CN117110953B - 一种移动式矿产资源快速勘查方法、装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动式矿产资源快速勘查方法、装置及其应用，装置包括主磁传感器、从磁传感器和布设在地面参考站中的地面垂直磁场传感器。勘查工作时，一方面采用半航空人工源探测方法配合主磁传感器、从磁传感器进行信号采集，其中从磁传感器采集低频运动噪声，主磁传感器同步采集低频运动噪声和垂直磁场信号，另一方面，通过地面垂直磁场传感器采集同测区的垂直磁场信号，后续通过两次相关映射对主磁传感器采集到的低频运动噪声进行两次估计，从而获得最终的垂直磁场测量信号。本发明具有探测深度大、探测精度高的特点，能够应用于低阻矿层资源的快速勘探服务领域。
Description
技术领域
本发明属于高技术矿产勘查应用领域，特别是一种移动式矿产资源快速勘查方法、装置及其应用，其中勘查方法包含基于相关映射的系统低频运动噪声抑制方法。
背景技术
金属矿产尤其是关键金属矿产资源是国家经济高速发展的核心支撑条件。由于地质地貌条件复杂，约2/3以上的资源埋藏在地形复杂的山区、林区等地区。也就是说，大部分金属矿产资源集中于地下深部或复杂地形区域，尚未被查明。因此，发展适用于复杂地形区深部金属矿产资源探测的高新技术，对查明资源盲区实现矿产资源增储至关重要。
半航空电磁探测方法采用地面大功率发射、空中移动测量响应磁场的工作模式，是一种适用于地下深部第二找矿空间或地形复杂区金属矿产资源探测的重要方法之一，具备大深度快速探测的优势。然而，现有半航空电磁探测系统尚未充分发挥地面发射源的大深度探测优势，主要是因为半航空系统的被测垂直磁场分量信号微弱，且随收发距增大快速衰减，同时受运动噪声影响导致系统的信噪比较低。因此，降低接收系统运动噪声，改善系统信噪比对于提升系统探测深度和精度至关重要。半航空电磁探测系统的主要噪声来源是接收系统移动测量过程中在接收磁传感器中引入的低频运动噪声，具体表现为：磁传感器在空中运动切割地磁场磁感线，在磁传感器中引入的与磁传感器运动频率一致的运动漂移。
国内外学者针对半航空系统低频运动噪声问题开展了一系列研究，代表性的工作包括：吉林大学李肃义、成都理工大学李源等人，分别研究了利用小波变换和经验模态分解去除运动漂移的方法，获得了较好的时间域衰减曲线和处理结果。中科院地质与地球物理所武欣等利用人工智能算法处理了半航空时间域系统的低频运动噪声，并在仿真数据中取得较好的处理结果。
以上方法主要针对时间域系统或频率域系统的探测频率高于低频运动噪声频率的情况，对于探测频率与运动噪声同频的情况无济于事。
总之，现有方法一般针对时间域系统或特定来源的噪声加以处理，无法对运动漂移进行同时去除，难以实现半航空电磁探测系统低频运动噪声的一次性对消。
综上，现有半航空电磁探测法存在以下问题：
1、现有运动噪声去除方法一般针对时间域系统或特定来源的噪声加以处理，对半航空电磁系统中同频或相近频率的运动噪声（探测频率与运动漂移同频）无能为力。
2、难以实现对频率域系统中磁传感器低频运动漂移的去除或抑制。
上述问题的存在限制了半航空电磁探测法在矿产资源勘探中的应用，特别是针对埋深较大、电阻率较小的低阻矿层探测目标领域的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种移动式矿产资源快速勘查方法、装置及其应用，有效消除半航空电磁探测过程中的低频运动噪声，提升探测深度的同时提高探测精度，满足低阻矿产快速勘探的需求。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种移动式矿产资源快速勘查方法，包括以下步骤，
步骤一，一方面，采用半航空人工源探测方法配合主磁传感器、从磁传感器进行信号采集，其中从磁传感器采集低频运动噪声，主磁传感器同步采集低频运动噪声和垂直磁场信号，另一方面，通过地面垂直磁场传感器采集同测区的垂直磁场信号；
步骤二，利用从磁传感器采集的低频运动噪声相关映射出主磁传感器中的低频运动噪声，完成对主磁传感器低频运动噪声的一次估计；
步骤三，利用步骤一中地面垂直磁场传感器采集的垂直磁场信号相关映射出主磁传感器低频运动噪声一次估计中包含的有用信号，然后在步骤二获得的主磁传感器低频运动噪声一次估计的基础上消除该有用信号，获得主磁传感器低频运动噪声二次估计；
步骤四，将步骤三中获得的主磁传感器低频运动噪声二次估计视作步骤一中主磁传感器采集信号中的低频运动噪声部分，从而实现主磁传感器低频运动噪声的抵消，抵消后的信号部分即为主磁传感器响应的垂直磁场信号。
作为一种选择，所述步骤二中主磁传感器低频运动噪声的一次估计按照下述方法实施：
记从磁传感器的输出y1为参考低频运动噪声br；
记主磁传感器的输出y2包含实测垂直磁场信号bzm和实测低频运动噪声brm；
则从磁传感器到主磁传感器中低频运动噪声的相关映射函数h(n)满足以下关系： 对从磁传感器的输出y1和主磁传感器的输出y2做傅里叶变换得到下式：/> 于是主磁传感器低频运动噪声一次估计为：/>式中F -1为傅里叶反变换，从磁传感器到主磁传感器中低频运动噪声的相关映射函数H(ω)按下式计算：/>式中SRR为从磁传感器输出的自功率谱，SY1Y2为从磁传感器输出与主磁传感器输出的互功率谱。
作为一种选择，所述步骤三中主磁传感器低频运动噪声的二次估计按照下述方法实施：
记地面垂直磁场传感器的输出y3为实测垂直磁场信号bs；
记主磁传感器的低频运动噪声一次估计为y4，二次估计为bns，则地面垂直磁场传感器到低频运动噪声一次估计中垂直磁场信号的相关映射函数h2(n)满足以下关系： 于是得到主磁传感器的低频运动噪声二次估计为：/> 于是得到主磁传感器的低频运动噪声二次估计为：/>式中F -1为傅里叶反变换，地面垂直磁场传感器到低频运动噪声一次估计中垂直磁场信号的相关映射函数H2(ω)按下式计算：/>式中SSS为地面垂直磁场传感器采集的垂直磁场信号的自功率谱，SY3Y4为低频运动噪声一次估计与地面垂直磁场传感器采集的垂直磁场信号的互功率谱。
进一步，所述步骤一中，采集的垂直磁场信号频率包括1Hz～100kHz。
进一步，所述移动式矿产资源快速勘查方法应用于低阻矿层的勘查中，且低阻矿层的埋深范围为0m～500m以及500m～800m。针对埋深范围为0m～500m的矿层，既可以采用本发明的方法，也可以采用现有的半航空电磁探测法，而针对矿层埋深范围为500m～800m的情况，必须采用本发明的方法实施。
一种移动式矿产资源快速勘查装置，包括，
用于空中移动测量的主磁传感器和从磁传感器，所述主磁传感器和从磁传感器按照非同轴、非共面设置，其中主磁传感器和从磁传感器的带宽一致，从磁传感器的检测分辨率只能分辨低频运动噪声，不能分辨真实垂直磁场信号，主磁传感器的检测分辨率满足能够同时分辨真实垂直磁场信号和低频运动噪声；
固定在地面的地面参考站，所述地面参考站包含用于采集垂直磁场信号的地面垂直磁场传感器。
作为一种选择，所述主磁传感器和从磁传感器均为线圈，记主磁传感器为测量线圈，记从磁传感器为参考线圈，且参考线圈跨接在测量线圈上，参考线圈的外径远小于测量线圈的外径。
作为一种选择，所述参考线圈通过参考线圈支撑架和参考线圈固定环跨接在测量线圈上，其中，参考线圈支撑架用于保持参考线圈的外形轮廓，参考线圈固定环用于固定参考线圈和测量线圈的跨接点。
作为一种选择，所述测量线圈和参考线圈同时为正方形或圆形。
作为一种选择，所述测量线圈和参考线圈同时连接在无人机或直升机上；所述地面参考站的布站位置满足可控源大地电磁观测法中接收机位置的布设要求。
与现有技术相比，本发明具备以下特点：
（1）本发明的低频运动噪声处理方法对于半航空时间域电磁法及频率域电磁法均有效；
（2）本发明对于测量主磁传感器低频运动噪声的相关预测除使用相关参考法外，亦可使用其它相关预测方法实现；
（3）通过本发明的装置和方法压制低频运动噪声影响，一方面可以提升矿产资源勘查的探测深度，从而满足埋深较大的矿产资源勘探，另一方面有助于提升系统探测精度从而满足低电阻率的矿产资源勘探。例如埋深600米，厚度10米的低阻矿产分布层，如果不消除低频运动噪声影响，可能探测不到，但利用本发明消除影响后，可以很清晰地反映出低阻矿产分布层。
附图说明
图1为本发明中的移动式矿产资源快速勘查装置组成示意图；
图2为三层大地模型图；
图3为响应电压去噪效果图；
图4为本发明的去噪效果分析图；
图中，1-地面发射源；2-测量线圈；3-参考线圈；4-参考线圈支撑架；5-参考线圈固定环；6-空中飞行吊载平台；7-无人机；8-地面参考站；9-地面垂直磁场传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
如图1所示，为本实施例中的移动式矿产资源快速勘查装置，主要由地面发射源1、作为主磁传感器的测量线圈2、作为从磁传感器的参考线圈3、参考线圈支撑架4、参考线圈固定环5、空中飞行吊载平台6、无人机7、地面参考站8和地面垂直磁场传感器9组成。
测量线圈2和参考线圈3均为圆形线圈，二者采用硬性跨接的方式连接形成测量线圈，其中，在参考线圈3与测量线圈2圆周上两个跨接点处采用参考线圈固定环5固定，参考线圈3的圆周内侧采用两根径向布置的参考线圈支撑架4从内向外支撑保持其外形轮廓。参考线圈3和测量线圈2的带宽一致，参考线圈3的检测分辨率只能分辨低频运动噪声，不能分辨真实垂直磁场信号，测量线圈2的检测分辨率满足能够同时分辨真实垂直磁场信号和低频运动噪声，参考线圈3的外径远小于测量线圈2的外径。测量线圈通过空中飞行吊载平台6连接至无人机7。
地面参考站8的位置设置应满足常规可控源大地电磁观测方案中接收机位置的布设要求，即地面参考站8应布设在地面发射源1中垂线左右60°角范围内，与地面发射源1垂直距离大于5倍趋肤深度。例如，对于最低频10Hz的探测任务，假设大地平均电阻率是100欧姆米，则地面参考站8距地面发射源1垂直距离应大于7.9公里。此外，还应保证地面参考站8布设处信号强、干扰小，信噪比高于20dB，保证能够测量到高信噪比的三分量磁场信号。
当采用上述半航空电磁探测系统对低阻矿产资源实施快速勘查时，包括以下步骤：
步骤一，采用无人机7配合探测线圈进行信号采集，其中参考线圈3采集低频运动噪声，测量线圈2同步采集低频运动噪声和垂直磁场信号，另一方面，通过地面参考站8中的地面垂直磁场传感器9采集同测区的垂直磁场信号；
步骤二，利用参考线圈3采集的低频运动噪声相关映射出测量线圈2中的低频运动噪声，完成对测量线圈2低频运动噪声的一次估计；
步骤三，利用步骤一中垂直磁场传感器9采集的垂直磁场信号相关映射出测量线圈2低频运动噪声一次估计中包含的有用信号，然后在步骤二获得的测量线圈2低频运动噪声一次估计的基础上消除该有用信号，获得测量线圈2低频运动噪声二次估计；
步骤四，将步骤三中获得的测量线圈2低频运动噪声二次估计视作步骤一中测量线圈2采集信号中的低频运动噪声部分，从而实现测量线圈2低频运动噪声的抵消，抵消后的信号部分即为测量线圈2响应的垂直磁场信号。
上述测量线圈2低频运动噪声的一次估计和二次估计具体算法如下：
假设参考线圈3的输出y1为参考低频运动噪声br，测量线圈2输出y2为含噪信号，包含实测垂直磁场信号bzm和实测低频运动噪声brm，参考线圈3到测量线圈2中低频运动噪声的相关映射函数h(n)满足：
对参考线圈3和测量线圈2的输出做傅里叶变换，可得：
分别计算参考线圈3输出的自功率谱S RR ,及其与测量线圈2输出的互功率谱S Y1Y2 ，当参考线圈3输出数据为与信号无关的运动噪声时，实测低频运动噪声与实测垂直磁场信号的互功率谱S RZM 为0，此时，上述互功率谱满足：
因此，可依据参考线圈3和测量线圈2的互功率谱和参考线圈3输出的自功率谱自适应的估计低频运动噪声相关映射函数H(ω)：
可知测量线圈2抵消低频运动噪声后的信号为：
其中，F -1为傅里叶反变换，为低频运动噪声一次估计的频谱，对应时域低频运动噪声一次估计为：
考虑到当信号强度较大时可能会被参考线圈3拾取到情况，即中可能包含有用信号的泄露。为此，对上述低频运动噪声一次估计进行地面站参考处理，获得低频运动噪声的二次估计结果，具体处理过程如下：应用前述参考线圈3与测量线圈2之间的相关参考法，对低频运动噪声一次估计结果和地面参考站8中地面垂直磁场传感器9获取的数据进行相关参考处理，以恢复噪声估计中损失的信号。定义地面参考站8中地面垂直磁场传感器9获取的信号为b s ，低频运动噪声一次估计中包含低频运动噪声二次估计b ns 和有用信号泄露两部分，且该泄露信号与地面参考站8中地面垂直磁场传感器9获取的信号相关，映射函数为h 2(n)，即满足如下关系式：
对y 3和y 4重复相关映射步骤，参考公式（3）～公式（6），可得：
其中，S Y3Y4 为低频运动噪声一次估计与地面参考垂直磁场响应的互功率谱，S ss 为地面参考站8中地面垂直磁场传感器9获得的垂直磁场信号（数据）的自功率谱。
由此可得，低频运动噪声一次估计中的有用信号为：
低频运动噪声的二次估计为：
最终得到抵消低频运动噪声二次估计后的测量线圈2垂直磁场响应信号：
为了验证本发明的有效性，采用仿真方式进行建模处理。如图2所示的三层大地模型图，图中模型具体含义为：在围岩100欧姆米的大地中，埋深500米处有一个厚度50米的低阻矿层，电阻率为10欧姆米。
图3为响应电压去噪效果图，其中：
子图（a）共有3条曲线：曲线TS1为测量线圈2响应电压时间序列，曲线TS2为参考线圈3响应电压时间序列，曲线TS3为去噪后响应电压时间序列。
子图（b）共有3条曲线：曲线BP1为测量线圈2响应电压频谱，曲线BP2为参考线圈3响应电压频谱，曲线BP3为去噪后响应电压频谱。
通过图3中的比较可知，去噪后磁场数据的信噪比明显提升，尤其是受低频噪声影响最明显的小于10Hz的低频段，在模拟探测频率1Hz、2Hz、4Hz和8Hz处，去噪前，信噪比低于10dB不满足常规的磁场数据测量精度要求；去噪后信噪比分别为～32dB、～43dB、～73dB和～70dB，信噪比均高于20dB，满足常规的磁场数据测量精度要求，从原始磁场信号测量的角度说明了本发明技术方案的有效性。
图4为去噪效果分析图，其中：
子图（a）：去噪前后磁感应强度曲线比对，曲线B1为测量线圈2磁感应强度曲线，曲线B2为理想磁感应强度曲线，曲线B3为去噪后磁感应强度曲线。
子图（b）：去噪前后视电阻率曲线比对，曲线R1为测量线圈2视电阻率曲线，曲线R2为理想视电阻率曲线，曲线R3为去噪后视电阻率曲线。
子图（c）：去噪前后视电阻率相对误差曲线，曲线E1为含噪视电阻率相对误差，曲线E2为去噪后视电阻率相对误差。
通过图4可知，去噪后得到的磁感应强度和视电阻率曲线都更接近理想模型曲线，去噪前视电阻率曲线呈现出从高频到低频（对应深度为由浅至深）逐渐减小的趋势，引入了假异常，难以区分出图2所示模型中的三层结构；去噪后，视电阻率曲线两端出现平缓区，中间1000～10赫兹频段，视电阻率先增大再减小，而且最低值低于两端平缓区的视电阻率值，视电阻率曲线符合一般三层模型的响应规律。因此，对比去噪前后可以确定的是，去噪前系统不能探测到埋深500米厚50米的低阻矿层，去噪后，系统明显可以探测到该低阻矿层。进一步从视电阻率成像结果的角度，验证了本方案的有效性和先进性。
综上所述，本发明提出的系统和方法能够实现矿产资源快速探测，而且相比较于传统方案，进一步提升了系统的探测精度。
Claims (10)
1.一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一，一方面，采用半航空人工源探测方法配合主磁传感器、从磁传感器进行信号采集，其中从磁传感器采集低频运动噪声，主磁传感器同步采集低频运动噪声和垂直磁场信号，另一方面，通过地面垂直磁场传感器（9）采集同测区的垂直磁场信号；
步骤二，利用从磁传感器采集的低频运动噪声相关映射出主磁传感器中的低频运动噪声，完成对主磁传感器低频运动噪声的一次估计；
步骤三，利用步骤一中地面垂直磁场传感器（9）采集的垂直磁场信号相关映射出主磁传感器低频运动噪声一次估计中包含的有用信号，然后在步骤二获得的主磁传感器低频运动噪声一次估计的基础上消除该有用信号，获得主磁传感器低频运动噪声二次估计；
步骤四，将步骤三中获得的主磁传感器低频运动噪声二次估计视作步骤一中主磁传感器采集信号中的低频运动噪声部分，从而实现主磁传感器低频运动噪声的抵消，抵消后的信号部分即为主磁传感器响应的垂直磁场信号。
2.根据权利要求1所述的一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：所述步骤二中主磁传感器低频运动噪声的一次估计按照下述方法实施：
记从磁传感器的输出y1为参考低频运动噪声br；
记主磁传感器的输出y2包含实测垂直磁场信号bzm和实测低频运动噪声brm；
则从磁传感器到主磁传感器中低频运动噪声的相关映射函数h(n)满足以下关系：
；
；
对从磁传感器的输出y1和主磁传感器的输出y2做傅里叶变换得到下式：
；
；
于是主磁传感器低频运动噪声一次估计为：
；
式中F -1为傅里叶反变换，从磁传感器到主磁传感器中低频运动噪声的相关映射函数H(ω)按下式计算：
；
式中SRR为从磁传感器输出的自功率谱，SY1Y2为从磁传感器输出与主磁传感器输出的互功率谱。
3.根据权利要求1所述的一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：所述步骤三中主磁传感器低频运动噪声的二次估计按照下述方法实施：
记地面垂直磁场传感器（9）的输出y3为实测垂直磁场信号bs；
记主磁传感器的低频运动噪声一次估计为y4，二次估计为bns，则地面垂直磁场传感器（9）到低频运动噪声一次估计中垂直磁场信号的相关映射函数h2(n)满足以下关系：
；
；
对地面垂直磁场传感器（9）的输出y3和的主磁传感器的低频运动噪声一次估计y4做傅里叶变换得到下式：
；
；
于是得到主磁传感器的低频运动噪声二次估计为：
；
式中F -1为傅里叶反变换，地面垂直磁场传感器（9）到低频运动噪声一次估计中垂直磁场信号的相关映射函数H2(ω)按下式计算：
；
式中SSS为地面垂直磁场传感器（9）采集的垂直磁场信号的自功率谱，SY3Y4为低频运动噪声一次估计与地面垂直磁场传感器（9）采集的垂直磁场信号的互功率谱。
4.根据权利要求1所述的一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：所述步骤一中，采集的垂直磁场信号频率包括1Hz～100kHz。
5.根据权利要求1所述的一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：所述移动式矿产资源快速勘查方法应用于低阻矿层的勘查中，且低阻矿层的埋深范围为0m～500m以及500m～800m。
6.根据权利要求1所述的一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：
所述步骤一中，采用的勘查装置包括用于空中移动测量的主磁传感器和从磁传感器，所述主磁传感器和从磁传感器按照非同轴、非共面设置，其中主磁传感器和从磁传感器的带宽一致，从磁传感器的检测分辨率只能分辨低频运动噪声，不能分辨真实垂直磁场信号，主磁传感器的检测分辨率满足能够同时分辨真实垂直磁场信号和低频运动噪声；
所述步骤一中，采用的勘查装置包括固定在地面的地面参考站（8），所述地面参考站（8）包含用于采集垂直磁场信号的地面垂直磁场传感器（9）。
7.根据权利要求6所述的一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：所述主磁传感器和从磁传感器均为线圈，记主磁传感器为测量线圈（2），记从磁传感器为参考线圈（3），且参考线圈（3）跨接在测量线圈（2）上，参考线圈（3）的外径远小于测量线圈（2）的外径。
8.根据权利要求7所述的一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：所述参考线圈（3）通过参考线圈支撑架（4）和参考线圈固定环（5）跨接在测量线圈（2）上，其中，参考线圈支撑架（4）用于保持参考线圈（3）的外形轮廓，参考线圈固定环（5）用于固定参考线圈（3）和测量线圈（2）的跨接点。
9.根据权利要求7所述的一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：所述测量线圈（2）和参考线圈（3）同时为正方形或圆形。
10.根据权利要求7所述的一种移动式矿产资源快速勘查方法，其特征在于：
所述测量线圈（2）和参考线圈（3）同时连接在无人机或直升机上；
所述地面参考站（8）的布站位置满足可控源大地电磁观测法中接收机位置的布设要求。
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