正交多项式法在航空电磁运动噪声去除中的应用

时间域航空电磁测量数据中常伴有表现出低频特性的运动噪声,其幅值远大于航空电磁探测系统的磁场强度,因此能否正确、高效地对其进行去除成为了时间域航空电磁数据预处理的关键问题。经过研究,本文采用正交多项式拟合方法对时间域航空电磁数据中的运动噪声进行去除。对数据中每个半周期时间序列利用正交多项式进行拟合,从而作差达到去除数据中运动噪声的目的。通过对理论数据和实测数据运动噪声去除的效果可以看出,正交多项式拟合方法可以有效的去除运动噪声,同时提升了航空电磁实测数据质量,提高了数据的信噪比。     

接地导线源航空瞬变电磁系统EEMD法去除传感器运动噪声

航空电磁系统观测值中不仅包含了地下介质的响应,还包含多种噪声成分,其中传感器运动噪声具有频率低、幅值大、非周期等特点,是航空电磁探测系统的主要噪声源之一。针对运动噪声的上述特点,利用EEMD方法对随机信号的分解能力,将航空电磁信号分解为多阶IMFs分量;利用IMFs某阶分量拟合传感器运动噪声,并从航空电磁信号中加以去除,从而获得去除运动噪声后的信号。本文利用EEMD方法对航空电磁仿真信号中运动噪声加以识别和去除,取得了良好的效果。通过与传统样条插值方法去噪效果的对比,表明EEMD法能够有效地去除线圈中的运动噪声,同时将该方法应用于山东某地无人机半航空瞬变电磁系统实测数据处理中,取得了良好的去噪效果。     

频率域航空电磁系统线圈姿态变化影响及校正方法

频率域航空电磁系统线圈姿态变化影响及校正是一项探索性很强的开拓性工作, 目前国内尚无成熟经验可循.吊舱式直升机频率域航空电磁法线圈安装在吊舱内, 探头姿态变化相对较大, 因此姿态校正提高了其数据处理精度, 对提高航空电磁法数据处理水平具有重要意义.为了消除吊舱式直升机频率域航空电磁系统因收发线圈姿态发生变化, 而导致的电磁探头接收地下地质体电磁响应数据产生的误差, 采用三维频率域有限差分方法模拟计算频率域航空电磁系统的电磁响应, 分析了不同频率、不同收发线圈姿态变化类型对水平共面(HCP, 全称horizontal co-plane)和垂直同轴(VCX, 全称vertical coaxial)线圈装置的电磁响应影响.计算结果表明: 垂直同轴线圈装置因姿态角度变化引起的测量误差比值远大于水平共面装置, 而且频率越高, 受探头姿态角度变化的影响越大.垂直同轴装置主要受俯冲姿态变化的影响, 水平共面装置受摇摆和俯冲这2种姿态变化的影响.在此基础上, 根据姿态误差几何校正方法进行了电磁数据校正, 有效地去除了因线圈姿态变化造成的误差响应.      

基于同步提取变换的地空频率域电磁信号幅度提取方法

地空频率域电磁法探测信号为多频非平稳信号,为了解决应用传统傅里叶变换方法提取其幅度时分辨率较差的问题,本文提出了基于同步提取变换(SET)的地空频域电磁信号幅度提取方法。该方法对电磁数据进行SET,得到高分辨率时频图,并利用能量算子使电磁数据时频谱能量更为集中;采用贪心算法提取脊线,得到时频图的高能量带;通过自回归模型自适应地补充了脊线中的0值,解决了由窗函数引起的端点效应问题。根据脊线位置的时频图复数值,得到各频率分量幅度随时间的变化,研究了不同信噪比情况下基于SET的地空频率域电磁信号幅度提取结果的准确性。结果表明:当信噪比≥10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差均小于5%;当信噪比<10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差在10%以内。提取效果良好。将此方法应用于新疆霍拉山隧道工程地空频率域电磁法探测中,成功提取了多频电磁信号各频率分量的幅度,与采用傅里叶变换提取非平稳信号幅度的方法相比,该方法有效地提高了幅度提取结果的分辨率。     

频率域航空电磁法水资源探测深度及应用研究

为了了解频率域航空电磁法在水资源勘查中的应用条件和勘查效果,以层状介质模型为基础,计算了多种水文地电模型、多种电磁系统装置的频率域航空电磁响应。通过分析吊舱式直升机频率域航空电磁系统、固定翼频率域航空电磁系统在不同水文地电模型的电磁响应特征和衰减规律,分析了这2套系统在不同水文地电模型条件下的探测深度,即在盐渍化地区,频率域航空电磁系统最大勘探深度为60 m,在非盐渍化地区最大勘探深度为130 m。在综合分析频率域航空电磁法在水资源勘查应用前景的的基础上,通过国内外应用实例表明,频率域航空电磁法在中国东部沿海地区,以及内陆干旱地区寻找浅层淡水是有效的。该项成果对今后利用频率域航空电磁法进行水资源调查具有重要意义。     

ATEM瞬变电磁系统在长春市活断层勘探中的应用

分析了电磁噪声在城市中的存在方式和特点,讨论了人文噪声对城市活断层探测的影响。由于城市环境的限制,瞬变电磁法中发射线圈的边长受限,提出通过加大发射电流和信号叠加、分段放大等技术来压制电磁噪声,提高信号的信噪比,以确保城市探测的有效性。采用吉林大学自行研制的ATEM瞬变电磁测量系统,在长春市伊通河和蔡家等地的活断层进行了勘探研究,取得了较好的效果。     

基于高温超导的瞬变电磁法在青城子矿集区的应用

为了提高瞬变电磁法的探测深度,在青城子矿集区开展了大定源装置条件下基于线圈传感器和高温超导传感器的瞬变电磁法实验工作.结果表明:利用高温超导传感器直接测量磁场具有低噪声、高灵敏度、低频响应好的特点,晚期信噪比高且对深部低阻响应敏感的优点.在相同激发条件和低噪声背景条件下,基于高温超导传感器的瞬变电磁法在青城子矿集区探测深度可达到1 800 m左右,较传统线圈传感器反演深度提高50%,该方法能有效地提高瞬变电磁法探测深度.      

基于BP神经网络的固定翼航空电磁线圈姿态校正

固定翼航空电磁系统在测量过程中受风向、飞机飞行颠簸等影响,线圈姿态会发生变化,使接收到的电磁响应产生偏差。本文基于法拉第电磁感应定律,利用线圈坐标系和系统坐标系之间的转换关系,推导了线圈姿态变化时的电磁响应计算公式,得出电磁响应由线圈姿态变化过程中切割地磁场所产生的动态响应以及线圈处于倾斜状态下所感生的静态响应组成。并研究了基于BP神经网络的线圈姿态校正算法,首先利用地磁场和线圈姿态角度计算去除动态响应,然后构建BP神经网络模型,用该网络得出静态响应系数,实现静态响应校正。仿真结果表明,经过校正后的电磁响应数据质量得到很大改善。     

航空瞬变电磁数据背景场去除研究

与地面瞬变电磁法相比,航空瞬变电磁法受不同的噪声类型影响较大,如天电噪声、运动噪声等,并且背景场对数据的影响也是不可忽略的。由于背景场中含有一次场信息,使得背景场幅值远大于含有地质信息的二次场信号。为较清晰地获得地下电性结构,需找到可以高效去除背景场的方法。本文提出利用线性插值方法来对背景场问题进行研究。首先,获得前、后高空飞行的测线数据,经过叠加、平均计算得到叠加周期内相同采样时间道的响应值,然后,利用插值原理针对每个采样时间道建立一个插值函数,最后,根据飞行时间来计算工区每条测线上采集数据的背景场值,从而达到去除背景场的目的。实测数据背景场去除的算例表明,该方法可较好地去除背景场对二次场异常的掩盖,去除后可较清晰地判断异常出现的位置。时间域航空电磁数据预处理包含较多处理模块,该方法的提出为高效的数据处理奠定了基础。     

主成分分析在航空瞬变电磁去噪中的应用

由于航空瞬变电磁二次场数据是一种宽频带信号且幅度较小,因此常常受到随机噪声、天电噪声以及人文噪声的影响。研究针对上述噪声的去噪方法,可以提高处理和解释的精度。这里给出了基于主成分分析的航空瞬变电磁去噪方法,首先应用主成分分析方法对叠加抽道后的单测点衰减曲线进行分解,然后应用曲线趋势对比法和L曲线法对分解后的成分进行分析,确定出有效信号成分,最后使用这些有效信号成分进行重构,从而达到抑制噪声的目的。模拟信号分析以及实测数据的实验结果表明,应用主成分分析法处理航空瞬变电磁数据,在保持反映地下介质分布的有效信号幅度基本不变的条件下,能有效抑制天电噪声和人文噪声,为保幅处理和解释奠定了良好的基础。     

理论模型分析卡尔曼滤波在航空全张量磁力梯度测量中的应用效果

航空全张量磁力梯度测量数据中包含非常复杂的运动噪声,在频谱图中从低频至高频均有分布,并以白噪声为主,如何有效压制运动噪声是一个较大的挑战。传统的数字滤波只能滤除指定频段的噪声,对于混叠在全张量磁力梯度有用信号中的噪声不能有效分离。鉴于卡尔曼滤波是一种快速、高效和实时的最优估计方法,笔者将其应用到航空全张量磁力梯度数据处理中,搭建合理的状态方程和观测方程,通过模型实验验证了方法的有效性,结果显示全区噪声衰减因子优于0.92,即能够去除92%以上噪声成分,全区均方误差优于10 pT/m,可应用于航空全张量磁力梯度数据实时处理。     

航空重力数据的等波纹FIR低通滤波试验

为解决航空重力测量中的核心技术之一——强噪声背景下提取微弱重力异常信号的问题,根据等波纹切比雪夫逼近理论,采用瑞米兹（Remez）交换算法设计等波纹线性相位FIR低通滤波器,利用模型数据对该方法进行了验证,并通过GT-1A型航空重力系统测量数据进行滤波试验。结果表明,基于Remez交换算法设计等波纹线性相位FIR低通滤波器,在自由空气重力异常获取的滤波试验中,能获得与GT-1A系统卡尔曼平滑滤波相同的效果。     

测高数据不准时的直升机航空瞬变电磁一维反演方法理论研究

航空电磁勘探中,高度计显示的发射线圈高度数据往往是不准确的,这可能会影响反演结果,出现假异常现象。针对这一情况,提出了一种高度计数据不准确条件下的航空瞬变电磁资料一维反演方法,在重构地电参数的同时也对发射线圈高度值进行校正。由于航空电磁反演问题是典型的病态问题,使用正则化反演方法,正则化因子由数据目标函数与模型目标函数之间的关系以自适应方式给出,使得反演迭代能稳定进行。以直升机航空瞬变电磁资料反演为例,用理论模型响应数据加入噪声进行反演,结果表明,无论初始高度值是高于真值还是低于真值,该反演方法均能够较好地重构地下介质参数和发射线圈高度值;作为反演初值的发射线圈高度测量值越准确时,反演迭代收敛速度就越快,反演效果也越好。     

航空地球物理勘探资料微调平处理

航空物探测量中测线间水平往往存在差异,表现为沿测线方向的条带。调平处理旨在减少或消除测线间的水平差,是航空物探资料处理中的关键,对航空物探资料处理和解释具有重要作用。笔者以实际的航磁资料处理为例,详细介绍了航空物探资料微调平处理的原理与实现。微调平处理中首先通过方向滤波从原始资料中提取噪声网格,并按飞行测线提取噪声网格中的数据并分离有用的地质信息,最终将分离后的测线水平误差从原始资料中去除得到调平后资料,以此实现航空物探资料的微调平处理。同时,针对资料处理中遇到的诸如滤波器选取、异常分离阈值确定、最终调平效果检验等实际问题进行讨论,这对理解微调平并应用于实际资料处理均具有意义。     

航空重力测量中FIR低通滤波器的比较

航空重力测量数据中含有大量的噪声,需要采用FIR低通滤波器来提取实际的重力异常信息。结合一组实测的航空重力测量数据,讨论FIR低通数字滤波器截止频率和滤波器长度的确定方法,研究了无效数据的删除方法;通过比较不同窗函数设计的滤波器的数据处理性能,得出了在航空重力测量数据处理中,汉宁窗和海明窗设计FIR低通数字滤波器可以满足重力场信息提取的要求。     

用于频率域航电数据处理的伪切割线自动调平法

针对频率域航空电磁数据中存在的区块状测量误差,提出了伪切割线自动调平法。首先利用一维移动滤波滤掉高频地质异常,得到包含背景值和调平误差的中间值;通过对伪切割线求导,由突变点区间统计法判断出的调平边界突变点位置来划分待调平区域;沿伪切割线方向由边界向外延拓一定距离,确定伪切割线范围,在此范围内,对边界突变点采用中值滤波;然后在确定的伪切割线范围内积分得到背景值,背景值与中间值作差求得调平误差;最后与原始数据结合得到调平结果。该方法输入参数少,能自动划分调平区域,极大地减少了工作强度及人为误差,同时能有效地消除区块状误差,保留真实地质异常。     

用于航空电磁数据调平处理的导数突变点统计法

航空电磁数据中经常存在条带状误差,为消除这种误差,通常采用窗口滤波。但是,窗口参数及滤波参数要求极为严格,且不能区分调平误差和其类似大小的地质异常,需要操作者多次尝试以寻求合适的处理参数。这里提出了导数突变点统计法,该方法首先在沿伪切割线方向（垂直飞行方向）,对网格化的航空电磁数据求取伪切割线的导数,采用高通滤波方法滤掉幅值比较小的导数突变点;然后统计每条航线上的突变点个数,根据预设的阈值,确定出存在条带误差的航线;再针对这条航线上的数据,采用均值滤波得到调平结果。导数突变点统计法能自动找出存在误差的航线,并只针对误差线进行滤波,能有效消除条带状误差,极大地保留真实地质异常。导数突变点统计方法算法简单,输入参数少,数据处理速度快,为航空电磁数据调平提供了一种新思路。     

强干扰区含噪电磁场的时空分布特征

噪声是限制电磁勘探应用效果的瓶颈之一,明确含噪电磁场数据的特征是强干扰区开展电磁法研究的首要问题。本文依据庐枞矿集区的干扰源调查及大量实测数据,通过对比不同条件、多种类型的电磁场数据,归纳了强干扰区电磁噪声源的主要类型,并总结了含噪电磁场数据的时间域、频率域及空间分布特征。结果表明：强干扰区噪声源可按多种形式进行分类;含噪电磁场数据在时间域常具有显著的形态、振幅、结构及相关性特征;时频谱常表现出不同的时间分段及频率分带特征;频域响应常呈分频带畸变特征,以"近源"型畸变最为典型;噪声影响的空间分布与场源类型、观测方位及地下结构等因素相关。     

半航空瞬变电磁干扰特征与降噪研究

为了验证多旋翼无人机在半航空瞬变电磁勘探作业中产生的电磁干扰影响,笔者等开展了一系列实验,包括在无人机不同工作状态下进行时频噪声分析,以及研究噪声源与接收点之间距离对噪声水平的影响。实验发现,大疆T20无人机电机转动产生的周期性电磁干扰频段在550~900 Hz,当接收线圈与无人机的距离为10 m时此干扰可被忽略。针对剩余的其他噪声,笔者等提出了基于移动窗口的递归最小二乘法自适应降噪方法。通过降噪实验,验证了该方法能够有效压制干扰,还原出信号的原始特征。将此降噪方法应用于香格里拉安乐铅锌矿实测半航空瞬变电磁信号处理,取得了显著的降噪效果。