CN114200529B - 一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法 - Google Patents

一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，包括公开了包括磁传感器的布置方式和电传感器的布置方式，通过拟合测量船的运动轨迹来计算水平电场实时方向，并根据水平电场实时方向来建立实时等参坐标系，求解出与实时水平电场方向垂直的磁场；再运用时间序列复用机制在测线方向内加密测量点，而且加密测点能得到更加精确的反应地下介质的电性参数。因此，本发明能够为水上大地电磁勘探提供更准确、更可靠的测量方式，以及应用效果好、实用性好的数据处理方法。

Description

一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法
技术领域
本发明涉及物理勘探技术领域，特别是涉及一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法。
背景技术
大地电磁法是地球物理勘探领域一种重要的电磁勘探技术，该方法以天然交变电磁场作为场源，通过电传感器和磁传感器分别测量相互正交的电场信号和磁场信号，大地电磁法在计算上要求测量的电场与磁场是垂直的。天然电磁场信号弱、频带宽，容易受到各种环境因素的干扰，从而影响到大地电磁数据采集质量，造成电阻率和相位的失真，极大影响该方法对地下电性结构反应的真实性和可靠性。
目前水上的大地电磁勘探主要有两种测量方式，第一种方式是在测量船上沿着测线方向布置一组电传感器，将磁传感器布置在船上，垂直于电传感器方向，这种是将陆地上大地电磁标量测量方式运用到水上进行测量，其缺点是船上各种顺磁性物品对天然磁场均匀性的影响，以及测量船动力系统和水流引起的震动对磁场观测带来了极大的干扰，严重影响了观测磁场的准确性，稳定性和可靠性。第二种方式是在江河岸、湖岸、海岸边垂直于测线方向放置磁传感器，电传感器的布置方式与第一种一致，其原理是磁场数据在某一时间段内、一定距离范围内的变化是可以忽略不计，其缺点是水流的变化导致测量的电传感器与磁传感器不垂直，使用传统的大地电磁数据处理方式会得到失真的电阻率与相位值，从而影响到数据的可解释性与真实性。水上大地电磁测量除了磁场测量的方向性和准确性的难点外还有基本采用的是定点是测量方式，定点式测量方式在水上因水流的作用，基本很难实现在固定测量。
因此，有必要设计一种新的水上大地电磁测量方式及其数据处理方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，用于解决现有的水上大地电磁采集方式的不足或数据处理方法的不足的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在水岸边设置两组磁传感器Hy和Hx，其中一组磁传感器Hy的方向为磁极南北方向，另外一组磁传感器Hx的方向为东西方向；
在测量船上设置两组电传感器Ex和Ey，其中一组电传感器Ex的方向沿着所述测量船的船头及船尾方向，另外一组电传感器Ey的方向垂直于所述测量船的船头及船尾方向；
在所述测量船上设置第一测量仪器M0，以及在所述水岸边设置第二测量仪器M1；
利用所述第一测量仪器M0和所述第二测量仪器M1同步采集电场信号和磁场信号，并记录所述测量船的行径轨迹s；
将所述测量船的行径轨迹s分成n个测量段，并根据这n个测量段的行径轨迹进行线性拟合，得到拟合轨迹s′(t)；其中，n为正整数；
计算第i个测量段的拟合轨迹si′(t)与磁极南北方向的夹角i＝1，2，...，n；
获取第i个测量段的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和对应的第i个测量段的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)；
根据预设等参坐标系计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)；
获取预设长度的傅立叶变换，并利用所述傅立叶变换将第i个测量段()的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)进行离散化，以及根据离散化结果计算第i个测量段的互功率谱，得到第i个测量段的视电阻率值与相位值。
可选地，所述方法还包括：
采用时间序列复用机制，并分别选取处的电场时间序列、以及处的磁场时间序列；
根据处的电场时间序列及对应的磁场时间序列计算第i个测量段与第i+1个测量段之间加密点的视电阻率值与相位值。
可选地，获取第i个测量段的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和对应的第i个测量段的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)的过程包括：
选择第i个测量段的中心处作为测量点；
测量所述测量点处的连续电场时间序列，作为第i个测量段的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)，以及测量所述测量点处的连续磁场时间序列值，作为第i个测量段的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)；其中，所述测量点的测量时间为ti。
可选地，根据预设等参坐标系计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)的过程包括：
以Exi(t)方向为x轴，Eyi(t)方向为y轴，建立等参坐标系，作为预设等参坐标系；
根据所述预设等参坐标系计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)，有：
可选地，所述方法还包括：在利用所述第一测量仪器M0和所述第二测量仪器M1同步采集电场信号和磁场信号时，使用高频采样卡和连续时间序列采样方式同时采集电场信号和磁场信号。
可选地，所述方法还包括采用拖曳式测量方式记录所述测量船的行径轨迹s。
可选地，Ex组电传感器中的距离为d，Ey组电传感器中的距离为d。
如上所述，本发明提供一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，具有以下有益效果：本发明公开了包括磁传感器的布置方式和电传感器的布置方式，通过拟合测量船的运动轨迹来计算水平电场实时方向，并根据水平电场实时方向来建立实时等参坐标系，求解出与实时水平电场方向垂直的磁场；再运用时间序列复用机制在测线方向内加密测量点，而且加密测点能得到更加精确的反应地下介质的电性参数。因此，本发明能够为水上大地电磁勘探提供更准确、更可靠的测量方式，以及应用效果好、实用性好的数据处理方法。
附图说明
图1为一实施例提供的水上拖曳式测量方式的示意图；
图2为一实施例提供的根据等参坐标系计算连续磁场时间序列Hy′i(t)的示意图；
图3为一实施例提供的原始时间序列的示意图；
图4为一实施例根据图3提供的时间序列复用机制示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1至图4所示，本发明提供一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，所述方法包括以下步骤：
在水岸边设置两组磁传感器Hy和Hx，其中一组磁传感器Hy的方向为磁极南北方向，另外一组磁传感器Hx的方向为东西方向；
在测量船上设置两组电传感器Ex和Ey，其中一组电传感器Ex的方向沿着所述测量船的船头及船尾方向，另外一组电传感器Ey的方向垂直于所述测量船的船头及船尾方向；其中，测量船上设置的两组电传感器Ex和Ey之间的距离为d。
在所述测量船上设置第一测量仪器M0，以及在所述水岸边设置第二测量仪器M1；
利用所述第一测量仪器M0和所述第二测量仪器M1同步采集电场信号和磁场信号，并记录所述测量船的行径轨迹s。其中，在利用所述第一测量仪器M0和所述第二测量仪器M1同步采集电场信号和磁场信号时，使用高频采样卡和连续时间序列采样方式同时采集电场信号和磁场信号。本方法在记录测量船的行径轨迹时，包括但不限于的方式是拖曳式测量方式。
将所述测量船的行径轨迹s分成n个测量段，并根据这n个测量段的行径轨迹进行线性拟合，得到拟合轨迹s′(t)；其中，n为正整数；
计算第i个测量段的拟合轨迹si′(t)与磁极南北方向的夹角i＝1，2，...，n；
获取第i个测量段(ti≤t＜ti+1时间段内)的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和对应的第i个测量段的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)；
根据预设等参坐标系计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)；
获取预设长度的傅立叶变换，并利用所述傅立叶变换将第i个测量段的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)进行离散化，以及根据离散化结果计算第i个测量段的互功率谱，得到第i个测量段的视电阻率值与相位值。
根据上述记载，在一示例性实施例中，本方法还包括：
采用时间序列复用机制，并分别选取处的电场时间序列、以及处的磁场时间序列；
根据处的电场时间序列及对应的磁场时间序列计算第i个测量段与第i+1个测量段之间加密点的视电阻率值与相位值。
根据上述记载，在一示例性实施例中，本方法获取第i个测量段(或者ti≤t＜ti+1时间段内)的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和对应的第i个测量段的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)的过程包括：
选择第i个测量段的中心处作为测量点；
测量所述测量点处的连续电场时间序列，作为第i个测量段的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)，以及测量所述测量点处的连续磁场时间序列值，作为第i个测量段的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)；其中，所述测量点的测量时间为ti。
根据上述记载，在一示例性实施例中，本方法根据预设等参坐标系计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)的过程包括：
以Exi(t)方向为x轴，Eyi(t)方向为y轴，建立等参坐标系，作为预设等参坐标系；
根据所述预设等参坐标系计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)，有：
在一具体实施例中，提供一种水上大地电磁测量方式与对应的数据处理方法，包括以下步骤：
在水岸边设置两组磁传感器Hy和Hx，其中一组磁传感器Hy的方向为磁极南北方向，另外一组磁传感器Hx的方向为东西方向；
在测量船上设置两组电传感器Ex和Ey，其中一组电传感器Ex的方向沿着测量船的船头及船尾方向，另外一组电传感器Ey的方向垂直于所述测量船的船头及船尾方向，其中，Ex组电传感器中的距离为d，Ey组电传感器中的距离为d；
在所述测量船上设置第一测量仪器M0，以及在所述水岸边设置第二测量仪器M1；
利用所述第一测量仪器M0和所述第二测量仪器M1同步采集电场信号和磁场信号，以及记录所述测量船的行径轨迹s；
将所述测量船的行径轨迹分成n个测量段，并对n个测量段行径轨迹s进行线性拟合，得到拟合轨迹s′(t)，单个测量段拟合轨迹为si′(t)，记录的测量点为si′(t)中心处，各测点测量的时间段为ti，各测点的测量的连续电场时间序列为Exi(t)、Eyi(t)，对应的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)，其中i＝1，2，......，n；
计算拟合轨迹si′(t)与磁极南北方向的夹角
选择第i个测点的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和对应的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)；
以Exi(t)方向为x轴，Eyi(t)方向为y轴，建立等参坐标系，并基于磁场的线性极化原理，计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)；
获取预设长度的傅立叶变换NFFT，并利用所述傅立叶变换将时间序列Exi(t)、Eyi(t)和对应的Hy′i(t)、Hx′i(t)进行离散化，计算第i测点的互功率谱，得到该测点的视电阻率值与相位值；
采用时间序列复用机制，选取处的电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)、及其对应的磁场时间序列Hyi(t)、Hxi(t)，重复上述步骤，并计算记录测量段si′(t)端点处的视电阻率值与相位值，该端点即为原两测点之间的加密测点。
综上所述，本发明提供一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，本方法公开了包括磁传感器的布置方式和电传感器的布置方式，通过拟合测量船的运动轨迹来计算水平电场实时方向，并根据水平电场实时方向来建立实时等参坐标系，求解出与实时水平电场方向垂直的磁场；再运用时间序列复用机制在测线方向内加密测量点，而且加密测点能得到更加精确的反应地下介质的电性参数。因此，本方法能够为水上大地电磁勘探提供更准确、更可靠的测量方式，以及应用效果好、实用性好的数据处理方法。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在水岸边设置两组磁传感器Hy和Hx，其中一组磁传感器Hy的方向为磁极南北方向，另外一组磁传感器Hx的方向为东西方向；
在测量船上设置两组电传感器Ex和Ey，其中一组电传感器Ex的方向沿着所述测量船的船头及船尾方向，另外一组电传感器Ey的方向垂直于所述测量船的船头及船尾方向；
在所述测量船上设置第一测量仪器M0，以及在所述水岸边设置第二测量仪器M1；
利用所述第一测量仪器M0和所述第二测量仪器M1同步采集电场信号和磁场信号，并记录所述测量船的行径轨迹s；
将所述测量船的行径轨迹s分成n个测量段，并根据这n个测量段的行径轨迹进行线性拟合，得到拟合轨迹s′(t)；其中，n为正整数；
计算第i个测量段的拟合轨迹si′(t)与磁极南北方向的夹角i＝1，2，...，n；
获取第i个测量段的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和对应的第i个测量段的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)；
根据预设等参坐标系计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)；
获取预设长度的傅立叶变换，并利用所述傅立叶变换将第i个测量段的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)进行离散化，以及根据离散化结果计算第i个测量段的互功率谱，得到第i个测量段的视电阻率值与相位值。
2.根据权利要求1所述的水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用时间序列复用机制，并分别选取处的电场时间序列、以及处的磁场时间序列；
根据处的电场时间序列及对应的磁场时间序列计算第i个测量段与第i+1个测量段之间加密点的视电阻率值与相位值。
3.根据权利要求1或2所述的水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，其特征在于，获取第i个测量段的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)和对应的第i个测量段的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)的过程包括：
选择第i个测量段的中心处作为测量点；
测量所述测量点处的连续电场时间序列，作为第i个测量段的连续电场时间序列Exi(t)、Eyi(t)，以及测量所述测量点处的连续磁场时间序列值，作为第i个测量段的连续磁场时间序列值Hyi(t)、Hxi(t)；其中，所述测量点的测量时间为ti～ti+1。
4.根据权利要求1或2所述的水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，其特征在于，根据预设等参坐标系计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)的过程包括：
以Exi(t)方向为x轴，Eyi(t)方向为y轴，建立等参坐标系，作为预设等参坐标系；
根据所述预设等参坐标系计算垂直于Exi(t)、Eyi(t)的连续磁场时间序列Hy′i(t)、Hx′i(t)，有：
5.根据权利要求1所述的水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，其特征在于，所述方法还包括：在利用所述第一测量仪器M0和所述第二测量仪器M1同步采集电场信号和磁场信号时，使用高频采样卡和连续时间序列采样方式同时采集电场信号和磁场信号。
6.根据权利要求1所述的水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，其特征在于，所述方法还包括采用拖曳式测量方式记录所述测量船的行径轨迹s。
7.根据权利要求1所述的水上大地电磁测量方式及对应的数据处理方法，其特征在于，Ex组电传感器中的距离为d，Ey组电传感器中的距离为d。
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