CN111796334B - 一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地球物理信号处理与分析技术研究领域，特别是一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法，将拖曳式瞬变电磁整体数据按发射周期与采样率的乘积转换为多测点数据，随后按照瞬变电磁穿透深度与传播时间的关系，将测点数据进行分段，早期分段数据信噪比高，对应浅层信息，按照高相关度原则进行少量叠加，以提高浅层横向分辨率；晚期信噪比低，对应深部连续性较好的地质体，进行多量叠加提高纵向分辨率。该数据叠加方法能够在不减少测点数量的同时有效的提高测点数据信噪比，保证了后期数据解释的浅层横向异常分辨率与深层纵向分辨率，具有较好的实际应用价值。

Description

一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法

技术领域

本发明涉及地球物理信号处理与分析技术研究领域，特别是一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法。

背景技术

拖曳式瞬变电磁探测是指由人工或者全地形车牵引的地面瞬变电磁系统，其发射系统能够在拖曳移动过程中连续进行工作，接收系统同步采集全过程全波形信号数据；相比于传统地面瞬变电磁定点布局探测，该拖曳式探测装置能够更高效快速的对地下地质结构进行探测，因此越发受到科研工作者的重视。然而，拖曳式瞬变电磁装置由于连续移动探测的特殊性，采集的数据易受到工频噪声、尖峰噪声、随机噪声、运动噪声的影响，由于在连续运动，其数据处理不能够采用地面瞬变电磁法的定点多次叠加的方法来提高数据信噪比；又因为其移动速度相对较慢，测线距离短，也无法采用航空瞬变电磁法相邻测点数据直接叠加的方法，会丢失横向异常分辨率。且拖曳式瞬变电磁探测往往应用于城市地下空间、隧道工程环境中，这种地质环境的特点是浅层地质异常体丰富，深部地质体横向连续性较好，因此，需要研究适用于拖曳式瞬变电磁装置的高分辨率数据叠加方法，在提高数据信噪比的同时有效保留拖曳式瞬变电磁数据的良好横向异常分辨率以及纵向分辨率，对拓展拖曳式瞬变电磁装置的应用范围，实现地下空间的高效探测与高精度解释具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法，为后期数据视电阻率曲线计算，高分辨率反演解释奠定基础。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法，该方法包括以下步骤：

S1、获取瞬变电磁仪器连续拖曳移动发射时采集的全时拖曳瞬变电磁数据，根据发射频率与接收机采样率提取每个发射周期下接收的瞬变电磁数据，每个发射周期采集的数据记为一个测点数据；

S2、完成测线测量后，关闭发射系统，仅打开接收系统，重新沿测线测量以获取瞬变电磁仪器连续拖曳移动的空采噪声数据，记录测量的噪声平均振幅值；

S3、所有测点数据为双极性梯形波发射的数据，将其正极性周期发射关断后对应的数据减去负极性周期发射关断后对应的数据后除以二，得到的数据记为拖曳式瞬变电磁初步处理后的测点数据；

S4、对瞬变电磁各个初步处理后的测点数据按照分段原则进行数据分段，对不同测点中相同分段的数据进行相关度计算，按照分段相关叠加方法进行叠加处理，所有测点完成分段叠加计算后，完成高分辨率拖曳式瞬变电磁数据叠加处理。

进一步地，所述步骤S1中的瞬变电磁仪器是由人工或者全地形车牵引的拖曳式瞬变电磁系统，探测线圈放置于移动平台上，采用中心回线配置，发射系统控制发射线圈在拖曳过程中连续发射，接收系统通过接收线圈同步采集全波形信号数据。

进一步地，所述步骤S1中的测点数据，其数据长度L_m由发射频率f_v与接收机采样率f_s定义，将拖曳式数据中每L_m个数据记为一个测点数据，满足：

进一步地，所述步骤S2中噪声平均振幅值是基于对空采噪声数据计算得出，将实测噪声数据全部或截取部分数据段取绝对值后相加，除以对应噪声数据点数，得到噪声的平均振幅值e_noise。

进一步地，所述步骤S3中双极性梯形波发射是拖曳式瞬变电磁发射系统的连续发射波形，双极性梯形波发射周期为工频周期的偶数倍以抑制工频噪声的干扰，正负极性周期发射关断后对应的数据相减满足：

其中

为测点正极性周期发射关断后对应的接收数据，

为负极性周期发射关断后对应的接收数据，U_m'为初步处理过后的第m测点数据，A_m对应仪器接收放大倍数。

进一步地，所述的步骤S4中的分段原则，包括以下步骤：

T1、随机抽取三组初步处理后的测点数据，从数据中找到与噪声的平均振幅值e_noise最为接近的数据点，记录三个数据点对应的采样时间，并取平均值后记录为t_noise；

T2、定义第一数据段，数据采样起始点时间为1/f_s，f_s为接收机采样率，记录其所在时间数量级为10^-n，则第一数据段为在[1/f_s,10^-(n-1)]时间段内的数据；

T3、由于瞬变电磁穿透深度与传播时间的根号呈正比，将测点数据中信号幅度大于噪声的平均振幅值e_noise的部分，按照等穿透深度划分，定义第二数据段为[10^-(n-1),2²·10^-(n-1)]时间段内的数据，第三数据段为[2²·10^-(n-1),3²·10^-(n-1)]时间段内的数据，第k数据段为[(k-1)²·10^-(n-1),k²·10^-(n-1)]时间段内的数据，其中分段数k的取值满足：

T4、对于剩下的测点数据，均为测点数据中信号幅度小于噪声的平均振幅值e_noise的部分，这部分数据整体作为最后一数据段，记为第k+1数据段，至此完成测点数据的数据分段。

进一步地，所述步骤S4中的分段相关叠加方法包括以下步骤：

G1、对拖曳式各测点数据完成数据分段后，对各个测点的前k段数据按照分段进行相关度计算，计算公式满足：

其中A与B为两个不同测点的分段数据序列，A_m、B_m分别为A与B对应测点分段数据序列里的第m个点，

为A测点分段数据序列的均值，

为B测点分段数据的均值，r为A与B测点分段数据的相关度计算值；

G2、设置不同分段数据叠加的相关度阈值，第k段数据阈值选取的计算公式满足：

P^k…(P∈[0.92-0.98])；

G3、对目标测点的前k段数据，通过计算目标测点分段数据与全部测点分段数据的相关度值，选取相关度值高于设置阈值的测点，将其作为权系数分别乘以对应的测点数据，叠加到目标测点，最后除以叠加的权系数之和进行数据归一化，得到目标测点前k段数据中第i段数据叠加值U_ki满足：

其中U为测点数据，U_si为第s测点数据中第i段数据序列，M为总测点数据数目，r_si为目标测点第i段数据序列与对应第s测点的同分段数据的相关度值，r_kmin为分段相关度阈值；

G4、对目标测点的第k+1数据段，采用直接叠加法以提高信噪比，叠加次数N根据深部地质的最小横向分辨率W、拖曳车行进速度V和发射频率f_v来确定，

有益效果：本发明提出了一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法。首先将拖曳式瞬变电磁整体数据按发射周期与采样率的乘积转换为多测点数据，随后按照瞬变电磁穿透深度与传播时间的关系，将测点数据进行分段，早期分段数据信噪比高，对应浅层信息，按照高相关度原则进行少量叠加，以提高浅层横向分辨率；晚期信噪比低，对应深部连续性较好的地质体，进行多量叠加提高纵向分辨率。该数据叠加方法能够在不减少测点数量的同时有效的提高测点数据信噪比，保证了后期数据解释的浅层横向异常分辨率与深层纵向分辨率，具有较好的实际应用价值。

附图说明

图1为拖曳式瞬变电磁探测装置示意图；

图2为拖曳式瞬变电磁实测测线数据图；

图3为拖曳式瞬变电磁数据叠加方法流程图；

图4为拖曳式瞬变电磁实测数据单个周期测点图；

图5为拖曳式瞬变电磁单个周期仅极性相减处理后原始实测数据图；

图6为拖曳式瞬变电磁单个周期分段叠加处理后数据图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明：

一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法的详细说明：采用的拖曳式瞬变电磁探测装置如图1所示包括拖曳车1、在拖曳车1上设置发射系统2和接收系统3，通过拖曳车后挂有移动平台6，在移动平台设置接收线圈5和发射线圈4，该装置采用中心回线方式探测，发射系统在拖曳过程中连续发射，接收系统同步采集全波形信号数据，发射线圈为4匝，尺寸为2m×2m，发射频率为12.5Hz，接收线圈为1匝，半径为0.25m。发射波形为双极性梯形波，接收系统采样率为156.25K，在一段道路上进行拖曳式测量后采集到的整体测线数据X(n)，拖曳式瞬变电磁测线数据见图2，数据分段叠加处理流程如图3所示；

一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法，该方法包括以下步骤：

S1、获取瞬变电磁仪器连续拖曳移动发射时采集的全时拖曳瞬变电磁数据，根据发射频率与接收机采样率提取每个发射周期下接收的瞬变电磁数据，每个发射周期采集的数据记为一个测点数据；

S2、完成测线测量后，关闭发射系统，仅打开接收系统，重新沿测线测量以获取瞬变电磁仪器连续拖曳移动的空采噪声数据，记录测量的噪声平均振幅值；

S3、所有测点数据为双极性梯形波发射的数据，将其正极性周期发射关断后对应的数据减去负极性周期发射关断后对应的数据后除以二，得到的数据记为拖曳式瞬变电磁初步处理后的测点数据；

S4、对瞬变电磁各个初步处理后的测点数据按照分段原则进行数据分段，对不同测点中相同分段的数据进行相关度计算，按照分段相关叠加方法进行叠加处理，所有测点完成分段叠加计算后，完成高分辨率拖曳式瞬变电磁数据叠加处理。

步骤S1中的瞬变电磁仪器是由人工或者全地形车牵引的拖曳式瞬变电磁系统，探测线圈放置于移动平台上，采用中心回线配置，发射系统控制发射线圈在拖曳过程中连续发射，接收系统通过接收线圈同步采集全波形信号数据。

步骤S1中的测点数据，其数据长度L_m由发射频率f_v与接收机采样率f_s定义，将拖曳式数据中每L_m个数据记为一个测点数据，满足：

步骤S2中噪声平均振幅值是基于对空采噪声数据计算得出，将实测噪声数据全部或截取部分数据段取绝对值后相加，除以对应噪声数据点数，得到噪声的平均振幅值e_noise。

根据发射周期和接收机采样率得出一个发射周期对应的数据量为12500个,将原始实测数据每12500个记为一个测点数据U，图4为单个发射周期对应的测点数据图；

图5为该测点通过双极性波数据相减处理得到的数据图形；双极性梯形波发射是拖曳式瞬变电磁发射系统的连续发射波形，双极性梯形波发射周期为工频周期的偶数倍以抑制工频噪声的干扰，正负极性周期发射关断后对应的数据相减满足：

其中

为测点正极性周期发射关断后对应的接收数据，

为负极性周期发射关断后对应的接收数据，U_m'为初步处理过后的第m测点数据，A_m对应仪器接收放大倍数；本实施例中仪器方法倍数为60倍；

步骤S4对瞬变电磁各个初步处理后的测点数据按照分段原则进行数据分段，分段原则，包括以下步骤：

T1、随机抽取三组初步处理后的测点数据，从数据中找到与噪声的平均振幅值e_noise最为接近的数据点，记录三个数据点对应的采样时间，并取平均值后记录为t_noise，本实施例中，由图4可知将噪声除以仪器方法倍数后振幅约为e_noise＝10^-3V，对应时间t_noise＝10^-4s；

T2、定义第一数据段，数据采样起始点时间为1/f_s，记录其所在时间数量级为10^-n，则第一数据段为在[1/f_s,10^-(n-1)]时间段内的数据；本实施例中接收系统采样率为156.25K，对应n＝6；

T3、由于瞬变电磁穿透深度与传播时间的根号呈正比，将测点数据中信号幅度大于噪声的平均振幅值e_noise的部分，按照等穿透深度划分，定义第二数据段为[10^-(n-1),2²·10^-(n-1)]时间段内的数据，第三数据段为[2²·10^-(n-1),3²·10^-(n-1)]时间段内的数据，第k数据段为[(k-1)²·10^-(n-1),k²·10^-(n-1)]时间段内的数据，其中分段数k的取值满足：

本实施例中代入上述参数计算分段数k的取值为3；

T4、对于剩下的测点数据，均为测点数据中信号幅度小于噪声的平均振幅值e_noise的部分，这部分数据整体作为最后一数据段，记为第k+1数据段，至此完成测点数据的数据分段。

随后对不同测点中相同分段的数据进行相关度计算，按照分段相关叠加方法进行叠加处理，所述的分段相关叠加方法，是指为了保留拖曳式瞬变电磁的浅层横向分辨率以及深度纵向分辨率，对早期数据以及晚期数据段采用不同的叠加策略，该方法包括以下步骤：

G1、对拖曳式各测点数据完成数据分段后，对各个测点的前k段数据按照分段进行相关度计算，计算公式满足：

其中A与B为两个不同测点的分段数据序列，A_m、B_m分别为对应测点分段数据序列里的第m个点，

为A测点分段数据序列的均值，

为B测点分段数据的均值，r为A与B测点分段数据的相关度计算值；

G2、设置不同分段数据叠加的相关度阈值，该阈值是经验系数，只有当计算的其它相邻测点相关度高于这个阈值时，才进行叠加，适当降低阈值可以增加叠加数目，提高数据解释纵向分辨率，适当提高阈值有利于增加成像横向异常分辨率，由于早期段数据信噪比高，需要将相关度阈值适当设置高一些，并逐段递减，第k段数据阈值选取的计算公式满足：

P^k…(P∈[0.92-0.98])

本实施例中设置P值为0.96；

G3、对目标测点的前k段数据，通过计算目标测点分段数据与全部测点分段数据的相关度值，选取相关度值高于设置阈值的测点，将其作为权系数分别乘以对应的测点数据，叠加到目标测点，最后除以叠加的权系数之和进行数据归一化，得到目标测点前k段数据中第i段数据叠加值U_ki满足：

其中U为测点数据，U_si为第s测点数据中第i段数据序列，M为总测点数据数目，r_si为目标测点第i段数据序列与对应第s测点的同分段数据的相关度值，r_kmin为分段相关度阈值。

G4、对目标测点的第k+1数据段，由于此段数据对应晚期时间段，数据整体受噪声影响严重，不再适用于相关度计算叠加，考虑晚期数据对应的探测信息主要集中于深部地质，这部分地质电性参数连续性较好，故采用直接叠加法以提高信噪比，叠加次数N可根据深部地质的最小横向分辨率W、拖曳车行进速度V和发射频率f_v来确定,

所有测点完成上述计算后，即完成了拖曳式瞬变电磁数据的预处理，图6为测点通过分段叠加处理得到的数据图形；

基于滑动相关加权叠加的拖曳式瞬变电磁探测数据预处理方法，能够在不减少测点数量的同时有效的提高测点数据信噪比，保证后期数据解释的横向分辨率与准确度。对比图5、图6可知，拖曳式瞬变电磁数据在不经过叠加处理时晚期数据信噪比较低，采用分段叠加算法处理后的数据，在提高信噪比的同时，保持了信号的真实性，为后期数据解释奠定了重要基础。

Claims (6)

1.一种高分辨率拖曳式瞬变电磁数据预处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、获取瞬变电磁仪器连续拖曳移动发射时采集的全时拖曳瞬变电磁数据，根据发射频率与接收机采样率提取每个发射周期下接收的瞬变电磁数据，每个发射周期采集的数据记为一个测点数据；

S2、完成测线测量后，关闭发射系统，仅打开接收系统，重新沿测线测量以获取瞬变电磁仪器连续拖曳移动的空采噪声数据，记录测量的噪声平均振幅值；

S3、所有测点数据为双极性梯形波发射的数据，将其正极性周期发射关断后对应的数据减去负极性周期发射关断后对应的数据后除以二，得到的数据记为拖曳式瞬变电磁初步处理后的测点数据；

S4、对瞬变电磁各个初步处理后的测点数据按照分段原则进行数据分段，对不同测点中相同分段的数据进行相关度计算，按照分段相关叠加方法进行叠加处理，所有测点完成分段叠加计算后，完成高分辨率拖曳式瞬变电磁数据叠加处理；

所述的步骤S4中的分段原则，包括以下步骤：

T1、随机抽取三组初步处理后的测点数据，从数据中找到与噪声的平均振幅值e_noise最为接近的数据点，记录三个数据点对应的采样时间，并取平均值后记录为t_noise；

T2、定义第一数据段，数据采样起始点时间为1/f_s，f_s为接收机采样率，记录其所在时间数量级为10^-n，则第一数据段为在[1/f_s,10^-(n-1)]时间段内的数据；

T3、由于瞬变电磁穿透深度与传播时间的根号呈正比，将测点数据中信号幅度大于噪声的平均振幅值e_noise的部分，按照等穿透深度划分，定义第二数据段为[10^-(n-1),2²·10^-(n-1)]时间段内的数据，第三数据段为[2²·10^-(n-1),3²·10^-(n-1)]时间段内的数据，第k数据段为[(k-1)²·10^-(n-1),k²·10^-(n-1)]时间段内的数据，其中分段数k的取值满足：

T4、对于剩下的测点数据，均为测点数据中信号幅度小于噪声的平均振幅值e_noise的部分，这部分数据整体作为最后一数据段，记为第k+1数据段，至此完成测点数据的数据分段。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的瞬变电磁仪器是由人工或者全地形车牵引的拖曳式瞬变电磁系统，探测线圈放置于移动平台上，采用中心回线配置，发射系统控制发射线圈在拖曳过程中连续发射，接收系统通过接收线圈同步采集全波形信号数据。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的测点数据，其数据长度L_m由发射频率f_v与接收机采样率f_s定义，将拖曳式数据中每L_m个数据记为一个测点数据，满足：

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中噪声平均振幅值是基于对空采噪声数据计算得出，将实测噪声数据全部或截取部分数据段取绝对值后相加，除以对应噪声数据点数，得到噪声的平均振幅值e_noise。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中双极性梯形波发射是拖曳式瞬变电磁发射系统的连续发射波形，双极性梯形波发射周期为工频周期的偶数倍以抑制工频噪声的干扰，正负极性周期发射关断后对应的数据相减满足：

其中

为测点正极性周期发射关断后对应的接收数据，

为负极性周期发射关断后对应的接收数据，U_m'为初步处理过后的第m测点数据，A_m对应仪器接收放大倍数。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中的分段相关叠加方法包括以下步骤：

G1、对拖曳式各测点数据完成数据分段后，对各个测点的前k段数据按照分段进行相关度计算，计算公式满足：

其中A与B为两个不同测点的分段数据序列，A_m、B_m分别为A与B对应测点分段数据序列里的第m个点，

为A测点分段数据序列的均值，

为B测点分段数据的均值，r为A与B测点分段数据的相关度计算值；

G2、设置不同分段数据叠加的相关度阈值，第k段数据阈值选取的计算公式满足：

第k段数据阈值＝P^k,P∈[0.92-0.98]；

G3、对目标测点的前k段数据，通过计算目标测点分段数据与全部测点分段数据的相关度值，选取相关度值高于设置阈值的测点，将其作为权系数分别乘以对应的测点数据，叠加到目标测点，最后除以叠加的权系数之和进行数据归一化，得到目标测点前k段数据中第i段数据叠加值U_ki满足：

其中U为测点数据，U_si为第s测点数据中第i段数据序列，M为总测点数据数目，r_si为目标测点第i段数据序列与对应第s测点的同分段数据的相关度值，r_kmin为分段相关度阈值；

G4、对目标测点的第k+1数据段，采用直接叠加法以提高信噪比，叠加次数N根据深部地质的最小横向分辨率W、拖曳车行进速度V和发射频率f_v来确定，

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