CN111983698A - 基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法 - Google Patents

基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及地球物理勘探设备领域，具体而言，涉及一种基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法，包括：S1、获取环境的工频噪声基频频率；S2、根据环境的工频噪声基频频率确定发射频率；S3、根据步骤S2中的确定的发射频率计算一个测点内有效采集数据的周期个数；S4、提取第一个测点的所有有效采集数据，提取正负周期反相数据，相减获得一组数据；S5、将步骤S4提取的所有数据做叠加平均处理得到第一个测点预处理后的原始数据；S6、其他测点按照步骤S4和步骤S5进行处理，获得拖曳式数据所有预处理后的原始数据。本发明方法可以在不引入任何算法之前，保证不损失信号成分情况下，对工频噪声进行高效抑制，提取有效信号。

Description

基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法
技术领域
本发明涉及地球物理勘探设备领域，具体而言，涉及一种基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法。
背景技术
拖曳式瞬变电磁法作为地下探测的重要技术手段，在城市地质结构探测、地质资源勘查等科研工作中具有广阔的应用前景。然而在拖曳式地下空间的探测过程中，不可避免的引入噪声的影响。尤其是因城市电力线及其他电力设备产生的工频噪声影响尤为显著，工频噪声中的基频及其谐波成分使得有效的地球物理数据淹没其中，无法获取有效信息。
传统的工频噪声抑制方法中，常采用双极性发射与叠加平均相结合的方法对工频噪声进行抑制，该方法成本低、易实现。但是要想取得较好效果，需要成千上万次的大量数据叠加，效率低下。拖曳式这类移动式电磁法仪器，因其需要保证横向水平分辨率，数据叠加次数有限，仅采用传统的双极性发射与叠加平均相结合的方法无法满足大量数据处理的要求。因此工频噪声抑制需要更多方法补充其中，以适用于更多的工况。
专利CN201911057736.1《一种用于城市地下空间探测的瞬变电磁噪声抑制方法》通过采用分别采集一段纯噪声与一段耦合信号的采集策略，再利用遗传算法寻找纯噪声中与采集数据最相关的一段，进而减去该段噪声，以达到抑制工频噪声的目的。但该发明，每个采样时段都需要获取一段纯噪声作为“特征域”，对于拖曳式系统而言，这个过程会导致该部分地下信息丢失，尤其是高速测量的系统，在采集噪声样本时间段内会导致丢失的地球物理信息更为严重。
因此，亟需一种新的方法既能快速压制工频噪声、在少量叠加次数的基础上达到较高信噪比，又能不丢失期间的地质信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于拖曳式地下空间探测的瞬变电磁噪声抑制方法，可以在不引入任何算法之前，保证不损失信号成分情况下，对工频噪声进行高效抑制，提取有效信号；其有易实现、高效、适用与大数据场景等的特点。对于实现地下空间的高效探测与高精度解释具有重要意义。
本发明是这样实现的，一种基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法，包括以下步骤：
S1、获取环境的工频噪声基频频率；
S2、根据环境的工频噪声基频频率确定发射频率；
S3、根据步骤S2中的确定的发射频率计算一个测点内有效采集数据的周期个数；
S4、提取第一个测点的所有有效采集数据，提取正负周期反相数据，相减获得一组数据；
S5、将步骤S4提取的所有数据做叠加平均处理得到第一个测点预处理后的原始数据；
S6、其他测点按照步骤S4和步骤S5进行处理，获得拖曳式数据所有预处理后的原始数据。
进一步地，步骤S2中，根据探测需求，设计确定发射频率：根据步骤S1取得的数据，确定n的取值，并确定发射频率，确定原则需满足：
Figure BDA0002641616770000021
其中ftr表示发射频率，fh表示环境的工频噪声频率，n表示确定发射频率相关参数，采用双极性方波发射，设定占空比为25％，数据连续不间断采集。
进一步地，步骤S3中具体为，根据预设横向分辨率L与航空飞行器或拖曳车的移动速度v，确定一组内有效采集数据的周期个数M：
Figure BDA0002641616770000031
其中ftr表示发射频率，即每M个周期的数据等效为一个测点的数据。
进一步地，步骤S4具体包括：取第一个测点的所有数据
Figure BDA0002641616770000032
和
Figure BDA0002641616770000033
Figure BDA00026416167700000315
为第一个测点第i周期的正周期数据，
Figure BDA0002641616770000034
是由于第一个测点第i周期的正周期二次场信号
Figure BDA0002641616770000035
第一个测点第i周期的正周期工频噪声
Figure BDA0002641616770000036
和随机噪声
Figure BDA0002641616770000037
构成，
Figure BDA00026416167700000316
表示第一个测点第i+n周期的负周期信号数据，
Figure BDA0002641616770000038
是由于第一个测点第i+n周期的负周期二次场信号
Figure BDA0002641616770000039
第一个测点第i+n周期的负周期工频噪声
Figure BDA00026416167700000310
和
Figure BDA00026416167700000311
构成，其中，
Figure BDA00026416167700000312
信号反相，工频噪声同相，进一步做差得到消噪后的数据：
Figure BDA00026416167700000313
处理后数据yi(t)滤除了工频噪声数据。
进一步地，步骤S5中第一个测点的所有数据进行叠加平均处理得到第一个测点预处理后的原始数据包括采用如下的公式：
Figure BDA00026416167700000314
其中yi为滤除了工频噪声数据，M为一个测点内有效采集数据的周期个数。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
①本发明提出了基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法，结合工频频率周期性特征，设定特定发射频率和发射脉冲波形，并通过周期移动双极性信号相减的方法，使得接收数据中二次场信号加强、工频噪声减弱，在保证不损失信号成分情况下，能够有效抑制工频噪声的干扰。
②本发明方法在无需其他工频噪声滤波方法的前提下，利用工频噪声的周期性对其进行抑制，其适用于拖曳式瞬变电磁大数据的快速处理预处理，该技术在处理航空电磁法、拖曳式电磁法等移动式连续测量数据都具有较高的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的工作流程示意图；
图2为n＝2时接收理论信号与工频基频噪声相位反相说明图；
图3为n＝2时接收线圈的信号仿真图；
图4为n＝2时提取的第一组正周期信号仿真图；
图5为n＝2时提取的第一组负周期信号仿真图；
图6为n＝2时本发明实施例方法处理后与正负周期提取后接收数据图；
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法，基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法，包括以下步骤：
S1、获取环境的工频噪声基频频率大小；
S2、根据探测需求，设计确定发射频率：根据步骤S1取得的数据，确定n的取值，并确定发射频率，确定原则需满足：
Figure BDA0002641616770000041
其中ftr表示发射频率，fh表示环境的工频基频噪声频率，n表示确定发射频率相关参数，采用双极性方波发射，设定占空比为25％，数据连续不间断采集；
S3、一个测点内有效采集数据的周期数设定：根据预设横向分辨率L与航空飞行器或拖曳车的移动速度v，确定一组内有效采集数据的周期个数M：
Figure BDA0002641616770000051
即每M个周期的数据等效为一个测点的数据；
S4、成分相位反相数据处理：提取第一个测点的所有有效采集数据
Figure BDA0002641616770000052
和
Figure BDA0002641616770000053
Figure BDA0002641616770000054
为第一个测点第i周期的正周期数据，
Figure BDA0002641616770000055
是由于第一个测点第i周期的正周期二次场信号
Figure BDA0002641616770000056
第一个测点第i周期的正周期工频噪声
Figure BDA0002641616770000057
和随机噪声
Figure BDA0002641616770000058
构成，
Figure BDA0002641616770000059
表示第一个测点第i+n周期的负周期信号数据，
Figure BDA00026416167700000510
是由于第一个测点第i+n周期的负周期二次场信号
Figure BDA00026416167700000511
第一个测点第i+n周期的负周期工频噪声
Figure BDA00026416167700000512
和
Figure BDA00026416167700000513
构成，其中，
Figure BDA00026416167700000514
信号反相，工频噪声同相，进一步做差得到消噪后的数据：
Figure BDA00026416167700000515
处理后数据yi滤除了工频噪声数据；
S5、为了进一步压制随机噪声，将步骤S4提取的第一个测点的所有数据进行叠加平均处理得到第一个测点预处理后的原始数据：
Figure BDA00026416167700000516
S6、其他测点也按照步骤S4和S5进行处理，获得拖曳式数据所有预处理后的原始数据。
实施例
本发明采用n＝2时进行举例说明，仿真信号采用幅值为0.5V的e指数衰减信号；工频噪声采用的是基频50Hz，幅值为1V；随机噪声为0；采样率为1MHz，采集时长为两个工频基频周期。按照特定原则，则发射频率为125Hz。基于成分相位反相的瞬变电磁数据工频噪声抑制方法的详细说明：
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处理：S1、通过调研或技术手段，获取实验场地环境的工频噪声基频频率；S2、按照特定原则确定发射频率；S3、确定一个测点内有效采集数据的周期个数；S4、按照特定方式提取正负周期反相数据，相减获得一组数据；S5、将步骤S4提取的数据做叠加平均处理。
取n＝2时接收理论信号与工频基频噪声相位反相说明图如图2所示。工频噪声采用的是基频50Hz，按照特定原则，则发射频率为125Hz。通过说明图可知在工频噪声的第二周期，发射的信号相位与初始相位相差π。一个测点包含M个周期数据，每一组工频抑制后的数据由一对正负周期成分相减获得，该正负周期成分相差②、③两个(n＝2)个发射周期。图上的相同数字为一对正负周期成分数据，例如：两个①的正负周期成分相减后，信号变为2倍，工频噪声得到有效抑制，信号除以2后获得数据yi(i＝1)。
n＝2时接收线圈的信号仿真图如图3所示。该数据图为工频噪声与理论信号同时间点耦合结果，可以看出瞬变电磁信号淹没在噪声中，晚期信号尤为明显。
n＝2时提取的第一组正周期信号仿真图如图4所示。该数据图为第一组提取的正周期数据，通过仿真图可以看出瞬变电磁信号畸变严重，有效信息被污染。
n＝2时提取的第一组负周期信号仿真图如图5所示。该数据图为同样第一组提取的负周期数据，通过仿真图可以看出因工频噪声同相位幅值大小不同，瞬变电磁信号污染程度不尽相同，有效信息被污染。
n＝2时本发明实施例方法处理后与正负周期提取后接收数据图如图6所示。虚线为采用本发明方法处理后的结果，实线为原始信号数据，两者吻合，通过该图可以看出本发明的方法符合预期效果，将工频噪声部分完全抑制，并且没有损失信号成分，取得了良好效果，证明本发明的有效性。
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 (5)

1.一种基于成分相位反相的拖曳瞬变电磁数据工频噪声抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取环境的工频噪声基频频率；
S2、根据环境的工频噪声基频频率确定发射频率；
S3、根据步骤S2中的确定的发射频率计算一个测点内有效采集数据的周期个数；
S4、提取第一个测点的所有有效采集数据，提取正负周期反相数据，相减获得一组数据；
S5、将步骤S4提取的所有数据做叠加平均处理得到第一个测点预处理后的原始数据；
S6、其他测点按照步骤S4和步骤S5进行处理，获得拖曳式数据所有预处理后的原始数据。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，根据探测需求，设计确定发射频率：根据步骤S1取得的数据，确定n的取值，并确定发射频率，确定原则需满足：
Figure FDA0002641616760000011
其中ftr表示发射频率，fh表示环境的工频噪声频率，n表示确定发射频率相关参数，采用双极性方波发射，设定占空比为25％，数据连续不间断采集。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中具体为，根据预设横向分辨率L与航空飞行器或拖曳车的移动速度v，确定一组内有效采集数据的周期个数M：
Figure FDA0002641616760000012
其中ftr表示发射频率，即每M个周期的数据等效为一个测点的数据。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4具体包括：取第一个测点的所有数据
Figure FDA0002641616760000022
和
Figure FDA0002641616760000023
Figure FDA0002641616760000024
为第一个测点第i周期的正周期数据，
Figure FDA0002641616760000025
是由于第一个测点第i周期的正周期二次场信号
Figure FDA0002641616760000026
第一个测点第i周期的正周期工频噪声
Figure FDA0002641616760000027
和随机噪声
Figure FDA0002641616760000028
构成，
Figure FDA0002641616760000029
表示第一个测点第i+n周期的负周期信号数据，
Figure FDA00026416167600000210
是由于第一个测点第i+n周期的负周期二次场信号
Figure FDA00026416167600000211
第一个测点第i+n周期的负周期工频噪声
Figure FDA00026416167600000212
和
Figure FDA00026416167600000213
构成，其中，
Figure FDA00026416167600000214
Figure FDA00026416167600000215
信号反相，工频噪声同相，进一步做差得到消噪后的数据：
Figure FDA00026416167600000216
处理后数据yi(t)滤除了工频噪声数据。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中第一个测点的所有数据进行叠加平均处理得到第一个测点预处理后的原始数据包括采用如下的公式：
Figure FDA0002641616760000021
其中yi为滤除了工频噪声数据，M为一个测点内有效采集数据的周期个数。
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