MCSEM发射电流波形的高精度时间标识技术

加紧研究和发展海洋可控源电磁法(MCSEM)对我国海域能源资源的调查具有重要意义.在MCSEM勘探中,发射机记录的电流波形若没有精确时间标记,则无法与接收机采集到的数据进行同步处理,进而影响到感应电磁场相位信息的提取.本文对海底环境下发射电路所面临的这一亟需解决的特殊问题展开了研究.采用硬件同步分频和超长计数的时间标识技术,基于LPC2368微处理器、GPS对钟电路、高精度温度补偿晶振、CPLD、RTC模块、USB移动硬盘、霍尔电流传感器及其外围电路等搭建的新硬件平台,将高精度时间标记脉冲计数值连同发射电流波形数据一同记录至存储设备中,同时上传至甲板端,便于上位机对水下发射机进行远程监控.最后依托国家专项进行了海洋试验,验证了高精度时间标识技术的可靠性和准确性.     

可控源海洋电磁勘探中空气波影响的理论分析和数值模拟

可控源海洋电磁勘探(MCSEM)中空气波对海底电磁响应的影响已为业界所熟知,且已提出了多种压制方法.然而,由于空气波与海水层中其它信号相互作用的复杂性,至今其作用机理及对有效信号的影响方式尚未完全清楚,这也阻碍了浅水域MCSEM油气勘探的应用.本文在前人研究的基础上, 基于一维层状介质的电磁位和电磁场分析,采用电磁场的模式分解理论导出了空气、海水层和海底地层之间的相互作用关系.分析了MCSEM电磁响应的影响因素和空气波的作用机理.以无限水深假想模型、三层介质模型和四层介质模型为基础,导出了水平电偶极子(HED)的横电(TE)和横磁(TM)模式的电磁场关系,分析显示了前人提出的上下行波分离进行空气波压制所存在的缺陷.通过理论和数值模拟知道, 利用横电(TE)和横磁(TM)模式受空气相互作用影响的差异和电磁场水平分量与垂直分量受空气层相互作用影响程度的不同可减弱空气波对有效信号的影响,这将有助于实现浅水域海洋电磁勘探数据的有效利用.     

海洋可控源电磁勘探中MT噪声降噪效果评估方法研究

信号去噪是海洋可控源电磁勘探(Marine Controlled-Source Electromagnetic,MCSEM)数据处理过程中的重要环节.在中、远收发距处,大地天然电磁信号(Magneto Telluric,MT)是影响MCSEM反演质量的主要噪声之一.尽管已有学者提出一些MT噪声降噪方法,但由于缺乏降噪效果的量化评价,导致这些方法的有效性亟待验证.针对上述问题,本文将信号和噪声一维正演、噪声降噪处理、电阻率一维反演相结合,提出一种MT噪声降噪效果评估方法.该方法利用电阻率反演结果与电阻率输入值的均方相对误差作为降噪效果的量化评价指标.为提高灵活性,既可以利用正演的手段生成MT噪声,也可以直接输入MCSEM发射机不开机时间段的实测数据作为MT噪声.利用该评估方法,验证了短时窗结合预白化滤波降噪方法的有效性.在所开展的实验中,实测数据的均方相对误差为231%.相比于不进行降噪处理的直接反演结果,均方相对误差减小了126%.本文所研究的评估方法可应用于MT噪声降噪方法有效性的量化评估,也可推广至其他类型噪声降噪效果的量化评估.     

有源恒压钳位瞬变电磁发射机技术

针对瞬变电磁系统发射机对大电流、短关断延时、高线性度的技术要求,论文提出一种新颖的基于BOOST升压原理的有源恒压钳位瞬变电磁发射机电路,详细论述了恒压钳位原理和电路设计方法,重点分析了发射电流下降沿及上升沿恒压钳位动态过程、电路参数计算以及钳位电压恒定原理.研制完成钳位电压500 V,发射电流峰值50 A,发射波形为双极性方波的瞬变电磁发射机,并通过一系列测试实验进行验证.测试结果表明,在大电流发射及感性负载条件下,论文提出的有源恒压钳位方法成功实现了电流下降沿快速、线性关断,从而有效提高了发射电流波形质量及瞬变电磁系统对地下目标的探测能力.     

单船拖曳可控源电磁数据自适应分频匹配滤波消噪方法

海洋可控源电磁法(MCSEM, Marine Controlled-Source Electromagnetic Method)是一种工业化的主动源海洋电磁勘探方法,近年来在海底油气资源探测中收效显著,通过测量海底地下介质的电阻率变化,能够有效降低地震勘探方法的多解性.MCSEM的工作方式主要有单船拖曳与双船拖曳两类.单船拖曳信号具有强时变特征,近、中、远收发距信号强度变化极大.由于海水环境较为复杂,数据受到洋流、背景场、仪器等多种因素干扰,使得小收发距数据信噪比较高,中、远收发距数据信噪比较低,因此MCSEM数据随机干扰压制方法的研究难点在于适应数据的强时变特征.本文利用发射机数据与接收机数据的时间(空间)和频率对应关系,提出基于正则化条件和衰减函数约束的自适应分频匹配滤波方法.该方法首先通过计算原始接收机数据基频的振幅随偏移距变化(MVO, Magnitude Versus Offset)曲线获取衰减函数,然后利用该衰减函数将发射机所有频点数据进行振幅衰减,减低MCSEM发射机与接收机数据对应振幅的强时变差异,最后利用基于整形正则化条件的自适应匹配滤波方法压制接收机数据中的强振幅随...     

时频电磁法勘探数据时域去噪方法研究（英文）

时频电磁法勘探系统兼有频率测深与瞬变电磁测深系统双重特点,可同时在频率域和时间域求取视电阻率,从而获得更加准确可信的地电信息。实测时频电磁勘探数据中的主要噪声有50 Hz工频及其谐波干扰噪声、高频随机脉冲噪声以及低频干扰噪声三种类型,本文针对这些噪声类型以及时频电磁法的方波信号特点,提出分段拓展中值滤波方法和拟合固定极值点EMD方法分别去除高频随机脉冲噪声和低频干扰噪声,提出基于方差和偏度系数的中值滤波窗口大小试验选取方法,采用频域带阻滤波方法去除50 Hz工频及其谐波干扰噪声。并设计了一个相应的去噪流程,以充分发挥各自的去噪方法的优势。经理论分析以及实际观测数据的应用实验验证,本文提出的去噪方法和设计的去噪处理流程合理有效,准确保留了时域信号波形的相位和幅值信息,得到令人满意的高质量时域信号波形,为准确地提取时域瞬变电磁衰减信号打下良好的基础。     

MCSEM发射机的远程测控技术研究

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查海底油气和天然气水合物资源的有效方法之一.在MCSEM海洋作业过程中,利用甲板端的监控单元,可以在甲板端对海底发射机进行直观地远程控制和状态监测.监控单元硬件以发射机的通讯模块、万米光电复合缆中的光纤、甲板端控制计算机和光纤转串口的光端机为基础,软件采用图形化的LabVIEW高级编程语言.通过甲板端监控单元,仪器操作人员可建立船上计算机与海底发射机的远程数据通信,从而实现对海底发射机运行状态的实时查看和更改.经过多次海洋实验验证,研发的甲板端监控单元硬件性能稳定、软件界面友好直观,能够很好地满足海洋可控源电磁海上勘探作业的需要.     

勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查天然气水合物资源的有效方法之一.海洋可控源电磁发射系统是实现MCSEM的重要硬件组成部分.本文以天然气水合物在海底的一维地电模型为例,研究电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩大小对电场响应的影响,进而指导发射系统研制.该系统包括:甲板升压控制单元,可将船载大功率电能升为高压并通过万米光电复合缆输送至海底的发射机;水下变压器,可将深拖缆中的大功率高压转换为低压;拖曳式大功率电磁发射机,其内部的控制电路硬件和嵌入式驱动软件可将水下变压器输出的电能逆变为大功率矩形脉冲,并通过发射偶极将脉冲发送至海水介质中;借助水动力学设计的发射机拖体,用于装载发射系统水下部件和保持拖曳过程中的平衡与稳定;甲板端上位机监控单元,利用万米光电复合缆中的光纤实现船上计算机与海底发射机的远程数据通信.2012年5月和2013年5月海洋试验的结果均表明,所研制的发射系统可作为天然气水合物资源勘探的有效激励场源.     

基于分布估计算法对重力固体潮信号独立主成分分析及谐波提取

固体潮信号是地球自转在月球和太阳作用下产生的混合复杂信号.本文提出一个重力固体潮信号的正交分解模型,通过将重力固体潮信号谐波分量,分解在两个正交的方向上,以提取独立的谐波分量.为了实现这一分解,本文采用独立成分分析算法进行验证分析.独立成分分析主要用于提取信号中的独立成分,但一般的独立成分分析算法具有对初始值敏感,收敛较早熟等问题.本文利用分布估计算法的学习概率模型全局寻优,克服独立成分分析算法缺点.通过实验仿真分析,改进算法可将重力固体潮信号成功分离出以下独立的谐波状态:半日波信号、日波信号、长周期波信号.并且,这些分离出的独立成分与本文提出的重力固体潮信号正交分解模型一致,分别对应于模型中的正交谐波分量.     

强场源TEM测量仪器和在大型矿山接替资源勘探中的应用研究

针对矿山噪声强、要求勘探深度大的特点,应用强场源TEM测量仪器,采用双发射信号同步叠加增大发射磁矩,即通过增大发射电流和合理选择发射回线边长,提高瞬变信号晚延时的信噪比的方式提高有效勘探深度。在安徽铜陵凤凰山铜矿的实际勘探中,采用吉林大学研制的 2个ATEM-Ⅱ型发射机同时工作,将发射电流由 2. 4A增大到 38 .5A,晚延时瞬变信号的信噪比由 0 .275提高到2. 93,有效探测深度达到 650m以上,表明强场源TEM测量仪器在寻找大型矿山接替资源勘探方面具有较好的发展前景     

一种为地震台网台站进行标定测试用的新型振荡器——CZ-1型测震信号发生器

为适应遥测地震台网和地震观测台站进行系统标定、测试、仪器维修而研制的CZ-1的信号发生器的特点是,电路采用了晶体振荡电路和数字衰减器,从而保证了输出信号的频率;幅度精确、稳定.它可以输出正弦波,方波等8种简单函数波形.亦可由用户自己编制其他形状的波形.输出可采用单边或双边对称输出.具有短周期和中长周期测震系统分段标     

基于遗传算法的重力固体潮信号独立元分析与地震前兆信息提取

在对重力固体潮信号的分析中,应用了一种将固体潮信号所含有的各谐波信息分解到3个正交分量上的三维正交分解模型;为了更好地提取各个分量谐波信号,克服传统独立分量分析(ICA)收敛速度慢、局部搜索等缺陷,使用了传统ICA与实数遗传算法(GA)相结合的方法,经验证此方法可行有效;实验中对实测信号与理论信号相结合的信号进行了谐波提取,并对提取出的谐波信号进行分析,捕捉地震前兆信息;分析发现地震前某不定时刻点,在长周期波中波形出现一定程度的奇异,充分反映了震前能量积蓄的变化.因其与地震发生时间之间的不确定性,所以还不能将其作为地震的预测方法.     

发射电流波形对瞬变电磁响应的影响

本文研究了不同发射电流波形对瞬变电磁(TEM)响应的影响,利用自由空间中回线作为目标体,推导出方波、梯形波、半正弦波、三角波激励的响应.研究表明:对于低电导率目标体,同种波形激励的响应在有发射电流期间(on-time)与无发射电流期间(off-time)的幅度相近,四种波形中方波激励响应最强.由于off-time采集可以获得更高的信噪比,因而探测低电导率目标体时一般采用方波激励,采集off-time信号.对于高电导率目标体,off-time响应幅度随电导率增加而迅速下降,而半正弦与三角波激励的on-time响应幅度基本不随电导率变化,因而航空TEM可以采用半正弦与三角波进行on-time采集,并通过适当地提高激励电流的基频,以提高信噪比与空间分辨率.     

基于油气藏两种极化模式的海洋可控源电磁法激电效应研究

海洋可控源电磁法(MCSEM)已日益成为海洋油气勘探的重要方法,但在传统MCSEM的数值模拟和反演解释中,通常考虑的是非极化海底介质模型,这与油气藏会产生激电效应的实际情况并不相符.在前人的研究基础上,本文总结了油气藏产生激电效应的两种模式:外生黄铁矿极化模式和油气藏自身极化模式.在典型的海洋4层地电模型基础上,本文设计了包含外生黄铁矿的海洋6层地电模型.基于这两种模型,通过推导MCSEM一维正演公式,引入Cole-Cole模型,本文分别计算了上述两种极化模式下MCSEM的激电响应,分析了各参数对两种模式下激电响应的影响特征,并对两种极化模式共同作用所产生的激电效应特征做了分析.结果表明,外生黄铁矿极化和油气层自身极化都会产生较明显的激电效应,而激电效应的强弱与观测频率、模型参数和激电参数有关.在相同的激电参数下,外生黄铁矿极化所产生激电效应的影响主要集中在小收发距处,而油气层自身极化所产生的激电效应则主要影响较大收发距处的场值.两种极化模式共同作用的效果相当于两种极化模式分别作用时的叠加.     

地震场景下重力固体潮信号互相关谱分析与异常信息提取

重力固体潮信号包括能量相对强的日波、半日波分量,和能量相对弱的长周期波分量.为了在能量差异大的谐波分量中,有效提取地震场景下的异常信息,本文根据重力固体潮信号的产生机理,提出了一种重力固体潮信号正交分解模型,将强弱不同的潮汐谐波分量,分解到不同的正交方向.同时利用一种新型智能优化算法,改进独立成分分析方法,有效分离出重力固体潮信号中对应于不同正交方向的独立成分.对独立成分分量的谱相关分析,可以揭示各谐波分量的调制关系,地震场景下的谐波分量间存在异常的调制信息.但自相关运算会使强的分量更强,而弱的分量更弱,湮没弱的异常调制信息.因此,本文采用独立成分间的互相关谱,可以更完整地提取出潮汐谐波的异常信息,在此基础上,通过对云南的地震实例分析,提取出重力固体潮信号中异常的调制信息,并引入了理论计算值做参考,凸出了实际重力固体潮信号中存在明显的异常信息,发现长周期谐波分量的误差率远远大于日波、半日波的误差率,说明相比于日波、半日波,长周期波能更好的反映重力固体潮信号存在的异常信息.     

三维MCSEM利用电磁场分解消除空气波效应

对于浅水域可控源电磁勘探,在资料处理和解释过程中需要消除空气波影响,电磁场上下场分解方法是消除这种影响的一种有效手段.为了快速有效实现电磁场分解,假定电磁场沿水平方向变化缓慢,基于麦克斯韦方程组,本文推导了一种仅利用电磁场水平梯度实现电磁场分解新方法.数值试验表明利用这种分解方法可以得到稳定可靠的分解结果,同时论证了这种方法是一种海洋可控源电磁法（MCSEM）数据快速定性解释手段.     

加速度谐波失真度对速度型地震计振动台标定的影响

本文对加速度和速度谐波失真度进行了理论计算, 并基于美国国家仪器公司研发的实验室虚拟仪器工程平台(Labview), 设计出低频振动信号数字化测量系统, 实现了振动台面对加速度波形、 速度波形及其失真度的测量. 基于该系统的实验数据与中国计量科学研究院设定的参考值偏差较小. 对地震计的测试结果表明, 加速度波形及其失真度对振动波形的精度描述更为严格, 能有效提高地震计振动测试的准确程度.      

海洋电磁低时钟漂移及自动增益采集技术研究

作为地震探测的有效补充,电磁法在海洋油气资源勘探中发挥着越来越重要的作用.本文针对海洋电磁法中极低时钟误差、大动态范围采集等要求,提出使用GPS和高精度原子钟解决低时钟漂移问题;采集电路中设计增益可调的放大电路,MCU通过对采集到的信号进行实时分析,实现增益动态调整,解决海洋电磁信号大动态范围采集问题;研制的海洋电磁信号数据记录单元每天时间误差小于0.3 ms、电场通道动态范围可以达到160 dB、磁场通道动态范围可以达到134 dB.通过在室内指标测试、室外试验,表明设计的数据记录单元能够稳定可靠工作.为证明数据纪录单元的有效性,将数据记录单元和国外商用MT仪器进行野外一致性对比实验,数据记录单元与商用仪器结果基本一致;在水深100 m海域进行了海底MT信号采集,得到了有效的结果.该研究为海洋电磁信号低时钟漂移、大动态范围采集提供了一种有效解决方案.     

多通道瞬变电磁m序列全时正演模拟与反演

传统瞬变电磁方法主要用于金属矿勘查,无法满足油气资源高阻目标体的勘探需要.多通道瞬变电磁(MTEM)系统的出现解决了这一问题.该方法采用伪随机序列发射波形和拟地震观测方式,测量同线电场分量,记录全时发射电流及多道观测数据,实现对高阻薄层的高精度探测.鉴于国内对此方法的研究还处于理论探索阶段,尚未进行相应的仿真模拟和数据处理工作,本文针对m序列发射波形多通道瞬变电磁法的全时正演模拟和反演解释进行研究,为国内正在进行的MTEM仪器系统研发及数据解释提供理论指导.我们利用方波响应移位叠加和电流导数与阶跃响应褶积两种方法实现理论m序列和实际发射波形的全时正演模拟;再通过相关辨识技术,削弱噪声影响,计算脉冲响应;最后对积分得到的阶跃响应进行共中心点道集数据联合反演,获取地下电性分布信息.     

基于地震信号波形形态差异的面波噪声稀疏优化分离方法

实际地震信号通常可表示为具有波形特征差异的多种基本波形信号的线性组合,如叠前道集中的工频干扰噪声与有效波信号、面波噪声与体波信号等.选择单一数学变换方法,往往不易实现地震信号的稀疏表示.近年来发展的形态成分分析理论,通过联合多种数学变换,可实现对复杂信号的稀疏表示.本文根据单道地震记录中面波与体波信号波形结构特征的差异性,提出一种基于形态成分分析的面波噪声衰减方法.针对面波的低频、窄带以及频散特性选择一维平稳小波变换作为其稀疏表示字典,而针对体波波形的局部相关特性选择局部离散余弦变换作为其稀疏表示字典,建立基于双波形字典的形态成分分析模型,通过求解该稀疏优化问题获得最终的信噪分离结果.理论模型和实际地震资料处理证实该方法不仅能够衰减单炮地震记录中的强面波干扰噪声,同时能够更好地保护有效信号的波形特征与频谱带宽,为地震资料的后续处理和分析提供良好的数据基础.