CN112068212A - 一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法 - Google Patents

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CN112068212A CN202010751396.9A CN202010751396A CN112068212A CN 112068212 A CN112068212 A CN 112068212A CN 202010751396 A CN202010751396 A CN 202010751396A CN 112068212 A CN112068212 A CN 112068212A
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余小东
罗威
杨聪
郭明
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Abstract

本发明公开了一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，属于地球物理航空电磁勘探技术领域，其特征在于，包括以下步骤：a、对测线数据进行预处理，消除运动噪声；b、对二次场数据进行频谱分析和数字滤波处理；c、形成待成像或反演解释的数据；d、对叠加和抽道后的二次场数据进行一维快速反演，建立地下电性结构剖面，结合地质资料对反演成像结果进行地质解释，形成综合解释结果。本发明针对地面接地长导线源发射，空中无人机接收这种观测方式的半航空时间域电磁探测数据，在保证具有较高探测精度的同时，又能快速完成处理、分析与解释工作，能够实现较小面积范围内的快速勘探。

Description

一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法
技术领域
本发明涉及到地球物理航空电磁勘探技术领域，尤其涉及一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法。
背景技术
航空电磁法是一种具有速度快、应用范围广的地球物理勘探方法，主要采用直升机或固定翼飞机搭载发射和观测系统。航空电磁法主要应用于大面积的区域地质勘查，安全风险系数高。随着无人机技术的不断成熟，半航空电磁法产生了，半航空电磁法是采用地面发射，无人机搭载接收传感器在空中接收的观测方式。相对传统的航空电磁法，半航空电磁法具有精度更高、实施方便、成本更低、安全性好的优点；同时相对传统的地面电磁法而言，半航空电磁法又具有勘探速度快，可以跨越障碍勘探的优点。无人机半航空瞬变电磁法在城市地下空间探测、地面地质调查、矿产资源勘查、环境监测领域具有广阔的应用前景。
由于无人机半航空瞬变电磁探测系统发射源和接收线圈之间的偏移距并不固定，偏移距随无人机飞线的航空变化而变化，使得半航空电磁探测数据处理技术和反演成像技术相对航空或地面电磁法而言，电磁波场更复杂，勘探解释难度更大。为了获得精度较高的数据解释结果，无人机半航空瞬变电磁探测数据进行分析处理和反演解释已经成为该方法体系一个重要的具有独立性的技术成分。
公开号为CN 103576205A，公开日为2014年02月12日的中国专利文献公开了基于组合磁性源技术的地空瞬变电磁勘查方法，包括在地面上布置发射周期性双极性电流脉冲信号的磁性源，用线圈接收感生电动势瞬变信号，其特征在于：所述磁性源为4、6或8个，各磁性源间隔均匀的分布在以勘探目标区域为中心的一个圆周上；接收线圈载于无人机上，无人机在勘查目标区域上方飞行，采集各种组合源激励下的感生电动势瞬变响应数据，所述组合源是指由对称分布的几个或全部磁性源构成的激励源。
该专利文献公开的基于组合磁性源技术的地空瞬变电磁勘查方法，不仅磁性源在山区、湖泊、沼泽这些复杂地形区域难以布设，而且探测深度相对较浅；其发射机只能提供磁性源功率；接收线圈位置在蛇形线飞行中相对于磁性发射源来说，收发距离和接收信号的大小都在变化，数据处理难度很大。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，本发明针对地面接地长导线源发射，空中无人机接收这种观测方式的半航空时间域电磁探测数据，在保证具有较高探测精度的同时，又能快速完成处理、分析与解释工作，能够实现较小面积范围内的快速勘探。
本发明通过下述技术方案实现：
一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、通过无人机半航空时间域电磁勘探系统对原始数据进行初步整理，将观测数据进行分割，选出测线数据，对测线数据进行预处理，消除运动噪声；
b、根据发射波形中关断时间确定二次场数据的起始点，确定二次场数据的起始点后，从测线数据中提取出二次场数据，对二次场数据进行频谱分析和数字滤波处理；
c、对二次场数据进行叠加，对叠加后的二次场数据进行抽道，形成待成像或反演解释的数据；
d、对叠加和抽道后的二次场数据进行一维快速反演，建立地下电性结构剖面，结合地质资料对反演成像结果进行地质解释，形成综合解释结果。
所述步骤a中，消除运动噪声具体是指采用小波分解重构算法消除运动噪声，包括：
S1、将信号分解为一系列的小波函数的叠加，将基本小波的函数作位移τ后，再在不同尺度a下，通过式1与待分析信号X(I)作内积；
Figure BDA0002610162270000021
其中，a＞0，a为尺度因子，是用于对基本小波φ(t)函数作伸缩，τ反映位移，τ为正负数，a和τ均为连续变量，为连续小波变换CWT；
连续小波变换CWT的结果通过式2表示为平移因子a和伸缩因子b的函数；
CWTf(a，b)≤x(t) 式2
Figure BDA0002610162270000022
选择一个小波基函数，固定一个尺度因子，与信号的初始段进行比较，通过CWT的计算公式计算小波系数，改变平移因子，使小波沿时间轴位移，重复步骤完成一次分析，增加尺度因子，重复步骤进行第二次分析，循环执行，直至满足分析要求；
S2、将经过阈值处理后的小波系数重构，采用硬阈值去噪或软阈值去噪，获取去噪后的信号；
硬阈值去噪，当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其为零；当小波系数的绝对值大于给定阈值时，则令其保持不变，即：
Figure BDA0002610162270000031
软阈值去噪，当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其为零；当小波系数的绝对值大于给定阈值时，则令其都减去给定阈值，即：
Figure BDA0002610162270000032
S3、采用奇异值分解法去除半航空瞬变电磁白噪声；
设x(n)为一个观测信号存在一组均匀采样的信号序列X＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]，每行依次选取n个采样点数据，构造大小为m×n(m＞n)的矩阵；
Figure BDA0002610162270000033
其中，n≥2，m≥2且m+n-1＝N，矩阵A∈Rm×n，为吸引子轨迹矩阵，存在正交矩阵U∈Rm×m和V∈Rn×n，满足
Figure BDA0002610162270000034
为矩阵A的奇异值分解，其中∑＝diag(σ1，σ2，…，σr)，σ1，σ2，…，σr为矩阵A的非零奇异值；得到
Figure BDA0002610162270000035
奇异值分解处理信号时，前p个大的奇异值反映有效信号，小的奇异值反映噪声信号，将小的奇异值重置为零，再重构信号，去除噪声。
所述步骤d中，一维快速反演具体是指将地下介质分成多层层状结构，把每层厚度加入模型约束函数，即粗糙度矩阵，通过计算得到每层电阻率，构建地下地电结构，总目标函数归结为：
φ(m)＝φd(m)+λφm(m) 式8
其中，φ(m)为总目标函数，λ为正则化因子，φm(m)为模型约束目标函数，φd(m)为观测数据目标函数，m为模型向量；
观测数据目标函数φd(m)为
φd(m)＝||Wd(Δd)||2＝||Wd(d-F(m)-JΔm)||2 式9
其中，Δd是观测数据与理论响应差向量，Wd为数据加权矩阵，F(m)为正演算子，J为经过泰勒级数展开后正演响应对电阻率的偏导数矩阵，即雅克比矩阵；
模型约束目标函数φm(m)为
φm(m)＝||Rmm||2 式10
其中，Rm粗糙度矩阵，m为模型向量，Rm为模型对深度的二阶导数；正则化因子λ为
Figure BDA0002610162270000041
其中，k为第k次迭代反演，将总目标函数对模型参数向量求偏导数，并做线性化处理，根据极小化原则，得到反演方程式12，再得出下一次迭代反演的初始模型mk+1：
[Jk TWd TWdJk+λkRm]Δm＝Jk TWd TWdΔdk+λkRmmk 式12
mk+1＝mk+Δm 式13
其中，Δm为待求的模型修正向量，Jk为当前模型的雅克比矩阵；
反演的终止条件由均方根误差RMS进行判断，当反演拟合差小于给定RMSinit或者反演迭代达到最大迭代次数，则终止反演，获得最优反演模型
式14；
Figure BDA0002610162270000051
所述无人机半航空时间域电磁勘探系统，包括地面大功率电磁场源发射子系统、半航空时间域电磁勘查观测子系统和数据处理解释软件子系统；地面大功率电磁场源发射子系统包括IGBT全桥、PWM控制电路、整流滤波电路和保护电路，形成大功率逆变发射电路；半航空时间域电磁勘查观测子系统包括无人机、吊挂于无人机的接收线圈和安装在无人机上的接收机；数据处理解释软件子系统包括系统功能模块和底层支撑模块，系统功能模块包括数据文件管理模块、预处理模块、正演模块、反演模块和成图模块，底层支撑模块包括数据文件IO模块、嵌入式数据库模块、通用数学库模块、通用信号处理库模块和2D/3D图形库模块；底层支撑模块，用于提供通用的功能函数给系统功能模块。
所述接收线圈为铜质导线绕制的空芯感应线圈，接收线圈包括线圈和与线圈两端连接的差分前置放大器，接收线圈用于检测勘查区地质体的电磁响应信号。
所述接收线圈通过尼龙带吊挂于无人机下方，尼龙带与接收线圈之间采用弹簧减震器连接。
所述接收机采用铝质金属壳体封装，接收机通过支架和气囊减震器安装于无人机下面。
所述接收机包括模拟信号调理模块、基于ADC和FPGA的信号采集模块、ARM嵌入式系统控制模块、GPS收发同步模块、CF卡存储模块、WIFI模块、姿态传感器和激光高度计，接收机用于对接收线圈检测的信号进行实时放大、滤波和存储。
所述模拟信号调理模块通过屏蔽导线与接收线圈的差分前置放大器连接，对接收到的微弱检测信号进行放大和高频干扰滤波，并转换成与ADC输入端匹配的电平；基于ADC和FPGA的信号采集模块在ARM嵌入式系统控制模块的秒同步脉冲控制下，每秒钟启动ADC采样，将模拟信号转换为数字信号并封装成帧，存入CF卡存储模块；GPS收发同步模块外接GPS天线，为接收机提供实时坐标和时间信息以及秒同步脉冲，WIFI模块用以连接手持终端，对接收机进行参数设置，姿态传感器贴装于接收线圈外壳，姿态传感器与接收线圈运动姿态保持一致，通过RS-485总线与接收机连接，激光高度计安装于无人机下面，激光高度计与无人机的机体水平面垂直，激光发射接收孔朝向地面，激光高度计用以测量无人机与地面的相对高度。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
1、本发明，“a、通过无人机半航空时间域电磁勘探系统对原始数据进行初步整理，将观测数据进行分割，选出测线数据，对测线数据进行预处理，消除运动噪声；b、根据发射波形中关断时间确定二次场数据的起始点，确定二次场数据的起始点后，从测线数据中提取出二次场数据，对二次场数据进行频谱分析和数字滤波处理；c、对二次场数据进行叠加，对叠加后的二次场数据进行抽道，形成待成像或反演解释的数据；d、对叠加和抽道后的二次场数据进行一维快速反演，建立地下电性结构剖面，结合地质资料对反演成像结果进行地质解释，形成综合解释结果”，较现有技术而言，针对地面接地长导线源发射，空中无人机接收这种观测方式的半航空时间域电磁探测数据，在保证具有较高探测精度的同时，又能快速完成处理、分析与解释工作，能够实现较小面积范围内的快速勘探。
2、本发明，采用“地面发射、空中接收”方式的无人机半航空时间域电磁勘探系统，相对于地面时间域电磁系统和航空时间域电磁系统，具有作业方便、高效、探测范围大、信噪比高和空间分辨率好的特点；本发明采用接地线源，相对容易布设，供入大地的电流较大，且探测深度较大，接收线圈平行线源做蛇形线飞行，能够保持每条测线等偏移距，使得数据处理和反演解释相对更简单；本发明电磁勘探方法适合在山地、起伏地形和沼泽地进行探测，在寻找地下金属硫化物矿藏和地质工程快速勘查方面有明显优势和效果，整个勘探过程简单易操作。
3、本发明，还适用于江河湖泊、城市大型垃圾场、滑坡体这些地形较复杂、人员难以到达的小面积区域的精细勘探，能够有效解决地下水、矿产、地质灾害及地下环境评价的多领域勘查问题。
4、本发明，相较于航空瞬变电磁系统，把笨重且功耗大的发射子系统布设于地面，轻量级的接收线圈和接收机就能够采用无人机搭载，这大大降低了有人驾驶飞机的高风险和作业条件以及成本。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明功能模块架构图。
具体实施方式
实施例1
参见图1，一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，包括以下步骤：
a、通过无人机半航空时间域电磁勘探系统对原始数据进行初步整理，将观测数据进行分割，选出测线数据，对测线数据进行预处理，消除运动噪声；
b、根据发射波形中关断时间确定二次场数据的起始点，确定二次场数据的起始点后，从测线数据中提取出二次场数据，对二次场数据进行频谱分析和数字滤波处理；
c、对二次场数据进行叠加，对叠加后的二次场数据进行抽道，形成待成像或反演解释的数据；
d、对叠加和抽道后的二次场数据进行一维快速反演，建立地下电性结构剖面，结合地质资料对反演成像结果进行地质解释，形成综合解释结果。
“a、通过无人机半航空时间域电磁勘探系统对原始数据进行初步整理，将观测数据进行分割，选出测线数据，对测线数据进行预处理，消除运动噪声；b、根据发射波形中关断时间确定二次场数据的起始点，确定二次场数据的起始点后，从测线数据中提取出二次场数据，对二次场数据进行频谱分析和数字滤波处理；c、对二次场数据进行叠加，对叠加后的二次场数据进行抽道，形成待成像或反演解释的数据；d、对叠加和抽道后的二次场数据进行一维快速反演，建立地下电性结构剖面，结合地质资料对反演成像结果进行地质解释，形成综合解释结果”，较现有技术而言，针对地面接地长导线源发射，空中无人机接收这种观测方式的半航空时间域电磁探测数据，在保证具有较高探测精度的同时，又能快速完成处理、分析与解释工作，能够实现较小面积范围内的快速勘探。
实施例2
参见图1，一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，包括以下步骤：
a、通过无人机半航空时间域电磁勘探系统对原始数据进行初步整理，将观测数据进行分割，选出测线数据，对测线数据进行预处理，消除运动噪声；
b、根据发射波形中关断时间确定二次场数据的起始点，确定二次场数据的起始点后，从测线数据中提取出二次场数据，对二次场数据进行频谱分析和数字滤波处理；
c、对二次场数据进行叠加，对叠加后的二次场数据进行抽道，形成待成像或反演解释的数据；
d、对叠加和抽道后的二次场数据进行一维快速反演，建立地下电性结构剖面，结合地质资料对反演成像结果进行地质解释，形成综合解释结果。
所述步骤a中，消除运动噪声具体是指采用小波分解重构算法消除运动噪声，包括：
S1、将信号分解为一系列的小波函数的叠加，将基本小波的函数作位移τ后，再在不同尺度a下，通过式1与待分析信号X(I)作内积；
Figure BDA0002610162270000081
其中，a＞0，a为尺度因子，是用于对基本小波φ(t)函数作伸缩，τ反映位移，τ为正负数，a和τ均为连续变量，为连续小波变换CWT；
连续小波变换CWT的结果通过式2表示为平移因子a和伸缩因子b的函数；
CWTf(a，b)≤x(t) 式2
Figure BDA0002610162270000082
选择一个小波基函数，固定一个尺度因子，与信号的初始段进行比较，通过CWT的计算公式计算小波系数，改变平移因子，使小波沿时间轴位移，重复步骤完成一次分析，增加尺度因子，重复步骤进行第二次分析，循环执行，直至满足分析要求；
S2、将经过阈值处理后的小波系数重构，采用硬阈值去噪或软阈值去噪，获取去噪后的信号；
硬阈值去噪，当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其为零；当小波系数的绝对值大于给定阈值时，则令其保持不变，即：
Figure BDA0002610162270000083
软阈值去噪，当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其为零；当小波系数的绝对值大于给定阈值时，则令其都减去给定阈值，即：
Figure BDA0002610162270000084
S3、采用奇异值分解法去除半航空瞬变电磁白噪声；
设x(n)为一个观测信号存在一组均匀采样的信号序列X＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]，每行依次选取n个采样点数据，构造大小为m×n(m＞n)的矩阵；
Figure BDA0002610162270000085
其中，n≥2，m≥2且m+n-1＝N，矩阵A∈Rm×n，为吸引子轨迹矩阵，存在正交矩阵U∈Rm×m和V∈Rn×n，满足
Figure BDA0002610162270000091
为矩阵A的奇异值分解，其中∑＝diag(σ1，σ2，…，σr)，σ1，σ2，…，σr为矩阵A的非零奇异值；得到
Figure BDA0002610162270000092
奇异值分解处理信号时，前p个大的奇异值反映有效信号，小的奇异值反映噪声信号，将小的奇异值重置为零，再重构信号，去除噪声。
采用“地面发射、空中接收”方式的无人机半航空时间域电磁勘探系统，相对于地面时间域电磁系统和航空时间域电磁系统，具有作业方便、高效、探测范围大、信噪比高和空间分辨率好的特点；本发明采用接地线源，相对容易布设，供入大地的电流较大，且探测深度较大，接收线圈平行线源做蛇形线飞行，能够保持每条测线等偏移距，使得数据处理和反演解释相对更简单；本发明电磁勘探方法适合在山地、起伏地形和沼泽地进行探测，在寻找地下金属硫化物矿藏和地质工程快速勘查方面有明显优势和效果，整个勘探过程简单易操作。
实施例3
参见图1和图2，一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，包括以下步骤：
a、通过无人机半航空时间域电磁勘探系统对原始数据进行初步整理，将观测数据进行分割，选出测线数据，对测线数据进行预处理，消除运动噪声；
b、根据发射波形中关断时间确定二次场数据的起始点，确定二次场数据的起始点后，从测线数据中提取出二次场数据，对二次场数据进行频谱分析和数字滤波处理；
c、对二次场数据进行叠加，对叠加后的二次场数据进行抽道，形成待成像或反演解释的数据；
d、对叠加和抽道后的二次场数据进行一维快速反演，建立地下电性结构剖面，结合地质资料对反演成像结果进行地质解释，形成综合解释结果。
所述步骤a中，消除运动噪声具体是指采用小波分解重构算法消除运动噪声，包括：
S1、将信号分解为一系列的小波函数的叠加，将基本小波的函数作位移τ后，再在不同尺度a下，通过式1与待分析信号X(I)作内积；
Figure BDA0002610162270000093
其中，a＞0，a为尺度因子，是用于对基本小波φ(t)函数作伸缩，τ反映位移，τ为正负数，a和τ均为连续变量，为连续小波变换CWT；
连续小波变换CWT的结果通过式2表示为平移因子a和伸缩因子b的函数；
CWTf(a，b)≤x(t) 式2
Figure BDA0002610162270000101
选择一个小波基函数，固定一个尺度因子，与信号的初始段进行比较，通过CWT的计算公式计算小波系数，改变平移因子，使小波沿时间轴位移，重复步骤完成一次分析，增加尺度因子，重复步骤进行第二次分析，循环执行，直至满足分析要求；
S2、将经过阈值处理后的小波系数重构，采用硬阈值去噪或软阈值去噪，获取去噪后的信号；
硬阈值去噪，当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其为零；当小波系数的绝对值大于给定阈值时，则令其保持不变，即：
Figure BDA0002610162270000102
软阈值去噪，当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其为零；当小波系数的绝对值大于给定阈值时，则令其都减去给定阈值，即：
Figure BDA0002610162270000103
S3、采用奇异值分解法去除半航空瞬变电磁白噪声；
设x(n)为一个观测信号存在一组均匀采样的信号序列X＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]，每行依次选取n个采样点数据，构造大小为m×n(m＞n)的矩阵；
Figure BDA0002610162270000104
其中，n≥2，m≥2且m+n-1＝N，矩阵A∈Rm×n，为吸引子轨迹矩阵，存在正交矩阵U∈Rm×m和V∈Rn×n，满足
Figure BDA0002610162270000105
为矩阵A的奇异值分解，其中∑＝diag(σ1，σ2，…，σr)，σ1，σ2，…，σr为矩阵A的非零奇异值；得到
Figure BDA0002610162270000111
奇异值分解处理信号时，前p个大的奇异值反映有效信号，小的奇异值反映噪声信号，将小的奇异值重置为零，再重构信号，去除噪声。
所述步骤d中，一维快速反演具体是指将地下介质分成多层层状结构，把每层厚度加入模型约束函数，即粗糙度矩阵，通过计算得到每层电阻率，构建地下地电结构，总目标函数归结为：
φ(m)＝φd(m)+λφm(m) 式8
其中，φ(m)为总目标函数，λ为正则化因子，φm(m)为模型约束目标函数，φd(m)为观测数据目标函数，m为模型向量；
观测数据目标函数φd(m)为
φd(m)＝||Wd(Δd)||2＝||Wd(d-F(m)-JΔm)||2 式9
其中，Δd是观测数据与理论响应差向量，Wd为数据加权矩阵，F(m)为正演算子，J为经过泰勒级数展开后正演响应对电阻率的偏导数矩阵，即雅克比矩阵；
模型约束目标函数φm(m)为
φm(m)＝||Rmm||2 式10
其中，Rm粗糙度矩阵，m为模型向量，Rm为模型对深度的二阶导数；正则化因子λ为
Figure BDA0002610162270000112
其中，k为第k次迭代反演，将总目标函数对模型参数向量求偏导数，并做线性化处理，根据极小化原则，得到反演方程式12，再得出下一次迭代反演的初始模型mk+1：
[Jk TWd TWdJk+λkRm]Δm＝Jk TWd TWdΔdk+λkRmmk 式12
mk+1＝mk+Δm 式13
其中，Δm为待求的模型修正向量，Jk为当前模型的雅克比矩阵；
反演的终止条件由均方根误差RMS进行判断，当反演拟合差小于给定RMSinit或者反演迭代达到最大迭代次数，则终止反演，获得最优反演模型式14；
Figure BDA0002610162270000121
所述无人机半航空时间域电磁勘探系统，包括地面大功率电磁场源发射子系统、半航空时间域电磁勘查观测子系统和数据处理解释软件子系统；地面大功率电磁场源发射子系统包括IGBT全桥、PWM控制电路、整流滤波电路和保护电路，形成大功率逆变发射电路；半航空时间域电磁勘查观测子系统包括无人机、吊挂于无人机的接收线圈和安装在无人机上的接收机；数据处理解释软件子系统包括系统功能模块和底层支撑模块，系统功能模块包括数据文件管理模块、预处理模块、正演模块、反演模块和成图模块，底层支撑模块包括数据文件IO模块、嵌入式数据库模块、通用数学库模块、通用信号处理库模块和2D/3D图形库模块；底层支撑模块，用于提供通用的功能函数给系统功能模块。
所述接收线圈为铜质导线绕制的空芯感应线圈，接收线圈包括线圈和与线圈两端连接的差分前置放大器，接收线圈用于检测勘查区地质体的电磁响应信号。
所述接收线圈通过尼龙带吊挂于无人机下方，尼龙带与接收线圈之间采用弹簧减震器连接。
所述接收机采用铝质金属壳体封装，接收机通过支架和气囊减震器安装于无人机下面。
所述接收机包括模拟信号调理模块、基于ADC和FPGA的信号采集模块、ARM嵌入式系统控制模块、GPS收发同步模块、CF卡存储模块、WIFI模块、姿态传感器和激光高度计，接收机用于对接收线圈检测的信号进行实时放大、滤波和存储。
所述模拟信号调理模块通过屏蔽导线与接收线圈的差分前置放大器连接，对接收到的微弱检测信号进行放大和高频干扰滤波，并转换成与ADC输入端匹配的电平；基于ADC和FPGA的信号采集模块在ARM嵌入式系统控制模块的秒同步脉冲控制下，每秒钟启动ADC采样，将模拟信号转换为数字信号并封装成帧，存入CF卡存储模块；GPS收发同步模块外接GPS天线，为接收机提供实时坐标和时间信息以及秒同步脉冲，WIFI模块用以连接手持终端，对接收机进行参数设置，姿态传感器贴装于接收线圈外壳，姿态传感器与接收线圈运动姿态保持一致，通过RS-485总线与接收机连接，激光高度计安装于无人机下面，激光高度计与无人机的机体水平面垂直，激光发射接收孔朝向地面，激光高度计用以测量无人机与地面的相对高度。
相较于航空瞬变电磁系统，把笨重且功耗大的发射子系统布设于地面，轻量级的接收线圈和接收机就能够采用无人机搭载，这大大降低了有人驾驶飞机的高风险和作业条件以及成本。
数据处理过程：
1、将无人机半航空观测数据通过GPS数据投影到工区正射影像图上，对测线分割选出测线数据；
2、无人机半航空数据信号预处理；
3、依据电流关断时间提取无人机半航空二次场数据；
4、半航空瞬变电磁二次场衰减去噪；
5、无人机半航空瞬变电磁二次场数据进行抽道，生成电磁感应曲线。
具体实例如下：
1、空溶洞模型反演
将本发明用于模拟寻找薄层溶洞中，在低阻表层，电阻率为200Ω·m，厚度为100m下设置厚度仅为10m的高阻目标地质层，电阻率为10000Ω·m，厚度为10m，反演中以1.05为指数增长因子设置各层厚度，反演的初始模型为50Ω·m的均匀半空间。反演结果分成“低-高-低”三层，其中高阻分布于100m-120m之间，反演出的电阻率为260Ω·m，虽然相对于真实电阻率10000Ω·m有差别，但是本发明也能反演出高阻异常。并且反演出的异常埋深也与真实模型一致。
2、地下水模型反演
将本发明用于模拟寻找薄层地下水中，在高阻表层，电阻率为200Ω·m，厚度为100m下设置厚度仅为10m的低阻目标地质层，电阻率为35Ω·m，厚度为10m，反演中以1.05为指数增长因子设置各层厚度，反演的初始模型为50Ω·m的均匀半空间。反演结果分成“高-低-高”三层，其中高阻分布于100m-120m之间，反演出的电阻率为60Ω·m，相对于真实电阻率35Ω·m差别很小。说明本发明能有效的反演出低阻异常，对于低阻异常体反应敏感；并且反演出的异常埋深也与真实模型一致。

Claims (9)

1.一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、通过无人机半航空时间域电磁勘探系统对原始数据进行初步整理，将观测数据进行分割，选出测线数据，对测线数据进行预处理，消除运动噪声；
b、根据发射波形中关断时间确定二次场数据的起始点，确定二次场数据的起始点后，从测线数据中提取出二次场数据，对二次场数据进行频谱分析和数字滤波处理；
c、对二次场数据进行叠加，对叠加后的二次场数据进行抽道，形成待成像或反演解释的数据；
d、对叠加和抽道后的二次场数据进行一维快速反演，建立地下电性结构剖面，结合地质资料对反演成像结果进行地质解释，形成综合解释结果。
2.根据权利要求1所述的一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于：所述步骤a中，消除运动噪声具体是指采用小波分解重构算法消除运动噪声，包括：
S1、将信号分解为一系列的小波函数的叠加，将基本小波的函数作位移τ后，再在不同尺度a下，通过式1与待分析信号X(I)作内积；
Figure FDA0002610162260000011
其中,a＞0,a为尺度因子，是用于对基本小波φ(t)函数作伸缩,τ反映位移,τ为正负数,a和τ均为连续变量，为连续小波变换CWT；
连续小波变换CWT的结果通过式2表示为平移因子a和伸缩因子b的函数；
CWTf(a，b)≤x(t) 式2
Figure FDA0002610162260000012
选择一个小波基函数，固定一个尺度因子，与信号的初始段进行比较，通过CWT的计算公式计算小波系数，改变平移因子，使小波沿时间轴位移，重复步骤完成一次分析，增加尺度因子，重复步骤进行第二次分析，循环执行，直至满足分析要求；
S2、将经过阈值处理后的小波系数重构，采用硬阈值去噪或软阈值去噪，获取去噪后的信号；
硬阈值去噪，当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其为零；当小波系数的绝对值大于给定阈值时，则令其保持不变，即：
Figure FDA0002610162260000021
软阈值去噪，当小波系数的绝对值小于给定阈值时，令其为零；当小波系数的绝对值大于给定阈值时，则令其都减去给定阈值，即：
Figure FDA0002610162260000022
S3、采用奇异值分解法去除半航空瞬变电磁白噪声；
设x(n)为一个观测信号存在一组均匀采样的信号序列X＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]，每行依次选取n个采样点数据，构造大小为m×n(m>n)的矩阵；
Figure FDA0002610162260000023
其中，n≥2，m≥2且m+n-1＝N，矩阵A∈Rm×n，为吸引子轨迹矩阵，存在正交矩阵U∈Rm×m和V∈Rn×n，满足
Figure FDA0002610162260000024
为矩阵A的奇异值分解，其中∑＝diag(σ1，σ2，…，σr)，σ1，σ2，…，σr为矩阵A的非零奇异值；得到
Figure FDA0002610162260000025
奇异值分解处理信号时，前p个大的奇异值反映有效信号，小的奇异值反映噪声信号，将小的奇异值重置为零，再重构信号，去除噪声。
3.根据权利要求1所述的一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于：所述步骤d中，一维快速反演具体是指将地下介质分成多层层状结构，把每层厚度加入模型约束函数，即粗糙度矩阵，通过计算得到每层电阻率，构建地下地电结构，总目标函数归结为：
φ(m)＝φd(m)+λφm(m) 式8
其中，φ(m)为总目标函数，λ为正则化因子，φm(m)为模型约束目标函数，φd(m)为观测数据目标函数，m为模型向量；
观测数据目标函数φd(m)为
φd(m)＝||Wd(Δd)||2＝||Wd(d-F(m)-JΔm)||2 式9
其中，Δd是观测数据与理论响应差向量，Wd为数据加权矩阵，F(m)为正演算子，J为经过泰勒级数展开后正演响应对电阻率的偏导数矩阵，即雅克比矩阵；
模型约束目标函数φm(m)为
φm(m)＝||Rmm||2 式10
其中，Rm粗糙度矩阵，m为模型向量，Rm为模型对深度的二阶导数；正则化因子λ为
Figure FDA0002610162260000031
其中，k为第k次迭代反演，将总目标函数对模型参数向量求偏导数，并做线性化处理，根据极小化原则，得到反演方程式12，再得出下一次迭代反演的初始模型mk+1：
Figure FDA0002610162260000032
mk+1＝mk+Δm 式13
其中，Δm为待求的模型修正向量，Jk为当前模型的雅克比矩阵；
反演的终止条件由均方根误差RMS进行判断，当反演拟合差小于给定RMSinit或者反演迭代达到最大迭代次数，则终止反演，获得最优反演模型式14；
Figure FDA0002610162260000041
4.根据权利要求1所述的一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于：所述无人机半航空时间域电磁勘探系统，包括地面大功率电磁场源发射子系统、半航空时间域电磁勘查观测子系统和数据处理解释软件子系统；地面大功率电磁场源发射子系统包括IGBT全桥、PWM控制电路、整流滤波电路和保护电路，形成大功率逆变发射电路；半航空时间域电磁勘查观测子系统包括无人机、吊挂于无人机的接收线圈和安装在无人机上的接收机；数据处理解释软件子系统包括系统功能模块和底层支撑模块，系统功能模块包括数据文件管理模块、预处理模块、正演模块、反演模块和成图模块，底层支撑模块包括数据文件IO模块、嵌入式数据库模块、通用数学库模块、通用信号处理库模块和2D/3D图形库模块；底层支撑模块，用于提供通用的功能函数给系统功能模块。
5.根据权利要求4所述的一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于：所述接收线圈为铜质导线绕制的空芯感应线圈，接收线圈包括线圈和与线圈两端连接的差分前置放大器，接收线圈用于检测勘查区地质体的电磁响应信号。
6.根据权利要求5所述的一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于：所述接收线圈通过尼龙带吊挂于无人机下方，尼龙带与接收线圈之间采用弹簧减震器连接。
7.根据权利要求6所述的一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于：所述接收机采用铝质金属壳体封装，接收机通过支架和气囊减震器安装于无人机下面。
8.根据权利要求7所述的一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于：所述接收机包括模拟信号调理模块、基于ADC和FPGA的信号采集模块、ARM嵌入式系统控制模块、GPS收发同步模块、CF卡存储模块、WIFI模块、姿态传感器和激光高度计，接收机用于对接收线圈检测的信号进行实时放大、滤波和存储。
9.根据权利要求8所述的一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法，其特征在于：所述模拟信号调理模块通过屏蔽导线与接收线圈的差分前置放大器连接，对接收到的微弱检测信号进行放大和高频干扰滤波，并转换成与ADC输入端匹配的电平；基于ADC和FPGA的信号采集模块在ARM嵌入式系统控制模块的秒同步脉冲控制下，每秒钟启动ADC采样，将模拟信号转换为数字信号并封装成帧，存入CF卡存储模块；GPS收发同步模块外接GPS天线，为接收机提供实时坐标和时间信息以及秒同步脉冲，WIFI模块用以连接手持终端，对接收机进行参数设置，姿态传感器贴装于接收线圈外壳，姿态传感器与接收线圈运动姿态保持一致，通过RS-485总线与接收机连接，激光高度计安装于无人机下面，激光高度计与无人机的机体水平面垂直，激光发射接收孔朝向地面，激光高度计用以测量无人机与地面的相对高度。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112987123A (zh) * 2021-02-07 2021-06-18 中国地质大学（北京） 基于密植山区的油气田勘探方法及装置
CN113341469A (zh) * 2021-06-02 2021-09-03 山东大学 一种半航空瞬变电磁数据校正方法及系统
CN113655532A (zh) * 2021-09-03 2021-11-16 山东大学 一种非全时半航空瞬变电磁数据运动噪声去除方法及系统
CN113885560A (zh) * 2021-09-29 2022-01-04 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 适用于滑坡快速调查的无人机集群地空瞬变电磁测量方法
US20220035062A1 (en) * 2020-07-30 2022-02-03 Chengdu University Of Technology Semi-airborne Time Domain Electromagnetic Exploration System for Unmanned Aerial Vehicle
CN114019570A (zh) * 2021-11-02 2022-02-08 中煤科工集团西安研究院有限公司 一种天地孔协同一体的瞬变电磁探测采空区的方法
CN114034937A (zh) * 2021-11-18 2022-02-11 四川省冶勘设计集团有限公司 无人机航空频域电磁弱信号接收装置及方法
CN114153006A (zh) * 2021-10-14 2022-03-08 中国冶金地质总局地球物理勘查院 一种全向视电导率示踪勘探方法
CN114518605A (zh) * 2022-03-30 2022-05-20 成都理工大学 一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法
CN114779352A (zh) * 2022-05-31 2022-07-22 成都理工大学 一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统
CN115542408A (zh) * 2022-12-05 2022-12-30 成都理工大学 一种海洋瞬变电磁数据预处理与快速定区成像方法
CN116484177A (zh) * 2023-05-04 2023-07-25 中国科学院地质与地球物理研究所 一种用于飞行平台电磁探测的运动诱导噪声预测消除方法
CN116719088A (zh) * 2023-05-30 2023-09-08 长安大学 一种航空瞬变电磁数据噪声压制方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106094046A (zh) * 2016-07-06 2016-11-09 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 基于奇异值分解和小波分析的时间域航空电磁数据去噪方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106094046A (zh) * 2016-07-06 2016-11-09 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 基于奇异值分解和小波分析的时间域航空电磁数据去噪方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吕仁斌: "半航空瞬变电磁数据处理及快速成像方法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》 *
张良: "半航空瞬变电磁接收机研制", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
李琳琳: "半航空瞬变电磁发射机关键技术研究", 《中国博士学位论文全文数据库》 *
熊盛青: "《航空地球物理综合探测理论技术方法装备应用》", 31 December 2018 *

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220035062A1 (en) * 2020-07-30 2022-02-03 Chengdu University Of Technology Semi-airborne Time Domain Electromagnetic Exploration System for Unmanned Aerial Vehicle
CN112987123A (zh) * 2021-02-07 2021-06-18 中国地质大学（北京） 基于密植山区的油气田勘探方法及装置
CN113341469B (zh) * 2021-06-02 2022-07-01 山东大学 一种半航空瞬变电磁数据校正方法及系统
CN113341469A (zh) * 2021-06-02 2021-09-03 山东大学 一种半航空瞬变电磁数据校正方法及系统
CN113655532A (zh) * 2021-09-03 2021-11-16 山东大学 一种非全时半航空瞬变电磁数据运动噪声去除方法及系统
CN113885560A (zh) * 2021-09-29 2022-01-04 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 适用于滑坡快速调查的无人机集群地空瞬变电磁测量方法
CN113885560B (zh) * 2021-09-29 2023-06-06 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 适用于滑坡快速调查的无人机集群地空瞬变电磁测量方法
CN114153006A (zh) * 2021-10-14 2022-03-08 中国冶金地质总局地球物理勘查院 一种全向视电导率示踪勘探方法
CN114019570A (zh) * 2021-11-02 2022-02-08 中煤科工集团西安研究院有限公司 一种天地孔协同一体的瞬变电磁探测采空区的方法
CN114019570B (zh) * 2021-11-02 2024-04-05 中煤科工集团西安研究院有限公司 一种天地孔协同一体的瞬变电磁探测采空区的方法
CN114034937B (zh) * 2021-11-18 2022-03-25 四川省冶勘设计集团有限公司 无人机航空频域电磁弱信号接收装置及方法
CN114034937A (zh) * 2021-11-18 2022-02-11 四川省冶勘设计集团有限公司 无人机航空频域电磁弱信号接收装置及方法
CN114518605A (zh) * 2022-03-30 2022-05-20 成都理工大学 一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法
CN114779352A (zh) * 2022-05-31 2022-07-22 成都理工大学 一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统
CN115542408A (zh) * 2022-12-05 2022-12-30 成都理工大学 一种海洋瞬变电磁数据预处理与快速定区成像方法
CN116484177A (zh) * 2023-05-04 2023-07-25 中国科学院地质与地球物理研究所 一种用于飞行平台电磁探测的运动诱导噪声预测消除方法
CN116484177B (zh) * 2023-05-04 2024-05-28 中国科学院地质与地球物理研究所 一种用于飞行平台电磁探测的运动诱导噪声预测消除方法
CN116719088A (zh) * 2023-05-30 2023-09-08 长安大学 一种航空瞬变电磁数据噪声压制方法
CN116719088B (zh) * 2023-05-30 2024-05-14 长安大学 一种航空瞬变电磁数据噪声压制方法

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