Hilbert-Huang变换与傅里叶变换在大地电磁数据处理中的适用性分析

Hilbert-Huang变换(HHT)和傅立叶变换是目前广发应用于大地电磁(MT)信号处理的两种算法,但两种方法在MT信号的处理中的适用性研究却鲜有报道.文章以仿真平稳信号、加噪信号、非平稳信号和实测大地电磁信号为例,从准确性、稳定性、计算效率等几个方面比较了两种算法在大地电磁信号处理中的适用性.结果表明:傅立叶变换对于无噪平稳信号的分析,其分辨率和准确性很高,且计算速度快,适合海量大地电磁测深数据的处理;HHT算法具有时频分析和滤除高频分量的能力,能精确的刻画信号能量随时间和频率的分布,且抗噪声性能好,在MT数据筛选和去噪等方面有优势;基于HHT边际谱的功率谱估计更适合MT信号非平稳特性的实质,但其计算效率低,是制约其工程应用的瓶颈问题.     

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.     

大地电磁测深反演方法现状与评述

如何通过改进大地电磁测深(MT)反演方法来提高数据解释的精确度一直都是大地电磁测深研究领域的重要课题.本文以作者所在研究组从事的科研项目为依托,介绍了国内外主要的大地电磁反演方法.通过总结将反演方法分为定性近似反演方法、基于目标函数的线性或非线性选代反演方法和全局搜索最优反演方法三大类,并从目标函数构建、灵敏度矩阵计算...     

希尔伯特-黄变换在海底大地电磁测深数据处理中的应用

海水运动产生的电磁场,是海底大地电磁探测数据中的主要噪声之一,影响了数据处理与解释的精度.为提高海底MT探测的应用效果,本文在海底MT信号处理中引入HHT时频分析方法.结合海底MT噪声的特点与海底MT信号的特性,对南海实测数据进行分析,通过对比去噪前后信号的Hilbert时-频谱和边际谱,表明利用经验模态分解及其多尺度滤波特性,能够有效压制海水运动产生的电磁噪声.经HHT去噪后的测深曲线在一定程度上有所改善,仍存在"飞点"现象;再结合Robust估计,明显改善海底大地电磁探测数据质量,得到满意的观测结果.     

Ricker子波核最小二乘支持向量机在地震勘探信号去噪应用中的参数设置研究

最小二乘支持向量机（LS-SVM）用于拟合回归处理时的参数设置一直是一个难题,它会受到信号类型和强度、核函数类型、噪声强度、计算精度要求等因素的影响.本文针对Ricker子波核LS-SVM去除地震勘探信号中随机噪声问题,讨论和分析了向量机参数、核参数对去噪性能的影响.实验表明,核参数f可取为地震记录的主频,不能较准确估计时宁大勿小;向量机参数γ只要不取得过小,一般情况下都是能接受的.采用此方法对含不同强度噪声的地震勘探信号进行了去噪处理.     

基于支持向量机和小波包的金属矿床地震数据去噪

针对深部找矿地震资料信噪比很低的问题,结合小波包和支持向量机的理论,提出了一种新的去噪算法.该算法首先从地震资料中找出噪声干扰极小的和噪声很强的数据,利用支持向量机进行训练学习,提取噪声和有效信号的样本特征.然后将地震资料实施小波包变换得到更加精细和不同频带的信号,利用支持向量机训练出的样本特征对小波包变换后的数据进行...     

基于ε-SVR的滑坡位移预测

我国是一个地质灾害多发的国家,特别是滑坡发生的次数比较多、危害性比较大。因此对滑坡的位移进行监控预测有着十分重要的意义。对于滑坡位移变化的非线性问题,可以利用支持向量机在回归分析中的方法——ε-支持向量回归机（ε-SVR）进行预测,该方法基于统计学理论,在处理小样本、非线性、高维数等问题上有一定的优势。以福建八尺门滑坡的监测数据为例,将前面的17个位移数据作为学习样本,后面的6个位移数据作为预测样本,采用不同的核函数分别进行位移预测来与原始监测值进行对比,比较其预测精度。结果显示,该方法产生的预测值与原始监测值之间的误差比较小,其位移变化趋势与原始数据的变化趋势也基本一致,这说明该方法预测精度高,实用性强。     

庐枞矿集区大地电磁法的远参考效果研究

庐枞矿集区大地电磁测深(MT)数据受强烈的工业、通讯、矿山、民用等电磁干扰,致使资料数据离差大、曲线形态畸变、可信度差,本文从大地电磁测深张量阻抗计算表达式出发,分析了噪声对张量阻抗估计产生的影响.选用本区质量较好的MT数据作为"远参考点",应用远参考方法处理庐枞MT数据,研究其对卡尼亚电阻率-相位曲线的改善效果,以及对数据相干度和信噪比的改善效果,并提出磁场信号的相关性是远参考处理的关键因素.     

实数编码遗传算法在大地电磁测深二维反演中的应用

作为全局非线性优化的新方法之一的遗传算法,近年来已从生物工程流行到大地电磁测深资料解释中.然而,大地电磁反演问题具有不适定性,解的非唯一性.通过结合求解不适定问题的Tikhonov正则化方法,本文采用实数编码遗传算法求解大地电磁二维反演问题.此算法在构建目标函数时引入正则化的思想,利用遗传算法求解最优化问题.常规的基于局部线性化的最优化反演方法易使解陷入局部极小值,而且严重的依赖初始模型的选择.与传统线性化的迭代反演方法相比,实数编码遗传算法能够克服传统方法的不足且能获得更好的反演结果.通过对大地电磁测深理论模型进行计算,结果表明:该算法具有收敛速度快、解的精度高和避免出现早熟等优点,可用于大地电磁资料解释.     

Hilbert-Huang 变换与大地电磁噪声压制

大地电磁信号具有非线性、非平稳、非最小相位特征,不符合以Fourier变换为基础的传统功率谱估计的基本要求. Hilbert-Huang变换是近年发展起来的处理非线性、非平稳信号的完全局部时频分析方法. 本文在简要介绍Hilbert-Huang变换基本原理与算法基础上,以实际数据分析为例,探讨了它在大地电磁信号处理及噪声压制中的应用. 提出利用Hilbert时-频能量谱对大地电磁信号进行时段筛选,以提高信号品质,增强数据处理的质量和资料的可解释性. 利用经验模态分解方法及其多尺度滤波特征,可以有效地分析MT信号中的噪声分布特征,并进行干扰压制.     

大地电磁三维反演方法综述

大地电磁测深（MT）资料的三维正、反演问题,已成为国际地球内部电磁感应领域研究的前沿课题.文中从算法思想方面简要地介绍了当前国内外MT三维反演的几种主要方法,探讨了今后MT三维反演研究的方向.     

基于GIS技术的大地电磁测深数据库系统设计与实现

大地电磁(Megnetotelluric,简称MT)测深数据子库是中国岩石圈三维结构数据库所属子库之一。本文阐述了结合GIS技术开发大地电磁测深数据库管理系统的必要性。讨论了新型大地电磁测深数据库及基于GIS平台的数据库管理系统的总体设计思想。在分析原ACCESS大地电磁测深数据库所存在问题的基础上,建立新的MT数据库实体-关系模型,并进一步把原有的MT数据库改造为SQL Server 2000数据库;同时,开发了基于GIS的MT数据库管理系统。本文介绍了基于GIS的MT数据库管理系统所具有的功能。     

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.     

大地电磁测深资料的二次函数逼近非线性反演

将二次函数逼近非线性优化首次应用于大地电磁测深反演问题,该反演方法利用二次函数有唯一最小值的特点进行逼近大地电磁反演模型,从而避免了常规的迭代反演过程中陷入局部极小问题,实现了对目标函数求全局极小,较好地解决了非唯一性问题;同时该方法不用求灵敏度矩阵,且对初始模型无任何要求。通过理论模型检验、井旁MT点反演结果与测井曲线的对比及MT测线的反演电阻率深度剖面与地震测线的时间剖面对比均表明,本文方法取得较好的应用效果。     

不同参数条件下远参考大地电磁处理效果对比分析

研究了在不同噪声强度、不同参考道、噪声仅存在基站或参考站时,远参考处理对测深曲线的影响.通过对标准时间序列进行仿真模拟,发现基站含不同信噪比的非相关噪声,远参考大地电磁对测深曲线提升效果不一:高信噪比(SNR=10.58 d B)条件下,远参考大地电磁能够较完美的恢复测深曲线,低信噪比(SNR=0.2 d B)条件下,远参考大地电磁对测深曲线质量提升效果有限;相同噪声仅存在于基站或者参考站对资料处理效果有区别:噪声仅存在于参考站的处理效果比仅存在于基站的效果要好;参考站无噪声情况下,电道或者磁道作为参考道对处理结果影响不大;基站与参考站之间的磁场相关性、基站磁场噪声与参考站磁场的非相关性与远参考处理效果关系密切.通过对实际资料的计算也有上述结论.     

高阶统计量在大地电磁测深数据处理中的应用研究

在大地电磁（MT）测深法中,大地电磁响应函数经常出现个别频点分散、误差棒较大、形态异常等现象,在作反演解释时,许多地质特征难以有效提取出来,这些问题严重阻碍了MT的实际应用效能和发展.本文利用高阶统计量方法检验了MT信号的高斯性. 结果表明,MT信号是非高斯的. 根据任何高斯过程,其高阶统计量（高阶累积量,高阶谱）均为零的性质,通过信号的高阶谱恢复功率谱,再由功率谱估算MT响应函数,能有效抑制高斯有色噪声的影响,提高MT资料的处理质量. 从应用效果看,这种方法在抑制高斯有色噪声、提取信号中有用信息方面优于传统功率谱方法.     

考虑电流型畸变的大地电磁三维反演

大地电磁测深(MT)的观测数据易受到由近地表小尺度非均匀体或地形起伏引起的电流型畸变干扰,消除或压制这种干扰对获取可靠的深部电性结构至关重要.当区域结构为二维时,电流型畸变可采用张量分解等方法予以消除或压制.当区域结构为三维时,畸变问题更加复杂和严重,传统张量分解方法往往效果不佳或无效,严重地制约了MT三维反演技术的实用性.对此,本文提出一种考虑电流型畸变的MT三维反演算法,将完整的电流型畸变参数引入到目标函数,并采用非线性共轭梯度法与电阻率参数同时反演,从而达到压制畸变的目的.该算法有两个关键点:一是通过分析实测数据所遭受畸变的分布特征,在目标函数中对其进行有效约束;二是在迭代过程中,通过自适应地调整双正则化因子保障算法的稳定和效率.理论模型测试结果显示,常规三维反演算法不能合理解释数据中的畸变成分,而只能通过引入虚假异常体强制地拟合受畸变数据,从而造成电阻率模型严重失真.与之相比,本文算法能够在反演中自动求解各测点所受到的畸变,获得更接近真实的电阻率模型.     

相位张量分析约束下的大地电磁测深阻抗张量分解方法研究

由于浅部、局部不均匀三维异常体的影响,大地电磁测深(Magnetotelluric,MT)观测数据往往需要进行畸变校正.本文针对相位张量不受局部电场畸变影响的特点,研究相位张量分析约束下的大地电磁测深(MT)阻抗张量GB(Groom-Bailey)分解方法.分析由相位张量得到的相关参数,结合初步电性结构维性判断及二维或近似二维电性结构条件下电性主轴方向等信息,设计较合理的GB阻抗张量分解初始模型,提高GB算法的稳定性及可靠性.同时,在传统GB分解求解模型的基础上,将各向异性参数引入目标函数,并采用共轭梯度法进行模型的最优化求解.理论数据计算结果表明,MT阻抗张量GB分解方法的计算结果,依赖于初始模型中电性主轴角、阻抗张量值等参数的选择,相位张量分析约束下的GB分解方法能有效改善算法的稳定性和计算结果的可靠性.此外,研究表明,在合理的初始模型选择下,较之传统的GB分解方法,尽管各向异性参数仍旧无法求出,但带各向异性参数的GB分解方法在计算效率和结果可靠性方面均具有一定的优势.选择实际大地电磁测深点数据进行方法验证,取得了理想的电性分析结果.     

大地电磁全张量响应的一维各向异性反演

目前大地电磁(MT)测深资料反演主要基于各向同性介质,但随着MT实际应用的需要,各向异性研究已逐渐引起关注.我们采用广泛应用的广义逆法对一维MT水平层状各向异性介质模型反演进行了探索性研究,并实现了MT全张量响应(即所有的阻抗张量的视电阻率和相位)的一维各向异性反演.理论模型试验表明,无论理论观测值中是否含有噪声,这种方法都能够较好地恢复真实模型,验证了其正确性和有效性.将此方法用于MT实测资料时,能够同时拟合4对视电阻率和阻抗相位曲线,说明本方法可以用于实测资料的处理解释,具有一定的实用价值.     

广义S变换及其在大地电磁测深数据处理中的应用

广义S变换是一种优于短时窗傅立叶变换和小波变换的时频分析方法,利用广义S变换能够准确定位大地电磁资料中存在的噪声,通过定义时频窗对噪声进行滤除,从而明显提高阻抗视电阻率与相位的估算质量.本文基于S变换和大地电磁测深资料处理的基本原理,研究了基于广义S变换的大地电磁测深资料的处理流程和方法.对理论模拟信号及实测大地电磁场时间序列数据的处理,证实了方法的有效性.