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。     

基于站间天然电磁场单位脉冲响应的大地电磁时间序列去噪方法

针对天然大地电磁场信号在人文活动密集地区易受噪声干扰的问题,本文提出利用两个同步测点天然电磁场时间序列之间的单位脉冲响应,合成本地点受干扰时段的数据,从而去除大地电磁噪声.首先,选择高信噪比时段的数据,采用最小二乘法,估算本地点与参考点之间的单位脉冲响应,再根据卷积定律,结合参考磁场合成本地点的磁场和电场.最后用合成数据替换含噪声时段数据,实现时间域去噪.实测高信噪比数据和含噪数据的处理结果表明,该方法可以高精度合成本地点磁场与电场信号,有效去除本地点电场和磁场噪声,包括相关噪声,提高大地电磁数据质量.     

基于自适应多分辨率奇异值分解的大地电磁数据处理

针对强电磁干扰极易掩盖微弱的大地电磁有用信号,本文结合奇异值分解在去噪方面的优越性,提出基于自适应多分辨率奇异值分解(Adaptive Multi-Resolution Singular Value Decomposition, AMRSVD)的大地电磁数据处理方法.首先对大地电磁数据构建Hankel矩阵,利用MRSVD得到不同分辨率的近似信号和细节信号;然后选用近似信号和细节信号的标准差差值,对大地电磁数据进行信噪辨识;接着结合MRSVD和相邻细节信号的标准差差值,提出先验信息未知情况下的AMRSVD法;最后对辨识出的强干扰运用AMRSVD去除噪声,重构有用信号.实验结果表明,该方法的处理效率高,能有效分离出相关性较强的噪声,时间序列和视电阻率-相位曲线均得到有效改善.     

基于递归分析和聚类的大地电磁信噪辨识及分离

为了剖析大地电磁信号和强干扰的本质特征,进一步精细分离出微弱的大地电磁有用信号,提出基于递归分析和聚类的大地电磁信噪辨识及分离方法.首先,运用递归分析法扩展大地电磁一维时间序列的维数,分析了嵌入维数、延迟时间和判别阈值对递归图的性能,并研究了不同长度的序列对递归定量分析参数的影响情况,然后,构建典型的大地电磁强干扰类型和微弱的大地电磁有用信号样本库,针对样本库讨论了强干扰和微弱大地电磁信号之间的递归定量分析参数,分析了K均值聚类和模糊C均值聚类的信噪辨识效果.最后,对实测大地电磁数据进行信噪辨识处理,并仅对辨识为强干扰的时间段采用数学形态滤波进行噪声压制.实验结果表明,递归分析能定性及定量地描述大地电磁信号时间序列的非线性特征和原动力系统的本质规律,与聚类算法相结合能对矿集区实测大地电磁信号进行信噪辨识;处理后的卡尼亚电阻率-相位曲线更为光滑、连续,其结果更为精细地保留了大地电磁信号低频段的缓变化信息,整个低频段的大地电磁数据质量得到了明显改善.     

基于压缩感知重构算法的大地电磁强干扰分离

为压制大地电磁信号中的强人文干扰,提出一种基于压缩感知重构算法的大地电磁信号去噪方法.通过构建与常见典型强干扰相匹配而对有用信号不敏感的冗余字典原子,利用改进的正交匹配追踪算法,分离出大地电磁信号中的强干扰成分.为了验证所述方法的强干扰分离效果,首先通过在实测大地电磁信号中加入理想的强干扰信号进行了仿真分离实验,然后从大量实测数据中选取三种含有不同类型强干扰的时间域片段,用所述方法对实测数据中的强干扰进行分离,最后将所述方法应用于青海试验点以及庐枞矿集区某测点实测数据的综合处理.仿真实验结果表明,该方法在分离出强干扰的同时,能够较好地保留有用信号.实测数据处理结果表明,该方法能够有效压制强干扰,改善强干扰区大地电磁数据的质量.     

基于分数域自适应滤波的地震信号去噪方法

提出了一种基于分数域自适应滤波的地震信号去噪方法.先论述了分数阶傅立叶变换(FrFT)的基本原理及分数域滤波的采样与信号重构定理.根据FrFT具有时频旋转特性,分析了时频域信噪重叠情况下实现噪声分离的可行性.通过时频面旋转交互方式求取最佳阶数以及滤波器的带宽,最后利用理想信号与处理结果的相关系数来验证该方法的有效性.合成记录及实际资料的处理结果表明,分数域滤波与常规Fourier变换相比,具有良好的去噪性能,可有效解决时频域信噪重叠的信噪分离难题,达到信号保真与去除噪声的目的.     

庐枞矿集区大地电磁测深强噪声的影响规律

天然大地电磁场信号微弱,极化方向随机,极易受电磁噪声污染.张量阻抗分析、远参考技术、Robust估计等对随机噪声和不相关噪声有比较好的压制效果,但对强的相关噪声目前还没有有效的压制方法.庐枞矿集区人烟稠密、工业发达,是我国著名的铁、铜、硫等矿产基地之一,区内强烈的工业、通讯、矿山、民用等电磁干扰严重污染了大地电磁测深数据.本文首先根据实测的电磁场时间域波形和卡尼亚电阻率测深曲线形态,挑选出基本未受噪声污染的测点(Y1650).然后利用数学形态学从受严重污染的电磁场时间序列中提取出类方波、三角波、阶跃、脉冲和充放电5种典型噪声的波形,并以不同的方式将这些噪声波形与Y1650的电磁场波形叠加,对比分析加噪后Y1650点电阻率和相位测深曲线的变化,进而归纳出典型强噪声对庐枞大地电磁测深资料的影响规律,为进一步压制强噪声和资料处理提供依据.     

基于核主成分分析的时间域航空电磁去噪方法

时间域航空电磁数据往往在测量过程中受到天然和人文噪声的干扰.如果不能很好滤除这些电磁噪声,那么将会降低资料质量、影响反演的精度,甚至获得错误的解释结果.本文提出了一种基于核主成分分析的去噪方法,通过核主成分分析提取叠加后衰减曲线的主成分,然后使用能量占比方法分离反映地下介质的有效信号和噪声,最后使用反映地下介质的特定成分进行重构.本文所推荐的去噪方法不仅能剔除天然噪声,例如天电产生的尖脉冲或者振荡,而且能有效地抑制人文噪声.分别使用基于核主成分分析的去噪方法,以及AeroTEM软件的处理方法对同样的吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统实测数据进行处理,并比较其结果.处理结果表明:所推荐的去噪方法要优于AeroTEM软件.     

基于核主成分分析的时间域航空电磁去噪方法

时间域航空电磁数据往往在测量过程中受到天然和人文噪声的干扰.如果不能很好滤除这些电磁噪声,那么将会降低资料质量、影响反演的精度,甚至获得错误的解释结果.本文提出了一种基于核主成分分析的去噪方法,通过核主成分分析提取叠加后衰减曲线的主成分,然后使用能量占比方法分离反映地下介质的有效信号和噪声,最后使用反映地下介质的特定成分进行重构.本文所推荐的去噪方法不仅能剔除天然噪声,例如天电产生的尖脉冲或者振荡,而且能有效地抑制人文噪声.分别使用基于核主成分分析的去噪方法,以及AeroTEM软件的处理方法对同样的吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统实测数据进行处理,并比较其结果.处理结果表明：所推荐的去噪方法要优于AeroTEM软件.     

矿区近场源噪声对大地电磁测深数据的影响及其压制方法

大地电磁测深采集的是天然电磁场,具有振幅微弱、频带宽的特点.在人文活动密集地区,电磁噪声干扰日趋严重,导致大地电磁测深曲线具有明显的近场源效应.本文利用电偶极子理论模型分析了电磁相关噪声对大地电磁测深数据的影响特征,并对湖南衡阳某矿区噪声实验数据进行了讨论,分析了矿区噪声的特点.分别利用远参考方法和基于大地电磁时间序列依赖关系的去噪方法对实验数据进行了处理.研究结果表明:矿区近场源噪声的频率一般大于0.1 Hz,远参考方法可以压制高频部分近场源噪声,但在0.1 Hz附近仍存在跳点;基于大地电磁时间序列依赖关系的去噪方法也可以压制矿区强相关噪声,抑制近场源效应,其效果要好于远参考的处理;两种方法结合可以更好的压制强噪声,基本消除了近场源效应,有效提高了大地电磁测深数据的信噪比.     

Time-Domain Spectral Induced Polarization Based on Pseudo-random Sequence

To reduce noise during electrical prospecting, we hereby propose a new method using correlation identification technology and conventional electrical exploration devices. A correlation operation can be carried out with the transmitted pseudo-random sequence and received time signal to suppress the random noise, and the time-domain impulse response and frequency response of the frequency domain of the underground media can be obtained. At the same time, using a dual Cole–Cole model to fit a complex resistivity spectrum, which is close to the frequency response, we can get a variety of induced polarization parameters and electromagnetic parameters of subsurface, which can provide more useful information for the exploration of mineral resources. This time domain prospecting method can effectively improve the efficiency of the spectral induced polarization method. In this article, we have carried out theoretical calculations and a simulation to prove the feasibility of such a method.     

多道瞬变电磁法共中心点道集数据联合反演

多道瞬变电磁法是目前地面资源勘查领域的研究热点,开展该方法观测数据的一维反演对完成装备研发及技术推广具有积极的推动作用.针对多道瞬变电磁法特殊的源波形和数据采集方式,本文对多道瞬变电磁数据的响应提取和一维反演进行了研究.首先,采用反卷积方法从伪随机二进制序列全波形响应数据中提取大地脉冲响应.为了避免脉冲响应中空气波的干扰,提出采用反向积分算法,把脉冲响应转换成下降沿阶跃响应,并将其整理成共中点道集.最后,为充分利用各个偏移距下的响应数据对不同深度范围目标体的分辨能力,采用基于OCCAM算法的联合反演方法对共中心点道集数据进行联合反演.结果表明在不同目标体深度以及有噪声干扰的情况下,共中心点道集数据联合反演计算均可获得较好的结果.     

伪随机编码源激发下的时域电磁信号合成

将伪随机编码技术引入到人工源电磁法后,可以通过加大发射功率以及应用后续的相关处理技术来达到压制噪声、加大探测深度及提高分辨率的目的,因此引起了越来越多学者的关注及研究,但大多数研究集中在资料处理的相关技术上,对模拟电磁信号关注较少.然而,资料处理工作大多是从电磁信号出发的,模拟伪随机编码源激发下的电磁信号不但可以为资料处理环节提供理论数据,而且可以为检测资料处理的效果提供中间结果,因此,模拟电磁信号工作必不可少.本文根据获得接收信号的物理过程来实现伪随机编码源激发下的电磁信号合成.首先用解析公式获得特定地电结构的大地频率域响应,然后通过余弦变换得到时间域阶跃响应,接下来用阶跃响应的时间导数得到大地脉冲响应,通过将大地脉冲响应与伪随机编码源的褶积得到理想接收信号,最后,用低通滤波器来模拟发射设备和接收设备的频带限制,将之和噪声一起加到理想接收信号上,最终模拟出仿真的合成信号.通过和野外实际接收信号对比发现本文合成信号仿真度较高,可以服务于后续的数据处理环节.     

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.     

编码电磁测深

利用逆重复M序列伪随机信号良好的自相关特性,提出相关检测地电传输特性的编码电磁勘探法.分析了编码电磁测深原理及参数提取方法.同时记录发送电流信号和多收发距电磁场响应,对源信号和场信号进行相关运算,解卷积分离接收系统响应后可得到大地的频率特性或时间特性,以此实现地电断面的精细探测.在时间域,大地冲激响应和阶跃响应含有丰富的地电信息.通过冲激响应的峰值时间或阶跃响应的晚期渐近值可估计地电阻率分布.基于层状模型的大地冲激响应和阶跃响应正演计算结果表明,编码电磁测深法对大埋深薄层目标体有精细的分辨能力.可应用于能源、矿产资源、水资源、环境地质及工程地质勘察,有良好的应用前景.     

分形脉冲反褶积方法

解地震反演问题的脉冲反褶积方法是基于反射系数白噪和子波为最小相位的假设下提出的．近几年的研究证明反射系数并不都是白噪,而是某种分形噪声,如果用一类分形反褶积方法,则将地震反演问题化为难以求解的非线性方程组．本文用反射系数的分形性质,推导出一个更为简单易解的线性方程组,称为分形脉冲反褶积．数值计算表明,本文的方法是有效的．     

IDENTIFICATION OF SEISMIC REFLECTIONS USING SINGULAR VALUE DECOMPOSITION*

Singular value decomposition (SVD) is applied to the identification of seismic reflections by using two different models: the impulse response model, where a seismic trace is assumed to consist of a known signal pulse convolved with a reflection coefficient series plus noise, and the delayed pulse model, where the seismic signal is assumed to consist of a small number of delayed pulses of known shape and with unknown amplitudes and arrival times. SVD clearly shows how least-squares estimation of the reflection coefficients may become unstable, since a division by the singular values is required. Two methods for stabilizing this procedure are investigated. The inverse of the singular values may be replaced by zeros when they are less than a given threshold. This is called the SVD cut-off method. Alternatively, we may use ridge regression which in filter design corresponds to assuming white noise. Statistical methods are used to compute an optimal SVD cut-off level and also to compute an optimal weighting parameter in ridge regression. Numerical studies indicate that the use of SVD cut-off or ridge regression stabilizes the least-squares procedure, but that the results are inferior to maximum-likelihood estimation where the noise is assumed to be filtered white noise. For the delayed pulse model, we use a linearization procedure to iteratively update the estimates of both the reflection amplitudes and the arrival times. In each step, the optimal SVD cut-off method is used. Confidence regions for the estimated reflection amplitudes and arrival times are also computed. Synthetic data examples demonstrate the effectiveness of this method. In a real data example, the maximum-likelihood method assuming an impulse response model is first used to obtain initial estimates of the number of reflections and their amplitudes and traveltimes. Then the iterative procedure is used to obtain improved estimates of the reflection amplitudes and traveltimes.     

基于鬼波衰减与非平稳多阶差分地震拓频技术的研究与应用

高分辨率地震资料可以达到更精细的井震标定结果,能更清晰地进行构造解释与储层刻画,同时对薄层具有更好的识别能力。为提高地震分辨率,需要对地震数据进行拓频处理。常规地震拓频方法通常在频率域进行,易受到高频噪音影响,降低资料可靠性。本文提出一种基于鬼波处理与多阶差分结合的时域拓频技术,仅通过原始地震道数次积分与差分运算便能拓宽地震频带,积分及差分结果在高斯窗口内进行振幅匹配以保证处理前后振幅一致性。与差分结果进行加权融合,高阶差分设置较小权值以避免高频噪声的影响,提高算法的抗噪性。本理论模型及实际地震资料处理分析结果表明,该方法能有效提高地震资料分辨率。      

A numerical comparison of time and frequency‐domain marine electromagnetic methods for hydrocarbon exploration in shallow water

In shallow water the frequency domain controlled source electromagnetic method is subject to airwave saturation that strongly limits the sensitivity to resistive hydrocarbon targets at depth. It has been suggested that time‐domain CSEM may offer an improved sensitivity and resolution of these deep targets in the presence of the airwave. In order to examine and test these claims, this work presents a side‐by‐side investigation of both methods with a main focus on practical considerations, and how these effect the resolution of a hydrocarbon reservoir. Synthetic noisy data for both time‐domain and frequency domain methods are simulated using a realistic frequency dependent noise model and frequency dependent scaling for representative source waveforms. The synthetic data studied here include the frequency domain response from a compact broadband waveform, the time‐domain step‐response from a low‐frequency square wave and the time‐domain impulse response obtained from pseudo‐random binary sequences. These data are used in a systematic resolution study of each method as a function of water‐depth, relative noise and stacking length. The results indicate that the broadband frequency domain data have the best resolution for a given stacking time, whereas the time‐domain data require prohibitively longer stacking times to achieve similar resolution.