CN111308561B - 一种电磁信号强噪声去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种电磁信号强噪声去除方法，包括以下步骤：(1)设置两套发射频率表；(2)采集站接收两套发射信号；(3)去除数据中的非平稳随机噪声，即去除随机噪声E_{i1随机噪声}和E_{i2随机噪声}；(4)各测点对各频点进行计算，得到此测点此频点的真实有效信号及环境平稳噪声；根据电磁探测原理，得到：

其中E_i1及E_i2为由接收机采集得到，E_i有效及E_{i平稳噪声}为未知数，可以求解得到。本发明野外施工操作简单方便，而且对于去除强干扰噪声十分有效，能够大幅提高CSEM的数据质量。

Description

一种电磁信号强噪声去除方法

技术领域

本发明属于一种电磁信号强噪声去除方法，具体为电磁勘探信号处理技术领域。

背景技术

大地电磁测深法(MT)是上个世纪50年代初被提出以来的，该方法已广泛应用于石油、金属矿、地下水等资源的勘探中。但是由于MT方法利用天然源信号，因此其抗干扰能力弱，测量精度比较低。为了克服MT方法的这些缺点，地球物理学家提出了采用人工发射源作为信号的可控源电磁法(CSEM)，这些方法包括可控源音频大地电磁法CSAMT，极低频探地电磁法WEM等。这些方法的显著特点是采用人工可以控制的发射源发射不同频率的电磁信号，接收到的场值具有较高的信噪比，提高了野外工作效率。

CSEM法虽然具有相对较高的信噪比，但其探测应用仍然受到了野外电磁干扰的影响。电磁噪声主要是由人工活动产生或者人工产生的，包括随机噪声及平稳噪声，这些噪声的频率分布范围广，并且随着国民经济和现代化建设的发展，这种干扰日趋严重。在强电磁干扰区，电磁法往往无法施工应用，即使勉强工作，也会得到错误的探测结果，可能导致巨大的经济损失。噪声的处理与压制问题已经成为CSEM探测方法得以成功实施的关键所在。

现有技术设置一套频率表进行电磁信号的发射，信号接收端通过增加观测时长，对同频点进行多次观测，通过将采集得到的多次观测数据进行叠加处理，实现噪声压制的目的。叠加处理的具体实施方式为对观测到的时间序列数据分段分别进行处理，并得到同频点对应的多个电磁场幅值，对多个数据进行叠加、平均、筛选等。

比如对于1Hz的信号，观测10分钟可得到含有600个周期信号的时间序列数据。如果对这些数据分10段进行处理可以得到10个1Hz的场值，对这10个数据进行筛选及叠加平均可以得到最终的1Hz对应的场值结果。

现有技术仅能够去除信号中随机非平稳噪声的干扰。实际上，野外测量中遇到的噪声类型包括随机噪声与平稳噪声。随机噪声包括高精度传感器仪器系统的振动噪声及测区附近的各种用电设备开启关闭及运行产生的脉冲干扰等。而平稳噪声主要来源于周围环境中的高压电缆、测区存在的工频用电器以及工频地电流等，较强的稳定的50Hz及谐波干扰是CSEM方法中的主要强干扰来源。

对于这些广泛存在的稳定电磁噪声，现有技术无能为力。尤其随着工业化程度的增强，这些平稳噪声的干扰越来越严重，直接导致CSEM方法探测能力的失效。

总之，现有野外施工与处理技术忽略了平稳噪声的影响，采用单次发射与接收端多次叠加的方式，进行信号的接收与处理，将处理后的数据直接作为有效信号使用。而实际上信号里面包含了平稳噪声及有效噪声，这种忽略平稳噪声的方式在环境噪声较大时会导致处理结果误差大，甚至可能产生错误的探测结果。

发明内容

本发明提出了一种去除电磁噪声的方法，尤其对广泛存在的平稳强噪声更加有效。

根据本发明提出的去噪方法，可计算得到高精度的有效信号，去除背景平稳噪声，实现对强电磁干扰的高效压制与去除，大幅提高CSEM方法的数据质量，解决此类方法在高干扰区施工的难题。

具体的技术方案为：

一种电磁信号强噪声去除方法，包括以下步骤：

(1)设置两套发射频率表

按照现有的CSEM野外施工流程，完成发射机及发射天线电极的布设；设置完成第一套发射机发射频率表Table1；设置完成第二套发射机的发射频率表Table2，其中发射频点序列F2＝F1，各频点的发射持续时间T2＝T1，各频点的发射电流大小I2＝a×I1，其中系数a≠1；

(2)采集站接收两套发射信号

在噪声干扰区完成阵列式电磁信号接收机的布设，准备接收发射机发射的电磁信号；发射机首先按照频率表Table1发射信号，各接收机完成频率表Table1的电磁信号采集；发射机按照频率表Table2发射信号，阵列式接收机完成频率表Table2的电磁信号采集；

可控源电磁法在野外观测到的场值包含需要的有效数据、平稳噪声及非平稳随机噪声三部分，如下公式所示：

其中E_i1和E_i2分别为接收机第1次和第2次观测到的第i个频点的电场或磁场幅值，E_有效为我们需要的真正的携带地下信息的数据；设第二次的发射电流大小为第一次发射电流大小的a倍，则E_i2有效＝a×E_i1有效；E_{i平稳噪声}是稳定存在的环境噪声，其值在不同的观测时间是不变的；

(3)去除数据中的非平稳随机噪声

去除随机噪声E_{i1随机噪声}和E_{i2随机噪声}，得到下式

(4)计算得到真实信号及环境噪声

各测点对各频点进行计算，得到此测点此频点的有效信号及平稳噪声大小；根据电磁探测原理，因为第二次发射电流为第一次发射电流的a倍，则第二次接收的有效信号也应为第一次有效信号的a倍：

E_i1＝E_i1有效+E_{i平稳噪声}

E_i2＝a×E_i1有效+E_{i平稳噪声} (3)

得到：

E_i1有效＝(E_i2-E_i1)/(a-1)

E_{i平稳噪声}＝(a×E_i1-E_i2)/(a-1) (4)

其中E_i1及E_i2为由接收机采集得到，E_i1有效及E_{i平稳噪声}为未知数，可以求解得到。

本发明的原理：

电场的有效数据可以通过如下公式正演模拟计算得到

其中E_x为电场的x方向分量，发射电矩P＝I×L，其中I为发射电流，L为发射天线的长度。ρ为大地视电阻率(是未知的，是在实际工作中我们想要得到的)，r为接收测点位置到发射源中心的距离，

x和y为接收测点位置的坐标；k为波数，

ω＝2πf，f为发射频率；

由公式1可知，某接收位置采集到的电磁场幅值是与发射源的电矩P成正比的。在野外天线长度不变的条件下，可通过改变发射电流的大小来改变发射电矩P的大小，从而改变电场的大小。

基于此原理，本发明通过改变发射电流的大小，进行两次信号发射并采集相应的信号的方式，建立起包含两个未知数的两个方程，从而可得到真实的有效场值以及环境平稳噪声。

CSEM法近年得到了广泛的应用，但是其一直受到环境电磁噪声影响的困扰。电磁噪声包括平稳噪声与随机噪声，现有的方法主要采用数据叠加等方式进行噪声压制，此种方法仅对于随机噪声具有效果，但是无法去除广泛存在的平稳强干扰信号，这会导致CSEM法在强干扰区探测失败。本发明提出了一种采用不同发射电流进行两次发射的方式，可以利用采集到的两套数据处理得到有效信号，高效压制环境噪声。本发明仅通过两次发射即可去除长期制约着电磁法应用的强噪声干扰，得到测点处的有效电磁场，解决此重要问题。

本发明提供的一种电磁信号强噪声去除方法，不仅野外施工操作简单方便，而且对于去除强干扰噪声十分有效，可以得到非常干净的有效信号，大幅提高CSEM的数据质量。由于CSEM方法的探测精度随着干扰的减小而逐渐提高，本发明的数据去噪方法可为提高CSEM法的探测精度提供重要保证。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

本实例中设大地为电阻率为1000Ωm的均匀大地，发射极长度为2km，接收点距离发射机中点为10km。

本实例中设发射机共发射24个频率点，分别为(单位Hz)：1，2，4，7680，5120，3840，2560，1920，1280，1024，711.11，512，355.56，256，177.78，128，88.89，64，44.44，32，22.22，16，11.11，8，假设各频点对应的平稳背景噪声为(单位mV/km)0.606085，0.770672，0.911035，0.622602，1.040473，0.271733，1.120743，0.05053，0.439575，0.07329，0.154183，1.307116，1.102933，0.503512，1.507913，0.054439，0.692376，0.611614，1.272664，1.363636，0.32372，0.830679，0.714534，0.962492。

(1)设置发射频率表

按照现有的CSEM野外施工流程，完成发射机及发射天线电极的布设。设置完成第一套发射机发射频率表Table1。发射频率表包括所需的发射频点序列F1，各频点的发射电流大小I1，以及各频点的发射持续时间T1。设置完成第二套发射机的发射频率表Table2，其中发射频点序列F2＝F1，各频点的发射持续时间T2＝T1，各频点的发射电流大小I2＝a×I1，其中系数a≠1。

本实例中设置的两个发射频率表如表1和表2所示，其中发射频率为1Hz-7680Hz，第一次发射的电流为5A，系数a设为2，则第二次发射的发射电流为10A。

表1：发射机的发射频率表Table1

表2：发射机的发射频率表Table2

(2)采集站接收2套发射信号

发射机按照两套发射频率表进行两次发射，接收机采集电场Ex信号。

(3)利用现有技术去除数据中的非平稳随机噪声

因为接收机在野外接收到的信号包含了随机噪声及平稳噪声，因此我们首先利用现有的数据多次叠加技术去除信号中的随机噪声，得到包含了有效信号及平稳噪声的数据。

表3和表4最后一列为发射电流为5A和10A时接收机观测到的去除了随机噪声之后的电场Ex振幅。

表3：发射频率表为Table1对应的接收电场值

表4：发射频率表为Table2对应的接收电场值

(4)计算得到真实有效信号及环境噪声

各测点对各频点进行计算，得到此测点此频点的有效信号及平稳噪声大小。本实例中参数a＝2，则采用的计算公式为：

E_i1有效＝(E_i2-E_i1)/(a-1)

E_{i平稳噪声}＝(a×E_i1-E_i2)/(a-1) (4)

其中E_i1及E_i2为去除随机噪声的电场，E_i1有效及E_{i平稳噪声}为待求未知数。

计算得到的有效电场及平稳噪声如表5所示。可以看到计算结果与真实结果一致，本发明方法能够精确得到有效场值。

表5：计算得到的有效电场值及背景噪声

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种电磁信号强噪声去除方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设置两套发射频率表

按照现有的CSEM野外施工流程，完成发射机及发射天线电极的布设；设置完成第一套发射机发射频率表Table1；设置完成第二套发射机的发射频率表Table2，其中发射频点序列F2＝F1，各频点的发射持续时间T2＝T1，各频点的发射电流大小I2＝a×I1，其中系数a≠1；

(2)采集站接收两套发射信号

在噪声干扰区完成阵列式电磁信号接收机的布设，准备接收发射机发射的电磁信号；发射机首先按照频率表Table1发射信号，各接收机完成频率表Table1的电磁信号采集；发射机按照频率表Table2发射信号，阵列式接收机完成频率表Table2的电磁信号采集；

可控源电磁法在野外观测到的场值包含需要的有效数据、平稳噪声及非平稳随机噪声三部分，如下公式所示：

其中E_i1和E_i2分别为接收机第1次和第2次观测到的第i个频点的电场或磁场幅值，E_有效为我们需要的真正的携带地下信息的数据；设第二次的发射电流大小为第一次发射电流大小的a倍，则E_i2有效＝a×E_i1有效；E_{i平稳噪声}是稳定存在的环境噪声，其值在不同的观测时间是不变的；

(3)去除数据中的非平稳随机噪声

去除随机噪声E_{il随机噪声}和E_{i2随机噪声}，得到下式

(4)计算得到真实有效信号及环境平稳噪声

各测点对各频点进行计算，得到此测点此频点的有效信号及平稳噪声大小；根据电磁探测原理，因为第二次发射电流为第一次发射电流的a倍，则第二次接收的有效信号也应为第一次有效信号的a倍：

E_i1＝E_i1有效+E_{i平稳噪声}

E_i2＝a×E_i1有效+E_{i平稳噪声} (3)

得到：

E_i1有效＝(E_i2-E_i1)/(a-1)

E_{i平稳噪声}＝(a×E_i1-E_i2)/(a-1) (4)

其中E_i1及E_i2为由接收机采集得到，E_i1有效及E_{i平稳噪声}为未知数，可以求解得到。