CN115755200A - 一种井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法：步骤1：向地下供入包含多个频率成分的电流信号，记录发射电流和接收信号的时间序列；步骤2：将发射电流和接收信号的时间序列做检测，得到测点的大地频率响应；步骤3：以单个测点为单位，根据接收信号时间序列的傅里叶变换结果，计算不同频率的接收信号信噪比，剔除不合格的大地频率响应；步骤4：以不同频率的大地响应为数据源，逐点判断测点数据量是否充足，是则进行步骤5，否则进行步骤6；步骤5：逐点评价测点大地频率响应的稳定性，是则进行步骤6；否则剔除偏差最大的数据，返回步骤4；步骤6：计算得到大地频率响应。本发明在较高工作效率的条件下提高了有效数据信噪比。

Description

一种井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法

技术领域

本发明属于井下直流电法监测技术领域，具体为一种井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法。

背景技术

井下直流电法监测是工作面回采过程中顶底板水害防治的一项重要手段，具有自动化、智能化、全天候、全波形、不间断数据采集等优点，但井下电磁噪声类型复杂、强度极大、且随时间和空间的变化有较大差异，原始数据信噪比较低。目前提高直流电法数据信噪比的方法主要有两类：首先是提高有效信号的强度，包括增加发射电流、减小收发距等；其次是减小噪声对发射频率的影响，包括增加采样时长、增加采样频率、多次测量后平均处理等。但上述方法中，增加发射电流受到井下安全生产的限制，减小收发距受到宽大工作面和有限施工空间的限制，在井下直流电法监测中应用难度比较高；而全波形采集条件下增加采样时长、增加采样频率、多次测量后平均处理等方法对监测仪器保存数据的能力有一定的要求，增加采集时长还意味着降低工作效率，无法及时反馈监测对象随时间的变化。因此，提高直流电法信噪比的常规方法受井下监测条件限制，难以取得理想的效果。

常规直流电法勘探通常为几何测深，即勘探深度由排列的几何参数决定，与频率无关，因此在直流电法勘探中常使用单频信号，多次测量后平均处理等统计学方法也是针对单个频率的信号；而频率域电磁法通过改变频率的方式来控制勘探深度，可以使用一次发射和接收包含多个频率的信号，通过直接谱分析或者相关谱分析等方法可以提取不同频率的大地频率响应，不同频率的大地响应存在差异并代表不同深度的地电信息。由于多频信号具有良好的相关特性和较强的抗干扰能力，在强干扰环境下有更好的应用效果，为了提高井下直流电法监测信号的数据质量，保证监测结果的准确性和实时性，考虑在井下直流电法监测中使用多频信号代替单频信号。

但频率域电磁法中频率和勘探深度一一对应的数据使用方法，在井下直流电法监测中存在以下两个方面的问题：(1)由于发射频率较低，收发距也普遍在1km以内，井下电法监测通常难以实现多频信号的频率域测深功能，即不同频率的大地响应相差无几且基本代表同一深度的地电信息，这就意味着只能选择多频信号中单个频率的大地响应而舍弃其他信号，会造成数据的巨大浪费；(2)发射多频信号与单频信号相比，单个频率的发射电流相对较小，接收有效信号的强度会有明显的降低，导致多频信号中单个频率的信号信噪比降低。以上两方面的问题说明，在井下直流电法监测领域，照搬频率域电磁法中频率和勘探深度一一对应的多频信号使用方法，无法发挥多频信号的抗干扰能力。目前多频信号在井下直流电法中的应用较少，更缺乏相应的多频数据应用方法；同时以“直流电法”+“多频数据”组合约束词进行检索，未见相关专利。

综上所述，井下直流电法监测需要面对复杂多变的强噪声环境，可以采用多频信号来提高监测数据的信噪比，但照搬频率域电磁法中频率和勘探深度一一对应的使用方法难以发挥多频信号的优势，因此，需要基于井下直流电法中多个频率对应同一勘探深度的理论特色，研究出一种与井下直流电法监测适配的多频数据处理技术，以达到发挥多频信号的特点、提高有效数据信噪比的目的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种针对井下直流电法监测的多频信号进行选频与多频平均的方法。该方法具备在较高工作效率的条件下提高有效数据信噪比的优点，解决了现有技术条件下井下直流电法监测的多频信号难以发挥自身抗干扰性的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，包括以下步骤：

步骤1：发送机通过发送电极向地下供入包含多个频率成分的电流信号，并记录发射电流的时间序列，同时通过接收电极记录电磁场响应信号的时间序列，作为接收信号的时间序列，发射电流的时间序列和接收信号的时间序列均进入步骤2；

步骤2：将发射电流的时间序列和接收信号的时间序列做相关检测，得到每个测点在各频率的大地频率响应，测点的接收信号的时间序列(时间域数据)和大地频率响应(频率域数据)均进入步骤3；

步骤3：以单个测点为单位，根据接收信号的时间序列的傅里叶变换结果，计算不同频率的接收信号信噪比SNR，评价不同频率的接收信号受噪声影响的程度，剔除不合格的大地频率响应，合格的大地频率响应数据进入步骤4；

步骤4：以单个测点为单位，以不同频率的大地响应为数据源，逐点判断测点的数据量是否充足，如果测点有充足的数据参与平均计算，则进行步骤5，否则，进行步骤6；

步骤5：以单个测点为单位，逐点评价测点的大地频率响应的稳定性，当测点的大地频率响应稳定时，进行步骤6；否则，剔除测点的大地频率响应中偏差最大的数据，剩余不同频率的大地响应数据返回步骤4；

步骤6：以单个测点为单位，逐点计算测点的大地频率响应的算数平均值，即得到最终的大地频率响应。

其中，步骤1所述包含多个频率成分的电流信号，应至少包含3个及以上发射频率。

其中，步骤1所述包含多个频率成分的电流信号需同时满足两个前提条件：首先最大发射频率在所有测点处均满足近区条件；其次最小发射频率在所有测点处没有出现明显的激发极化效应。如果无法同时满足上述两个条件，在同样的地质构造和监测装置条件下，接收信号均会随发射频率变化而变化，不满足本发明的应用前提。根据经验，发射频率一般应处于1～150Hz之间，不应过大或者过小。

其中：在对实际信号处理时，步骤1所述发射电流的时间序列与接收信号的时间序列在时间上对应，即不能使用其他时间段的发射电流时间序列，不能使用理论发射电流波形代替实际发射电流波形。

其中：步骤1所述接收信号既可以是电位数据，也可以是电位差数据。

其中：步骤2所述相关检测，包括直接谱分析和相关谱分析等方法。

使用直接谱分析时，大地频率响应的计算公式如下：

其中，Z_j(iw)为单个测点第j个频率的大地频率响应，U_j(t)是接收信号的时间序列，I_j(t)是发射电流的时间序列，F[*]表示对“*”作傅里叶变换。

使用相关谱分析时，大地频率响应的计算公式如下：

其中，Z_j(iw)为单个测点第j个频率的大地频率响应，

为发射电流和接收信号的周期互相关，

为发射电流的周期自相关，F[*]表示对“*”作傅里叶变换。

发射电流和接收信号的周期互相关

以及发射电流的周期自相关

的计算公式如下：

其中U_j(t)是接收信号的时间序列，I_j(t)是发射电流的时间序列，N₁为采样长度，Δt为采样间隔。

其中：步骤3所述计算各测点在不同频率的接收信号的信噪比，具体计算公式如下：

其中，V_signal为对全波形数据进行傅里叶变换得到的发射频率的频谱；V_noise为对全波形数据进行傅里叶变换得到的发射频率附近频段噪声的频谱。发射频率附近频段为以发射频率为中心的一定带宽的频段。

具体的，发射频率附近频段的带宽根据采样频率和采样时长确定，应至少包括10个频点。

具体的，设定数据的信噪比阈值至少为10dB，计算得到的信噪比SNR高于该值认为当前测点在该频率的接收信号的数据质量合格。

其中：步骤4所述测点的数据量的最小阈值为发射电流中包含频率个数的一半并向上取整；当发射电流中包含频率个数的一半小于3时，测点的数据量的最小阈值应设置为3。当测点的数据量大于最小阈值时，认为测点有充足的数据参与平均计算。

其中：步骤5所述大地频率响应的稳定性通过该测点大地频率响应的相对均方误差来评价，计算公式如下：

其中，m_s为单个测点不同频率大地系统响应的相对均方误差，n为参与计算的测点数据量，Z_j为单个测点在第j个频率的大地系统响应，

为单个测点的n个频率的大地系统响应平均值。

大地频率响应的相对均方误差的阈值，一般设置在10％以下。同一分站各测点的相对均方误差阈值设置应保持一致。

其中：步骤6所述最终的大地频率响应计算公式为：

其中，Z为单个测点的大地频率响应，Z_i为单个测点第i个频率的大地频率响应，n为参与计算的测点数据量。

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明采用发射和接收同时包含多个频率的信号，并采用选频和多频平均的数据处理方法，以达到更好的抗干扰能力，提高井下直流电法监测数据质量，保证监测效果准确性和实时性。

(1)本发明发射和接收的多频信号包含多个频率成分，分散在一个较宽的频带内，同样的采集模式下可以提取出更多的数据量。面对井下变频设备种类繁多、干扰频段未知、干扰强度大的情况，通过选频来剔除不同位置的测点中处于强干扰频段的数据，具体方法包括对各个频率接收信号的信噪比评价和不同频率接收信号的稳定性评价。

(2)本发明所针对的井下直流电法监测属于几何测深，在不考虑激电效应的情况下，不同频率的大地响应基本一致。因此，在剔除受强电磁干扰影响的数据之后，可以通过计算各频率的大地响应算术均值来代替单个频率的大地响应。这种计算方法以多频信号的不同频率大地响应取代了单频信号的多次采集，充分利用了一次全波形采集所包含的所有有效信号，可以在没有额外消耗仪器内存、不降低工作效率的前提下，进一步提高有效数据的信噪比。

本发明的有益效果无法通过发射和接收仅包含单个频率的信号来实现，原因在于：井下电法监测过程中电磁噪声类型复杂、强度极大、随时空变化而变化，既无法在时空上回避，也难以预判其干扰特征和类型，难以预知干扰频段。单频信号的频率成分单一，接收端时间序列中可提取的数据量较少，无法保证发射频率在整个监测过程中均处于弱干扰频段，经常受到强电磁干扰的影响，而提高直流电法信噪比的常规方法受井下监测条件限制，难以取得理想的效果。本发明的选频和多频平均方法均以发射和接收多频信号为前提，无法应用于单频信号。

本发明中选频步骤的有益效果与使用单频信号时的数据质量评价之间区别在于：使用单频信号时单个测点仅可以提取出一个电位(差)，进行数据质量评价之后，如不合格则会删除，进而导致测点密度稀疏，系统分辨能力降低；使用多频信号时单个测点可以提取出多个频率的电位(差)，不同频率的电位(差)位于不同强度的电磁干扰频段内，选频之后既可以排除了强干扰频段的影响，也可以最大限度的保留了测点的有效信息，保证测点密度和系统的分辨能力。

本发明中多频平均步骤的有益效果无法通过使用单频信号时的多次测量后平均处理方法来实现，原因在于：常规的多次测量后平均处理是针对单频信号的，如果应用于多频信号则是对不同频率成分分别进行平均处理，同样需要在施工阶段进行多次测量以满足应用的前提条件，而且需要达到一定次数才能取得较好的效果。由于井下直流电法监测采用滚动数据采集，多次测量不仅会严重降低施工效率，无法及时反馈监测对象随时间的变化，而且对仪器保存数据的能力也有更高的要求，因此使用单频信号时的多次测量后平均处理方法不适用于井下直流电法监测；而多频平均的方法在满足应用前提的条件下充分利用了一次全波形采集所包含的所有有效信号，只需单次测量，不仅可以充分发挥多频信号的抗干扰优势，同时与井下直流电法监测自动化、不间断数据采集等特点相适应。

综上所述，本发明中的多频数据处理技术与井下直流电法监测相适配，能够有效发挥自身的抗干扰性，提高有效数据信噪比。

附图说明

图1是本发明的多频数据抗干扰方法流程图；

图2是(a)理论多频信号波形、(b)实际噪声信号波形和(c)两者的叠加波形图示例。

图3是使用多频信号时单个测点不同发射频率的大地频率响应(a)和接收信号的傅里叶变换(b)。

图4是多频平均后各测点的大地频率响应。

图5是使用4Hz单频信号时各测点的大地频率响应。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

请参阅图1，一种针对井下直流电法监测的多频数据处理技术，包括以下步骤：

步骤1：发送机通过发送电极向地下供入包含多个频率成分的电流信号(以下简称多频信号)，并记录发射电流的时间序列，同时通过接收电极记录电磁场响应信号的时间序列，作为接收信号的时间序列，发射电流的时间序列和接收信号的时间序列均进入步骤2；

本实施例中，发射电流的时间序列中包含5个发射频率，分别为4Hz、8Hz、16Hz、32Hz和64Hz。

步骤2：将发射电流的时间序列和接收信号的时间序列进行检测，得到每个测点在各频率的大地频率响应，测点的接收信号的时间序列(时间域数据)和大地频率响应(频率域数据)均进入步骤3；

本实施例中，使用相关谱分析计算每个测点在各频率的大地系统响应，计算公式如下：

其中，Z_j(iw)为单个测点在第j个频率的大地系统响应，

为发射电流和接收信号的周期互相关，

为发射电流的周期互相关，F[*]表示对“*”作傅里叶变换。

发射电流和接收信号的周期互相关

以及发射电流的周期自相关

的计算公式如下：

其中U_j(t)是接收信号的时间序列，I_j(t)是发射电流的时间序列，N₁为采样长度，Δt为采样间隔。

步骤3：以单个测点为单位，根据接收信号时间序列的傅里叶变换结果，计算不同频率的接收信号信噪比SNR，评价不同频率的接收信号受噪声影响的程度，剔除不合格数据，合格数据进入步骤4；

其中：计算各测点在不同频率的接收信号的信噪比，具体计算公式如下：

其中，V_signal为对全波形数据进行傅里叶变换得到的发射频率的频谱；V_noise为对全波形数据进行傅里叶变换得到的发射频率附近频段噪声的频谱。发射频率附近频段为以发射频率为中心的一定带宽的频段。

本实施例中，设定发射频率附近频段带宽为5Hz；设定数据的信噪比阈值为10dB，高于该值认为数据质量合格。

步骤4：以单个测点为单位，以不同频率的大地响应为数据源，逐点判断测点的数据量是否充足，如果测点有充足的数据参与平均计算，则进行步骤5，否则，进行步骤6；

本实施例中发射电流中包含5个频率，单个测点最少需要3个数据参与步骤5的计算。

步骤5：以单个测点为单位，逐点评价测点的大地频率响应的稳定性，当测点的大地频率响应稳定时，进行步骤6；否则，剔除测点的大地频率响应中偏差最大的数据，剩余不同频率的大地响应数据返回步骤4；

本实施例中，相对均方误差的阈值设为5％。

步骤6：以单个测点为单位，逐点计算测点的大地频率响应的算术平均值，即得到最终的大地频率响应。

下面对本实施例的原理进行介绍。

发送机发射电流信号时，发射频率不应过大或者过小，发射频率过大则接收信号的大小与频率有关，发射频率过小则可能产生激发极化现象，均不满足本发明的应用前提，无法进行多个大地频率响应的平均处理。将发射电流的时间序列和接收信号的时间序列做相关检测，得到测点的大地频率响应，其本质是单位电流产生的大地频率响应，排除了发射电流中各频率成分所占实际比例不同产生的影响。井下直流电法监测过程中电磁噪声类型复杂、强度极大、随时空变化而变化，因此单个测点不同频率的信噪比存在差异，有必要对参与计算的数据进行筛选。本实施例通过不同频率的接收信号信噪比和大地响应的相对均方误差来评价和剔除不合格的数据，同时兼顾参与多频平均步骤所需要的数据量，能够保证结果的准确性。

为了证明本发明的可行性和有效性，设计如下试验对本发明的方法进行说明：

本试验中，步骤1使用的发射电流的时间序列是多频信号的理论波形，发射电流的时间序列中包含5个发射频率，分别为4Hz、8Hz、16Hz、32Hz和64Hz。接收信号的时间序列是由多频信号的理论波形和实测井下电法监测时间序列叠加构建的待处理信号，理论波形与实际时间序列的采样频率、采样时长均一致。其余步骤的实施采用本发明的实施例中的设置。本试验采用叠加理论多频信号和实测井下电法监测数据的方式构建待处理信号，既有利于证明本发明中多频平均数据处理方法的有效性，也兼顾井下监测时电磁干扰的实际情况。

图2是理论多频信号波形(a)、实际噪声信号波形(b)和两者的叠加(c)示例，其中理论多频信号包括4Hz、8Hz、16Hz、32Hz和64Hz五个频率成分，总幅值为20μV，作为有效信号；实际噪声信号波形为井下直流电法监测实测时间序列，作为干扰信号。本实施例通过叠加有效信号和干扰信号作为接收信号的时间序列以供后续处理。理论多频信号波形同时作为发射电流的时间序列，总幅值为20μA，此时构建的待处理信号大地系统响应理论值为1Ω。本试验以能否通过处理得到更准确的大地系统响应来判断本发明是否具有可行性。

图3是多频信号时单个测点不同发射频率的大地频率响应(a)和接收信号的傅里叶变换(b)。从该测点的傅里叶变换曲线(a)可以看到，除4Hz、8Hz、16Hz、32Hz和64Hz五个发射频率之外，外界电磁干扰还对测点的工频(50Hz)和低频段(0～4Hz)产生明显干扰，通过计算，4Hz的信噪比约为8.8dB，低于设定最小有效值，因此舍弃该测点的4Hz数据。从该测点发射频率的大地电磁响应(b)可以看到，8Hz、16Hz、32Hz和64Hz的大地系统响应相对均方误差为12.47％，其中16Hz的大地系统响应明显高于其他三个频率，应舍弃。舍弃后剩余三个频率的大地系统响应相对均方误差为3.12％，满足稳定性要求，数据进入步骤6。

图4是多频平均后各测点的大地频率响应。从图中可以看出，针对本试验构建的数据，经本发明的方法处理后，大地系统响应在1Ω附近小范围浮动，各测点均值为0.992Ω，与该数据的大地系统响应理论值接近，各测点的相对均方误差为1.87％，具有较高的准确度。

另外，本发明还设计了以下对比试验进行说明。

首先，构建待处理信号。将幅值为20μV的4Hz理论单频信号波形作为有效信号，将实施例中使用的井下直流电法监测实测时间序列作为干扰信号，叠加有效信号和干扰信号作为接收信号的时间序列以供对比试验后续处理。理论多频信号波形同时作为发射电流波形，总幅值为20μA，此时构建的待处理信号大地系统响应为1Ω；然后，通过相关谱分析的方法计算各测点的大地频率响应。图5为使用4Hz单频信号时各测点的大地频率响应。将上述结果与实施例的多频平均数据处理结果图4作对比，图5中各测点的大地频率响应均值为0.978Ω，准确度更低，各测点的相对均方误差为4.80％，不仅误差更大，误差较大的测点也更多，受强电磁干扰影响更明显。该结果证明，本发明可以充分发挥多频信号的抗干扰优势，在发射电流总幅值相同、接收信号采集参数相同的条件下，取得相对于单频信号更优的数据质量，适用于井下直流电法监测。

Claims (10)

1.一种井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：发送机通过发送电极向地下供入包含多个频率成分的电流信号，并记录发射电流的时间序列，同时通过接收电极记录电磁场响应信号的时间序列，作为接收信号的时间序列，发射电流的时间序列和接收信号的时间序列均进入步骤2；

步骤2：将发射电流的时间序列和接收信号的时间序列做相关检测，得到每个测点在各频率的大地频率响应，测点的接收信号的时间序列和大地频率响应均进入步骤3；

步骤3：以单个测点为单位，根据接收信号的时间序列的傅里叶变换结果，计算不同频率的接收信号信噪比SNR，评价不同频率的接收信号受噪声影响的程度，剔除不合格的大地频率响应，合格的大地频率响应数据进入步骤4；

步骤4：以单个测点为单位，以不同频率的大地响应为数据源，逐点判断测点的数据量是否充足，如果测点有充足的数据参与平均计算，则进行步骤5，否则，进行步骤6；

步骤5：以单个测点为单位，逐点评价测点的大地频率响应的稳定性，当测点的大地频率响应稳定时，进行步骤6；否则，剔除测点的大地频率响应中偏差最大的数据，剩余不同频率的大地响应数据返回步骤4；

步骤6：以单个测点为单位，逐点计算测点的大地频率响应的算数平均值，即得到最终的大地频率响应。

2.如权利要求1所述的井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，所述步骤1中，所述电流信号至少包含3个发射频率。

3.如权利要求1所述的井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，所述步骤1中，所述包含多个频率成分的电流信号同时满足两个前提条件：(1)最大发射频率在所有测点处均满足近区条件；(2)最小发射频率在所有测点处没有出现明显的激发极化效应。

4.如权利要求1所述的井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，所述步骤1中，发射电流的频率处于1～150Hz之间。

5.如权利要求1所述的井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，所述步骤1中，所述接收信号是电位数据或者电位差数据。

6.如权利要求1所述的井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，所述步骤2中，所述相关检测采用直接谱分析或者相关谱分析；其中：

使用直接谱分析时，大地频率响应的计算公式如下：

其中，Z_j(iw)为单个测点第j个频率的大地频率响应，U_j(t)是接收信号的时间序列，I_j(t)是发射电流的时间序列，F[*]表示对“*”作傅里叶变换；

使用相关谱分析时，大地频率响应的计算公式如下：

其中，Z_j(iw)为单个测点第j个频率的大地频率响应，

为发射电流和接收信号的周期互相关，

为发射电流的周期自相关，F[*]表示对“*”作傅里叶变换；

其中U_j(t)是接收信号的时间序列，I_j(t)是发射电流的时间序列，N₁为采样长度，Δt为采样间隔。

7.如权利要求1所述的井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，所述步骤3中，信噪比的计算公式如下：

其中，V_signal为对全波形数据进行傅里叶变换得到的发射频率的频谱；V_noise为对全波形数据进行傅里叶变换得到的发射频率附近频段噪声的频谱，发射频率附近频段为以发射频率为中心的一定带宽的频段。

8.如权利要求1所述的井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，所述步骤4中，所述测点的数据量的最小阈值为发射电流中包含频率个数的一半并向上取整，且不小于3。

9.如权利要求1所述的井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，所述步骤5中，所述大地频率响应的稳定性通过该测点大地频率响应的相对均方误差来评价，计算公式如下：

其中，m_s为单个测点不同频率大地系统响应的相对均方误差，n为参与计算的测点数据量，Z_j为单个测点在第j个频率的大地系统响应，

为单个测点的n个频率的大地系统响应平均值。

10.如权利要求1所述的井下直流电法监测的多频数据抗干扰方法，其特征在于，所述步骤6中，大地频率响应计算公式为：

其中，Z为单个测点的大地频率响应，Z_i为单个测点第i个频率的大地频率响应，n为参与计算的测点数据量。

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