发射部分，由于不再受飞行平台所能提供的载重能力与航空搭载的布设空间的限制，从而可以输出更强的发射能量，有助于实现比全航空系统更大的探测深度；由于半航空探测方法与技术具有高效、大深度等潜在特点，近年来越发受到市场重视。

现有半航空方法及技术的基本特征包括：基于长偏移瞬变电磁探测方法、开展多分量观测以及采用长接地线源。基于长偏移瞬变电磁探测方法基本理论，通过增大偏移距的方式保证较大的探测深度；开展多分量观测，利用多分量观测结果进行联合处理解释，提高系统对地下电性结构的分辨能力；采用长接地线源，降低传统瞬变电磁法所使用的回线源的布设难度，提升工作效率。

基于长偏移探测方法在距源较远处开展观测，此时信号幅度将大幅下降、信号带宽也将显著变窄，实际未能充分利用发射信号的潜能。在多分量观测方面，目前的主流解决方案是将电磁传感器及其他辅助传感器安装于一个集成度非常高的吊舱中，这将导致吊舱重量及尺寸均较大，只能采用有人直升机搭载，应用成本大幅提升。虽然近年来无人机技术发展迅猛，但一般的民用低成本无人机依然难以实现对上述多分量传感器吊舱的搭载。此外，现有半航空方法采用单一发射源的观测方式，由于这种单一发射源仅有一个极化方向，不利于对地下各向异性电性结构的精细探测。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明的第一方面，提出一种地空短偏移电磁探测系统，包括发射系统、观测系统，所述发射系统包括一套或多套在地面布设的基于长接地线源的发射装置；所述观测系统包括多个观测装置；所述观测装置包括飞行设备、观测设备，所述观测设备包括单分量磁场传感器、接收机；

用于采集单一分量磁场数据的所述观测装置，其数量大于所述发射装置的数量；

多个所述观测装置按照预设编队在设定观测区域飞行进行电磁信号的多分量观测，获取对应的多组观测信号；所述设定观测区域中任意一点距离各个发射装置的距离均小于拟探测深度的N倍，其中N为设定值。

在一些优选实施方式中，多个所述发射装置可以根据预设的规则进行分时工作或同时工作。

在一些优选实施方式中，多个所述发射装置中，各个发射装置的发射电流波形相互统计独立；和/或各个发射装置的实际发射电流波形被分别记录。

在一些优选实施方式中，还包括数据处理系统，所述数据处理系统包括分离模块、特征提取模块；

所述分离模块，配置为基于各观测装置的对应的各组观测信号，通过盲源分离方法提取与各发射系统对应的大地响应信号。

所述特征提取模块，配置为基于所述分离模块输出的与各发射系统对应的大地响应信号，通过短偏移电磁法提取各所述发射装置特定走向相关的方向上的大地电性特征。

在一些优选实施方式中，所述数据处理系统还包括第一数据处理模块和/或第二数据处理模块；

所述第一数据处理模块，配置为对输入所述分离模块的各组观测信号按照预设规则进行预处理；

第二数据处理模块，配置为对输入所述特征提取模块的与各发射系统对应的大地响应信号按照预设规则进行预处理。

在一些优选实施方式中，所述观测系统包括多组所述观测装置，各组观测装置对应观测一个分量的磁场响应。所述观测装置进行飞行观测的测线走向平行于多个所述发射装置中的一个。

在一些优选实施方式中，所述飞行设备为无人机。

本发明的第二方面，提出了一种地空短偏移电磁探测多源发射信号分离方法，基于上述的地空短偏移电磁探测系统，包括以下步骤：

步骤S100，基于第一数据，通过盲源分离方法，计算第二数据；

所述第一数据为多个所述观测装置采集到的单一分量磁场数据的观测信号，该观测信号为大地在所有发射装置激励下产生的响应信号与噪声形成的线性混合型号；所述第二数据为与各发射装置对应的大地响应信号与噪声形成的线性混合信号；

步骤S200，基于第二数据，通过短偏移电磁法，提取与各所述发射装置特定走向相关的方向上的大地电性特征。

在一些优选实施方式中，步骤S100中，还包括对第一数据的预处理，预处理方法包括运动噪声去除、中近源天电去除、信号带宽限制中的一种或多种。和/或步骤S200中，还包括对第二数据的处理，其方法包括系统响应去除、滤波、抽道、叠加中的一种或多种。

本发明的第三方面，提出了一种地空短偏移电磁探测信号接收装置，所述信号接收装置包括飞行设备、单分量磁场传感器、接收机。

本发明的第四方面，提出了一种地空短偏移电磁探测信号接收系统，所述信号接收系统包括由多个上述的地空短偏移电磁探测信号接收装置构成的观测编队；所述观测编队中用于采集单一分量磁场数据的信号接收装置，其数量大于工作区域覆盖观测区域的发射装置的总数量。

本发明的有益效果：

本发明在距发射源较近的区域开展探测，充分利用了发射能量与发射信号带宽，有利于实现对大地的大深度高分辨探测。

本发明基于单一飞行设备采集电磁场单一分量，通过组合，实现多个飞行设备搭载多个观测设备，并以编队飞行的方式进行数据采集，实现了经济灵活的多分量观测。

采用多个发射装置以相互统计独立的发射信号对大地进行激励，并通过一个以盲源分离方法为核心的处理流程，实现对同时观测到的多源响应的分离处理，进而实现对大地各向异性的同时探测，从而为深部大型矿床的高分辨、经济、快速探测与地下构造信息提取提供了更多的可能性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是现有半航空系统与探测方法示意图；

图2是本发明一种实施例的地空短偏移工作区域设计示意图；

图3是本发明一种实施例的地空短偏移探测方法示意图；

图4是本发明一种实施例的地空短偏移探测多源发射信号分离方法基本数据处理流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

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。

为了便于对本发明的地空短偏移电磁探测系统进行说明，先对现有的半航空电磁探测系统进行描述。

世界上首套半航空电磁探测系统Turair诞生于上世纪七十年代，90年代后又先后出现了FlairTEM、TerraAIR、GREATEM。近年来，德国多家机构在DESMEX项目支持下，开展新型半航空电磁系统的研发。近年来仍开展探测活动的是GREATEM和DESMEX。对这些半航空系统所采用的技术方案进行分析，可以得到以下认识：

(1)Turair、FlairTEM和TerraAIR采用的发射装置为闭合回线源，即在地表布设大型闭合回线(边长超过1km)。这种布设方式可以获得空前巨大的发射磁矩，然而布设难度较大，尤其在地形复杂区域，闭合回线的布设过程甚至能够抵消由航空观测所带来的探测高效性。在后续的GREATEM和DESMEX系统中，采用了长接地导线源，如图1所示，进一步提高了工作效率。

(2)发射装置由闭合回线变为长接地线源，表明发射源类型由磁性源变为电性源。在GREATEM引入电性源的同时，也引入了基于电性源的Long Offset TransientElectromagnetic Method(LOTEM)方法。根据方法原理，LOTEM要求发射系统与观测点之间有较大的距离(偏移距，r)以保证足够的探测深度(d)，两者关系大致为r≈4～5·d，即偏移距大致等于4～5倍的探测深度。

(3)在大地响应观测方面，这些系统大多采用多分量感应式磁场传感器。为保证有较好的空气动力学特性，设计有专门的传感器吊舱(Bird)用于承载多分量传感器。此外，在传感器吊舱中还可以安装诸如GPS、IMU以及其他传感器，用于提供吊舱飞行过程的位置、姿态、高程等信息。由于传感器吊舱内所安装的电子学单元较多，导致吊舱重量及尺寸均较大，因此这些半航空系统一般均采用有人直升机搭载。

对上述分析进行总结，现有半航空方法及技术的基本特征包括：基于长偏移方法、采用长接地线源以及开展多分量观测。这三项基本特征对应着系统的探测深度、工作效率以及分辨能力等三项基本探测性能，即：基于LOTEM方法基本理论，通过增大偏移距的方式保证较大的探测深度；采用长接地线源，降低发射源布设难度，提升工作效率；开展多分量观测，利用多分量观测结果进行联合处理解释，提高系统对地下电性结构的分辨能力。

在实际工作中，由于目前非接触式电场传感器技术尚未完全成熟，因此仅能采用感应线圈作为半航空系统的传感器。以此为前提，对半航空系统的探测能力开展定性分析：假设大地为均匀半空间，采用电偶极子作为发射源，采用感应线圈在地表上观测Z轴磁场(实际为其时间导数场)，则响应信号

具有如下形式：

其中，Ids为电偶极子的发射矩，μ₀为自由空间磁导率，σ为大地电导率，erf(m)为误差函数。电偶极子布设于坐标系原点，坐标系沿偶极子方向为X轴，垂直于X轴方向为Y轴，观测点坐标为(x,y)，其与发射偶极子的距离为r。θ的定义如下：

其中t为指定的观测时刻。式(1)可以分为两部分：

其中A部分决定了响应信号的大小，B部分决定了响应信号的衰减形态。

由A部分可见，当大地的电性结构条件一定时，A的大小将与y/r⁵成正比。唯有当观测点的X坐标为零时(即位于发射偶极的中垂线上)，有r＝|y|，除此之外r＞|y|，即表明：A的大小至少随r⁴衰减，观测信号随着观测点与源的距离增大，信号幅度下降很快。

对于B部分，可以进一步将之分为三部分：

B₁＝3erf(θr) (5)

B是变量θ的函数，本质上是时间t的函数。随着t的增大，B₁曲线存在斜率拐点，过拐点后曲线呈单调递减形态；B₂和B₃曲线则存在峰值点，其信号先增强后衰减。分别计算B₁曲线的拐点时刻和B₂和B₃曲线的峰值点时刻如下：

表明，B₁曲线的拐点时刻与B₃曲线的峰值时刻相同，而B₂曲线的峰值时刻较前两者稍晚一些，也即：在B₂曲线的峰值时刻后，整个衰减曲线将完全进入单调衰减状态。

通常，对于瞬变电磁法，其有效数据是观测到的单调衰减信号，进入单调衰减的最早时刻代与信号的最大带宽具有对应关系，其将决定信号对浅部的分辨能力。由式(8)至(10)可见，上述决定曲线进入衰减的时刻均与偏移距有关，且均为平方关系，当偏移距越大，进入衰减的时刻越晚，则信号的带宽越小，从而显著影响系统的浅部分辨能力。

可以看出，现有方法中，增大偏移距r将导致信号幅度与带宽的双下降。如果在近源区域开展探测，则情况将为之相反：信号幅度增大、带宽变大，有利于实现大深度、高分辨探测，但源场波前矢量方向不再垂直地表，求解过程较现有方法更加复杂。

在技术实现层面上，现有半航空方法采用多分量观测方式提升系统的探测性能，目前的主流解决方案是将电磁传感器及其他辅助传感器安装于一个集成度非常高的吊舱中。由于吊舱内所安装的电子学单元较多，导致吊舱重量及尺寸均较大，只能采用有人直升机搭载。因为需要启用有人直升机，因此采用半航空方法开展探测就存在测区面积门槛，即：只有当测区面积足够大时，开展航空探测的成本优势才能显现出来。这将显著压缩半航空探测的应用场景。近年来，虽然无人机技术发展迅猛，保有与应用成本显著降低，但一般的民用低成本无人机搭载能力有限，难以实现对上述多分量传感器吊舱的搭载。此外，尽管现有半航空方法采用了多分量的观测方式，但其发射源仅有一个极化方向，当地下电性结构存在各向异性时，现有探测技术依然很难实现有效探测。

现有地空时间域(瞬变)电磁探测方法是在地面时间域电磁探测方法的基础上发展起来的，尤其是基于长接地线源的方法，均可以认为是在地面长偏移瞬变电磁法(LOTEM)的基础上发展起来的。LOTEM方法一般要求将观测偏移距设置为拟探测深度的4～5倍，这样做的好处是：在远离发射源的区域，激励电磁场波前矢量近于垂直地表向下，有利于对深度方向上电阻率不连续的分辨。然而，因为增大了偏移距，导致信号本身的幅度与带宽双下降。由于系统的最大可探测深度与信噪比有关，信号本身幅度的下降导致信噪比下降，从而使系统最大可探测深度变浅；另一方面，由于系统对浅部的分辨能力与信号带宽有关，当信号带宽变窄，将导致系统对浅部的分辨能力下降。如果在近源区域开展探测，则情况将为之相反：信号幅度增大、带宽变大，有利于实现大深度、高分辨探测，但源场波前矢量方向不再垂直地表，求解过程较LOTEM更加复杂。

为了在近源区域开展地空短偏移电磁法探测，需要开展多分量探测。由于非接触式电场传感器在地空电磁法频率范围(0.1Hz～30kHz)的探测性能尚未能达到要求，因此目前主要开展磁场观测，所采用的传感器为感应式磁场传感器。将至少两个分量的感应式磁场传感器进行整体封装，考虑其配属的其他电子学单元及吊舱外壳，整体重量较大，目前市面上常规的民用低成本无人机均难以有效搭载升空。如果采用直升机对其进行搭载，则探测过程的效费比会大大下降，不利于方法技术的推广与应用。此外，在一次探测中，现有的发射系统仅有一个极化方向，当地下电性结构存在各向异性时，现有探测技术依然很难实现有效探测。

基于上述因素，提出本发明的地空短偏移电磁探测系统，基于长接地线源的发射装置，利用民用低成本无人机搭载感应式磁场传感器在指定区域内开展探测工作，测区内测点最大偏移距小于拟探测深度的三倍，利用短偏移时域电磁法原理对数据进行分析，实现对地下电性结构信息的提取。

本发明的地空短偏移电磁探测系统包括发射系统、观测系统，所述发射系统包括一个或多个在地面布设的基于长接地线源的发射装置，多个所述发射装置工作区域具有共同的交叠区域；所述观测系统包括多个观测装置；所述观测装置包括飞行设备、单分量磁场传感器、接收机；

多个所述观测装置按照预设编队在设定观测区域进行飞行观测，获取对应的多组观测信号；所述设定观测区域为所述共同的交叠区域。

为了更清晰地对本发明地空短偏移电磁探测系统进行说明，下面结合附图对本方发明系统一种实施例进行展开详述。

本发明一种实施例的地空短偏移电磁探测系统，包括发射系统、观测系统，还可以进一步包括数据处理系统。

1、发射系统

发射系统包括一个或多个在地面布设的基于长接地线源的发射装置，以实现对大地的多极化方向激励。

一套独立发射装置包含一台发射机、两个发射电极及配套电缆等必要部件。以一套发射装置中所含的两个发射电极的连线方向作为该套发射系统的发射源走向。各套发射装置的发射源走向可以相同，也可以不同。在各套发射装置对大地激励过程中，须有观测装置对发射装置的实际发射电流波形进行连续观测。一部用于观测实际发射电流波形的观测装置可以仅观测一套发射装置的实际发射波形，也可以同时观测多套发射装置的实际发射波形。各套发射装置可以同时工作，也可以先后分时工作(可以根据具体的预设规则进行工作状态控制)。当各套发射装置同时工作且发射源走向各不相同时，各套发射装置的发射波形相互统计独立，且各个发射装置的实际发射电流波形被分别记录。

若多个所述发射装置工作区域具有共同的交叠区域，则可以将该区域作为观测区域。共同的交叠区域中任意一点距离各个发射装置的距离均小于拟探测深度的N倍，其中N为设定值；一些优选实施方式中，N小于等于3；在本实施例中N取值为3。

2、观测系统

观测系统包括多个观测装置；所述观测装置包括飞行设备、观测设备，所述观测设备包括单分量磁场传感器、接收机；

为实现多分量观测，基于“化整为零”的思路，观测装置可以采用多架民用低成本无人机各搭载一套观测设备。一套观测设备包含一个单分量磁场传感器、一台接收机(含供电电池)、配套线缆及搭载结构等必要部件。

为了进行多分量观测，可以将多个观测装置分为多组，各组观测装置对应观测一个分量的磁场响应。例如，可以根据xyz坐标系，分为三组，分别观测水平X分量、水平Y分量和垂直Z分量。因此，同一组的观测装置中传感器的轴向相同，观测分量不同的中组观测装置中传感器的轴向不相同。

用于采集单一分量磁场数据的观测装置，其数量大于工作区域覆盖观测区域的发射装置的总数量。

多个所述观测装置按照预设编队在设定观测区域飞行进行电磁信号的多分量观测，获取对应的多组观测信号。所述设定观测区域为所述共同的交叠区域。本实施例中多个所述观测装置在进行飞行观测时，测点距各发射装置的最大偏移距小于拟探测深度的3倍。所述观测装置进行飞行观测的测线走向平行于多个所述发射装置中的一个。

3、数据处理系统

数据处理系统包括分离模块、特征提取模块、第一数据处理模块、第二数据处理模块。

分离模块，配置为基于各观测装置的对应的各组观测信号，通过盲源分离方法提取与各发射系统对应的大地响应信号。

特征提取模块，配置为基于所述分离模块输出的与各发射系统对应的大地响应信号，通过短偏移电磁法提取各所述发射装置特定走向相关的方向上的大地电性特征。

第一数据处理模块，配置为对输入所述分离模块的各组观测信号按照预设规则进行预处理；

在采用多套发射装置以不同走向输出相互统计独立发射波形条件下，搭载观测相同磁场分量观测设备的无人机个数多于发射装置个数。按照上述条件，每套观测装置观测得到的数据均为各套发射装置激励大地产生的响应的线性叠加，通过盲源分离方法对各套观测装置观测得到的响应数据进行处理，分离出对应各套发射装置发射波形的大地响应。在对观测响应数据进行盲源分离处理前，首先对数据进行预处理，包括：运动噪声去除、中近源天电去除、信号带宽限制等；在盲源分离处理后，对数据进行处理，包括：去系统响应、滤波、抽道、叠加等。完成上述工作后，基于短偏移电磁法原理，实现对与各套发射系统特定走向相关的方向上的大地电性特征提取。

下面结合一个地空短偏移探测方法的一种野外实现形式，对本发明实施例进行进一步说明。

本实施例汇总，参考图2，以测线方向为X轴，地表上垂直测线方向为Y轴，垂直地表方向为Z轴。

地表上布设发射系统，其包含两套独立的发射装置，每套均包含一个发射机、两个发射电极以及配套发射电缆。对于每一套发射装置，以其两个发射电极连线形成的方向作为其走向。在图2所示例中，所描述的两套发射装置走向正交。在发射装置位置固定后，以各套发射装置两个电极的中点位置为圆心，以拟探测深度的3倍为半径画圆，各套发射装置所画圆的交叠区域为方法的工作区域，在此区域中按照探测需求设计测线。

在确定工作区域后，开展测线设计。延续图2示例，在图3所示例中，所设计的测线走向平行于两套发射装置中的一套。

在图3所示例中，观测采用了三架民用低成本旋翼式无人机，每架搭载一套独立观测设备，所有无人机及其所搭载的观测设备整体构成一个统一的观测系统。一套独立的观测装置包含一个单分量磁场传感器、一台接收机(含供电电池)、配套线缆及搭载结构等必要部件。在图3所示例中，各套观测装置的传感器均为Z轴传感器。无人机完成对观测设备的搭载后，以编队形式飞行。各架无人机基于卫星导航系统与地面系统实现精确的实时位置控制，保证观测设备中所含的传感器距离高度在整个观测中保持稳定，保证无人机间的相互位置关系保持稳定，即保证各架无人机的在沿测线行进中定速定高飞行。在图3所示例中，传感器的距离保持为h米，各台无人机之间的间距保持为Δm米。在其他情况下，允许各台无人机搭载传感器的距地高度不同，无人机之间的间距不同，但在整个飞行过程中，各台无人机之间的位置关系应保持稳定。此外，如果要增测一个分量的磁场响应，在图3所示例发射系统条件前提下，至少还需要增加三架分别搭载该分量磁场观测系统的无人机。

在实际观测中，发射机1所输出的波形为I₁(t)，发射机2所输出的波形为I₂(t)，要求I₁(t)与I₂(t)相互统计独立。根据电磁法原理，大地可以被假设为一个线性时不变系统，其冲激响应记作g(t)。假设大地具有各项异性，则对应发射机1和发射机2方向的大地冲激响应分别记作g₁(t)和g₂(t)。当发射机1和发射机2对相同位置的大地进行激励，产生的响应为：

根据前述设定，采用Z轴磁场传感器观测，所观测到的信号为磁感应强度的时间导数，即

为大地冲激响应g(t)与发射电流波形时间导数

的卷积。因均观测Z轴，故在式(11)和(12)中省略脚标Z。

如图3所示例中，当三套观测装置距离较近时，如假设Δm＝5米，可认为三者观测点下方的大地电阻率分布情况完全相同，则三者的观测信号为：

式(13)中d₁(t)、d₂(t)以及d₃(t)分别为三套观测装置所同时观测到的信号。观测信号均由三部分构成：发射机1激励的响应、发射机2激励的响应以及噪声。由于三套观测装置与两个发射源的空间几何关系不同，而对大地的观测过程本身是线性的，因此可认为观测信号均为由两组激励响应与噪声形成的线性混合型号，区别在于构成各观测信号的混合过程所涉及的混合系数(a、b、c、d、e、f)彼此不同，通过盲源分离，把各个系数求出来，进而把各个信号分出来。

由于发射波形I₁(t)和I₂(t)统计独立，故

和

也统计独立。这样，就可以利用盲源分离方法从三组观测中提取两个相互独立的信号，也即

和

如图4所示例，地空短偏移探测方法的基本数据处理流程是：在进行盲源分离处理前，首先对汇总后的观测数据进行数据预处理，包括：运动噪声去除、中近源天电去除、信号带宽限制等；在盲源分离处理后，对分离后的数据进行处理，包括：系统响应去除、滤波、抽道、叠加等。完成上述工作后，基于短偏移电磁法原理，实现对与各套发射装备特定走向相关的方向上的大地电性特征提取。

需要说明的是，上述实施例提供的地空短偏移电磁探测系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明的技术方案包括但不限于以下几个核心技术点：小偏移距形式观测，在距离发射源较近距离的位置进行观测；无人机编队形式的多分量观测(观测的方式是无人机编队的形式，观测参数是电磁场多分量)；多个发射源形式发射；并在采用盲源分离的形式提取信号。

小偏移距形式观测。传统基于长偏移理论在远距离探测，本专利在短偏移理论的基础上，提出了短偏移半航空探测方法。其主要的好处是：偏移距小了，发射信号的强度大，带宽也大，可以实现更大的探测深度与更高的探测分辨率。

无人机编队形式的多分量观测。传统也有做多分量的，但是都是把多分量传感器集成在一起，重量很大，所以要用直升机搭载，很不经济。本专利用小型无人机来搭载单分量传感器，然后再形成编队飞行。因为单分量传感器一般能比较轻，所以可以用民用小型无人机搭载。一个无人机搭载一个单分量的，各个无人机搭载的单分量传感器所观测的分量可以相同也可以不同，然后形成一个编队，就可以实现基于小型无人机的多分量探测了。

多个发射源形式发射。传统半航空只布设一个发射源，现在也有人提出布设多个反射源，但这些用多个发射源的，他们并没有对信号的统计相关性进行定义，因此也无法支持对大地不同走向的各向异性的探测。本专利提出了在不同走向上布设多个源，它们同时发射，然后用编队同时观测，利用盲源分离，将观测到的信号对应着各个发射源分离出来，则分离出来的信号就对应着各个发射源的走向(的垂直)方向，从而实现对大地各向异性的探测。

本发明第二实施例的一种地空短偏移电磁探测多源发射信号分离方法，其特征在于，基于上述的地空短偏移电磁探测系统，包括以下步骤：

所述第一数据为多个所述观测装置采集到的单一分量磁场数据的观测信号，该观测信号为大地在所有发射装置激励下产生的响应信号与噪声形成的线性混合信号；所述第二数据为与各发射装置对应的大地响应信号与噪声形成的线性混合信号；

步骤S200，基于第二数据，通过短偏移电磁法，提取各所述发射装置特定走向相关的方向上的大地电性特征。

其中，步骤S100中还包括对第一数据的预处理，预处理方法包括运动噪声去除、中近源天电去除、信号带宽限制中的一种或多种；步骤S200中，还包括对第二数据的处理，其方法包括系统响应去除、滤波、抽道、叠加中的一种或多种。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应描述，在此不再赘述。

本发明第三实施例的一种地空短偏移电磁探测信号接收装置，所述信号接收装置包括飞行设备、单分量磁场传感器、接收机。

本发明第四实施例的一种地空短偏移电磁探测信号接收系统，所述信号接收系统包括由多个上述的地空短偏移电磁探测信号接收装置构成的观测编队；所述观测编队中用于采集单一分量磁场数据的信号接收装置，其数量大于工作区域覆盖观测区域的发射装置的总数量。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的地空短偏移电磁探测信号接收装置、地空短偏移电磁探测信号接收系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中观测装置、观测系统的对应内容，在此不再赘述。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种地空短偏移电磁探测系统，包括发射系统、观测系统，其特征在于，还包括数据处理系统;

所述发射系统包括一套或多套在地面布设的基于长接地线源的发射装置；所述观测系统包括多个观测装置；所述观测装置包括飞行设备、观测设备，所述观测设备包括单分量磁场传感器、接收机；

多个所述观测装置按照预设编队在设定观测区域飞行进行电磁信号的多分量观测，获取对应的多组观测信号；所述设定观测区域中任意一点距离各个发射装置的距离均小于拟探测深度的N倍，其中N为设定值;

所述数据处理系统包括分离模块、特征提取模块；

所述分离模块，配置为基于各观测装置的对应的各组观测信号，通过盲源分离方法提取与各发射系统对应的大地响应信号；

所述特征提取模块，配置为基于所述分离模块输出的与各发射系统对应的大地响应信号，通过短偏移电磁法提取各所述发射装置特定走向相关的方向上的大地电性特征;

所述数据处理系统还包括第一数据处理模块和/或第二数据处理模块；

2.根据权利要求1所述的地空短偏移电磁探测系统，其特征在于，多个所述发射装置可以根据预设的规则进行分时工作或同时工作。

3.根据权利要求1所述的地空短偏移电磁探测系统，其特征在于，多个所述发射装置中，各个发射装置的发射电流波形相互统计独立；和/或各个发射装置的实际发射电流波形被分别记录。

4.根据权利要求1-3任一项所述的地空短偏移电磁探测系统，其特征在于，所述观测系统包括多组所述观测装置，各组观测装置对应观测一个分量的磁场响应；所述观测装置进行飞行观测的测线走向平行于多个所述发射装置中的一个。

5.根据权利要求1-3任一项所述的地空短偏移电磁探测系统，其特征在于，所述飞行设备为无人机。

6.一种地空短偏移电磁探测多源发射信号分离方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的地空短偏移电磁探测系统，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的地空短偏移电磁探测多源发射信号分离方法，其特征在于，步骤S100中，还包括对第一数据的预处理，预处理方法包括运动噪声去除、中近源天电去除、信号带宽限制中的一种或多种；和/或步骤S200中，还包括对第二数据的处理，其方法包括系统响应去除、滤波、抽道、叠加中的一种或多种。