CN111856590B - 海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法，包括：设置海浪磁干扰压制执行参数；选择并读取参与海浪磁干扰压制的海洋大地电磁场数据；基于滤波参数与电磁场的阻抗关系，计算滤波参数初值；基于输入信号与参考信号中有效信号的相关性，结合信号与噪声之间随时间变化的统计特性,利用前一时刻的滤波参数进行迭代计算，自适应计算现时刻的滤波参数；基于滤波参数与电场、磁场的关系，重构预测信号；基于最小均方差算法原理，计算预测信号与参考信号的残差；判断是否满足处理要求；输出压制干扰的预测信号。较于传统的大地电磁噪声压制方法，所提出的方法稳定性更好，对海底介质引起的电磁场响应之间的阻抗关系破坏性更小。

Description

海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法

技术领域

本发明涉及海洋地球物理信号处理技术领域，具体涉及一种海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法。

背景技术

海洋大地电磁测深法(MT)通过在海底观测天然场源产生的感应电磁场获取海底介质的电性分布，它是研究海洋地壳和上地幔电性结构以及深部地质过程的重要地球物理手段。渤海、黄海等海域是我国海洋油气资源勘探和海洋地质构造研究的重点海域。近几十年来，我国在渤海、黄海开展了大量的地震、重力、磁法调查工作，然而，地震方法受上覆高速屏蔽层影响，以及重力、磁法勘探分辨率较低，致使难以获得高分辨率的深部地层信息。与地震波相比，电磁波不受地震波高速屏蔽层的影响，利用海洋MT方法可获得地震波高速屏蔽层内部及其下方的电性结构。

海浪等海水运动切割地磁场会产生强烈的感应电磁场。渤海、黄海平均水深分别为18米和44米，实测资料表明，浅水环境中海水运动感应电磁场严重影响海洋MT数据质量。在浅水环境中，海浪运动产生的感应电磁场干扰频率范围与MT信号的频率混叠，在时域和频域都不易将其与MT信号分离；海浪感应电磁干扰具有较强的能量，极大地降低了MT数据的信噪比，导致视电阻率和相位产生严重畸变，是浅水MT数据的主要干扰。因此，需对海浪感应电磁场进行压制以提高浅水区MT数据信噪比。

传统的傅里叶变换、小波变换及SVD分解等方法对MT数据的电场与磁场分别进行噪声压制，由于噪声与有效信号不易区分，上述方法容易对有效信号造成破坏，导致去噪效果不理想。张自力(2009)和张宝强(2018)利用小波阈值去噪方法，以及于彩霞(2010)利用希尔伯特-黄变换应用于海浪感应电磁场的压制研究中，上述两种方法能够压制受海浪感应电磁干扰影响频带内的强能量，并且视电阻率在一定程度上得到改善，然而相位改善效果不明显，处理效果有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法，该方法可应用于提高海洋大地电磁数据的信号比，以及提高海洋电磁探测精确性。

为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案：

1.一种海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法，其特征在于，主要包括：

S1、设置海浪磁干扰压制执行参数，所述参数包括滤波器阶数、最大迭代次数和最小迭代误差；

S2、选择并读取参与海浪磁干扰压制的海洋大地电磁场数据，将电场信号E作为输入信号，磁场信号H作为参考信号；

S3、基于滤波参数C与电磁场的阻抗关系，计算滤波参数初值C₀；

S4、基于输入信号E与参考信号H中有效信号的相关性，结合信号与噪声之间随时间变化的统计特性,利用前一时刻的滤波参数进行迭代计算，自适应计算现时刻的滤波参数C；

S5、基于滤波参数C与电场E、磁场H的关系，重构预测信号H′；

S6、基于最小均方差算法原理，计算预测信号H′与参考信号H的残差ε；

S7、判断是否满足最小迭代误差或达到最大迭代次数，若满足则转向S8，若不满足则转向S4；

S8、输出压制干扰的预测信号H′。

2.如权利要求1所述的海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法，其特征在于，基于滤波参数C与电磁场的阻抗关系，设定滤波参数初值C₀为：

式中，

为阻抗张量。

3.如权利要求1所述的海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法，其特征在于，所述基于输入信号E与参考信号H中有效信号的相关性，结合信号与噪声之间随时间变化的统计特性，利用前一时刻滤波参数进行迭代计算，按照如下公式自适应计算现时刻的滤波参数C：

C^H(m+1)＝C^H(m)+2μE(m)ε^*(m)；

式中，m表示m时刻；电场E(m)为输入信号；磁场H(m)为参考信号；H′(m)为预测信号；C(m)为滤波系数；ε(m)为磁场H(m)与预测信号H′(m)的残差；上标H表示共轭转置，*表示复共轭；μ为滤波器步长，满足

λ_max为相关矩阵R＝E[E(m)E^H(m)]最大的特征值。

4.如权利要求3所述的磁场H(m)与预测信号H′(m)的残差ε(m)计算方法，其特征在于，采用以下公式确定：

ε(m)＝H(m)-H′(m)。

5.如权利要求1所述的海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法，其特征在于，基于滤波参数C与电场E、磁场H的关系重构预测信号H′的方法为：

H′(m)＝C(m)E(m)。

较现有技术相比，本发明一些实施例中，提供的方法的有益效果在于：

本发明主要针对海洋大地电磁探测中由海浪运动引起对MT磁场信号的强干扰，并导致大地电磁数据信噪比低的问题，提出了一种海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法，该方法为复杂浅水环境下改善海洋MT资料信噪比提供了一种有效的技术方案。较于传统的大地电磁噪声压制方法，该方法基于海浪感应电磁干扰的特点和电场与磁场之间的传递函数关系，将受海浪感应电磁干扰影响较小的电场作为输入信号，将磁场作为参考信号，在尽可能不破坏电磁场之间的阻抗关系的情况下，利用输入信号和输出信号的统计特性压制磁场分量中的海浪感应磁干扰。所提出的海浪磁干扰压制方法稳定性更好，对海底介质引起的电磁场响应之间的阻抗关系破坏性更小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的程序流程框图；

图2为一维地电模型结构示意图；

图3为无噪信号、海浪感应磁干扰及合成信号的时间序列及振幅谱；

图4为无噪信号、压制干扰输出信号及误差的时间序列及振幅谱；

图5为干扰压制前视电阻率及相位曲线；

图6为干扰压制后视电阻率及相位曲线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1，一种海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法，主要包括以下步骤：

S1.设置执行参数，所述参数包括滤波器阶数、最大迭代次数和最小迭代误差。

S11.滤波器阶数：将输入数据分为不同模块进行处理。

S12.最大迭代次数：自适应计算滤波参数的迭代次数的最大值。设置该参数能够使迭代过程达到该最大迭代次数后退出处理程序，避免处理程序持续循环运行，提高程序计算效率。

S13.最小迭代误差：预测信号与参考信号残差的目标值。数据迭代误差是判断处理结果与最佳输出的拟合标准。用户根据数据质量设定最小迭代误差，当处理结果的迭代误差达到或者低于最小迭代误差，处理程序退出；若没有达到最小迭代误差，处理程序将持续进行。

S2.选择并读取参与海浪磁噪声压制的海洋大地电磁场数据，将电场信号E作为输入信号，磁场信号H作为参考信号。

S3.基于滤波参数C与电磁场的阻抗关系，根据下式计算滤波参数初值C₀：

式中，

为阻抗张量。

S4.基于输入信号E与参考信号H中有效信号的相关性，结合信号与噪声之间随时间变化的统计特性,利用前一时刻的滤波参数进行迭代计算，按照如下公式自动地调节现时刻的滤波参数C：

C^H(m+1)＝C^H(m)+2μE(m)ε^*(m)；

式中，m表示m时刻；电场E(m)为输入信号；磁场H(m)为参考信号；H′(m)为预测信号；C(m)为滤波系数；上标H表示共轭转置，*表示复共轭；μ为滤波器步长，满足

λ_max为相关矩阵R＝E[E(m)E^H(m)]最大的特征值。ε(m)为磁场H(m)与预测信号H′(m)的残差。

S5.基于滤波参数C与电场E、磁场H的关系，按照下式重构预测信号H′：

H′(m)＝C(m)E(m)；

其中，m表示m时刻；电场E(m)为输入信号；H′(m)为输出信号；C(m)为由上一时刻迭代计算得到的滤波系数。

S6.基于最小均方差算法原理，计算预测信号H′与参考信号H的残差ε：

ε(m)＝H(m)-H′(m)；

S7.判断是否满足最小迭代误差或达到最大迭代次数，若满足则转向S8，若不满足则转向S4；

S8.输出压制噪声的预测信号H′。

实施例2

参考图2，为一维典型地电模型原理图。为验证本专利所提出压制实测海浪感应磁干扰的可行性，以图2所示一维海洋地电模型模拟的电磁场作为有效电磁信号，以实测海浪感应磁场作为噪声并混入有效信号中，实现在海浪感应磁干扰影响频带内有效信号和噪声混叠。

首先基于图2所示一维海洋地电模型进行正演获得阻抗Z，截取黄海浅水海域某大地电磁采集站的磁场时间序列并进行重采样；随后对获取的磁场时间序列进行傅里叶变换得到H，根据阻抗关系由Z和H得到电场E；最后，对E进行逆傅里叶变换得到电场的时间序列，模拟得到的海洋MT数据。同时，截取该大地电磁采集站的0.06-0.25Hz频段范围内的磁场分量作为海浪感应磁干扰加入到Hy分量中。图3为无噪信号(无噪Hy)、海浪感应磁干扰、含噪信号(含噪Hy)的时间序列(上)以及对应的振幅谱(下)。由图可见，在Hy分量中加入实测海浪感应磁场后，含噪的Hy分量振幅谱在海浪感应磁干扰影响的频带内出现了明显的强能量。同样的，将电场E作为输入信号，将混入实测海浪感应磁干扰的磁场H作为参考信号，利用本专利提出的干扰压制方法对合成信号进行处理，图4为滤波输出信号与无噪信号的对比结果，误差表示两者的差异。可以看出，所提出的干扰压制算法有效压制了海浪感应磁干扰影响频带的强能量，使得能量趋于正常，去噪信号与无噪信号的时间序列、振幅谱都十分接近。经处理后，Hy分量中海浪感应磁干扰影响频带的信噪比由-29.4834dB提高到了10.2779dB，归一均方根误差为0.4446％，去噪信号与无噪信号的相关系数为0.9980，信号质量得到明显改善。

压制海浪电磁场干扰的目的是为了获得更加准确的视电阻率和相位。因此，对滤波输出信号进行阻抗估计并计算视电阻率和相位。图5和图6分别为滤波前和滤波后的视电阻率及相位。对于含噪信号，在受海浪感应电磁场影响的频带，ρ_xy曲线量级明显偏小，

曲线具有较大的误差棒。经过滤波处理后，在受海浪干扰影响的频带，ρ_xy曲线量级趋近于理想的量级，

曲线较大的误差棒明显得到改善。模拟数据处理结果表明，本专利所提出算法可以有效压制磁场分量中混叠的实测海浪感应磁场，通过估算阻抗并最终得到更加可靠的视电阻率及相位曲线。由此也说明，本发明提出的算法是有效的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种海洋大地电磁探测的海浪磁干扰压制方法，其特征在于，包括：

S1、设置海浪磁干扰压制执行参数，所述参数包括滤波器阶数、最大迭代次数和最小迭代误差；

S2、选择并读取参与海浪磁干扰压制的海洋大地电磁场数据，将电场信号E作为输入信号，磁场信号H作为参考信号；

S3、基于滤波参数C与电磁场的阻抗关系，计算滤波参数初值C₀，所述滤波参数初值C₀的计算方法为：

式中，

为阻抗张量；

S4、基于输入信号E与参考信号H中有效信号的相关性，结合信号与噪声之间随时间变化的统计特性,利用前一时刻的滤波参数进行迭代计算，自适应计算现时刻的滤波参数C，所述现时刻的滤波参数C的计算方法为：

C^H(m+1)＝C^H(m)+2μE(m)ε^*(m)

式中，m表示m时刻；电场E(m)为输入信号；磁场H(m)为参考信号；H′(m)为预测信号；C(m)为滤波系数；ε(m)为磁场H(m)与预测信号H′(m)的残差，其计算方法为ε(m)＝H(m)-H′(m)；上标H表示共轭转置，*表示复共轭；μ为滤波器步长，满足

λ_max为相关矩阵R＝E[E(m)E^H(m)]最大的特征值；

S5、基于滤波参数C与电场E、磁场H的关系，重构预测信号H′，所述重构预测信号H′的方法为：

H′(m)＝C(m)E(m)；

S6、基于最小均方差算法原理，计算预测信号H′与参考信号H的残差ε；

S7、判断是否满足最小迭代误差或达到最大迭代次数，若满足则转向S8，若不满足则转向S4；

S8、输出压制干扰的预测信号H′。

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