CN105938205A - 一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成方法与装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成方法与装置，涉及煤田水文地质与地球物理领域，包括：根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号；获得大地脉冲响应；通过低通滤波器得到记录***的仪器响应；获得噪声信号；根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录。能够预测出***所观测的信号，通过所预测出来的观测信号，掌握对地质构造的先验信息。

Description

一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成方法与装置

技术领域

本发明涉及煤田水文地质与地球物理领域，具体涉及一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成方法与装置。

背景技术

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic，简称TEM)，是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。传统瞬变电法(TEM)是利用回线或者接地导线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质感应产生的随时间变化的二次场，来达到寻找地质目标体的一种地球物理勘探方法。该方法发射波信号频带宽、频谱信息丰富，一次激发便可覆盖探测所需的频段，大大提高了工作效率。但是，常规瞬变电磁法信号弱，易受干扰，探测深度一般只有500m，资料处理也主要限于单道处理，还不能很好适应开展第二空间探矿的需求。

发展深部探测和偏移成像精细解释成为目前的研究热点。经过多次试验和研究，英国爱丁堡大学的Wright和Ziolkowski等提出了多道瞬变电磁(Multi-channelTransient Electromagnetic method，简称MTEM)的概念和探测油气目标体的相关技术。它借鉴油气勘探中的地震技术，采用电性源多次发射，阵列式多道接收多次覆盖的全波场信息，可以对数据进行类地震处理，在同等发射强度的条件下大幅度提高探测精度和深度，使探测深度达到2000m以上。这种方法与传统的瞬变电磁法不同，主要表现为：(1)采用接地源形式；(2)编码发射；(3)多道观测，在测量感应电压的同时，测量发送电流；(4)通过对接收电压与发送电流进行反卷积，得到大地脉冲响应，进行类地震资料处理.

在***性地研究多道瞬变电磁(MTEM)深部探矿技术之前，很有必要通过合成的方式得到MTEM的接收波形记录，以推进方法的发展。

若将大地看成线性时不变***，则多道瞬变电磁***采集到的响应信号可以表达成如下形式：

a_k(x_s,x_r,t)＝i(k,x_s,t)*r(x_r,t)*g(x_s,x_r,t)+n(x_r,t)

其中，a_k(x_s,x_r,t)表示接收到的总响应，i(k,x_s,t)表示源电流，r(x_r,t)表示记录***的***响应，k代表第k次数据采集，g(x_s,x_r,t)为大地脉冲响应，n(x_r,t)为噪声，x_s为发射源位置，x_r为接收机位置，t为时间。

在常规的研究和信号处理中，总是对MTEM***采集到的响应信号首先经过去噪处理，去除n(x_r,t)，然后通过解卷积的方式，根据观测信号a_k(x_s,x_r,t)和i(k,x_s,t)，获得大地脉冲响应g(x_s,x_r,t)。根据大地脉冲响应来推测地质构造。

发明内容

本发明提供一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成方法与装置，在地质断面和噪声源已知的情况下，能够预测出***所观测的信号。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成方法，包括：

根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号；

获得大地脉冲响应；

通过低通滤波器得到记录***的仪器响应；

获得噪声信号；

根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录。

可选地，根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号包括：

查表获得伪随机码的特征多项式；

利用特征多项式求取序列多项式；

根据序列多项式计算出伪随机码的编码；

根据伪随机码编码获得发射源信号。

可选地，获得大地脉冲响应包括：

在频率域计算大地的响应；

通过频率域向时间域的变换得到大地的阶跃响应；

通过计算阶跃响应的导数得到大地的脉冲响应。

可选地，通过低通滤波器得到记录***的仪器响应包括：

通过计算海明窗口函数的低通滤波器响应得到记录***的仪器响应。

可选地，根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录包括：

利用如下公式计算获得多道瞬变电磁法的接收波形记录：

a_k(x_s,x_r,t)＝i(k,x_s,t)*r(x_r,t)*g(x_s,x_r,t)+n(x_r,t)

其中，i(k,x_s,t)表示发射源信号，r(x_r,t)表示仪器响应，g(x_s,x_r,t)表示大地脉冲响应，n(x_r,t)表示噪声信号，k表示第k次数据采集，x_s为发射源位置，x_r为接收机位置，t为时间。

本发明还提供一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成装置，包括：

发射源模块，用于根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号；

大地脉冲模块，用于获得大地脉冲响应；

仪器响应模块，用于给通过低通滤波器得到记录***的仪器响应；

噪声模块，用于获得噪声信号；

合成模块，用于根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录。

可选地，所述发射源模块所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号是指：

查表获得伪随机码的特征多项式；

利用特征多项式求取序列多项式；

根据序列多项式计算出伪随机码的编码；

根据伪随机码编码获得发射源信号。

可选地，所述大地脉冲模块获得大地脉冲响应是指：

在频率域计算大地的响应；

通过频率域向时间域的变换得到大地的阶跃响应；

通过计算阶跃响应的导数得到大地的脉冲响应。

可选地，所述仪器响应模块通过低通滤波器得到记录***的仪器响应是指：

通过计算海明窗口函数的低通滤波器响应得到记录***的仪器响应。

可选地，所述合成模块根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录是指：

利用如下公式计算获得多道瞬变电磁法波场的***响应信号：

a_k(x_s,x_r,t)＝i(k,x_s,t)*r(x_r,t)*g(x_s,x_r,t)+n(x_r,t)

其中，i(k,x_s,t)表示发射源信号，r(x_r,t)表示仪器响应，g(x_s,x_r,t)表示大地脉冲响应，n(x_r,t)表示噪声信号，k表示第k次数据采集，x_s为发射源位置，x_r为接收机位置，t为时间。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的方法和装置，在地质断面和噪声源已知的情况下，能够预测出***所观测的信号， 通过所预测出来的观测信号，掌握对地质构造的先验信息。

附图说明

图1是本发明实施例的多道瞬变电磁法接收波形记录合成方法的流程图；

图2是本发明实施例的多道瞬变电磁法接收波形记录合成装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的移位寄存器产生的部分伪随机信号及其频谱示意图；

图4是本发明实施例的有限元法得到的频率域曲线响应与解析解的对比示意图；

图5是本发明实施例的时间域2D M-TEM正演模拟结果和解析解的对比示意图；

图6是本发明实施例的低通滤波器的特性曲线示意图；

图7是本发明实施例的4阶伪随机源激发下考虑仪器带限的的接收波形记录(信号)示意图；

其中图7a为以4阶伪随机源为激发源的接收波形记录(信号)示意图；

图8是本发明实施例的4阶伪随机源激发下考虑噪声的仪器信号示意图；

图9是本发明实施例的不同收发距的部分接收信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成方法，包括：

根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号；

获得大地脉冲响应；

通过低通滤波器得到记录***的仪器响应；

获得噪声信号；

根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录。

根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号包括：

查表获得伪随机码的特征多项式；

利用特征多项式求取序列多项式；

根据序列多项式计算出伪随机码的编码；

根据伪随机码编码获得发射源信号。

获得大地脉冲响应包括：

在频率域计算大地的响应；

通过频率域向时间域的变换得到大地的阶跃响应；

通过计算阶跃响应的导数得到大地的脉冲响应。

在频率域计算大地的响应时，使用有限元法。

通过低通滤波器得到记录***的仪器响应包括：

通过计算海明窗口函数的低通滤波器响应得到记录***的仪器响应。

海明窗口函数的低通滤波器等同于仪器的带限作用。

本发明实施例可以利用随机函数，生成不同水平的白噪声信号，作为噪声信号。

根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录包括：

利用如下公式计算获得多道瞬变电磁法波场的***响应信号：

a_k(x_s,x_r,t)＝i(k,x_s,t)*r(x_r,t)*g(x_s,x_r,t)+n(x_r,t)

其中，i(k,x_s,t)表示发射源信号，r(x_r,t)表示仪器响应，g(x_s,x_r,t)表示大地脉冲响应，n(x_r,t)表示噪声信号，k表示第k次数据采集，x_s为发射源位置，x_r为接收机位置，t为时间。

如图2所示，本发明实施例还提供一种多道瞬变电磁法波场合成装置，包括：

发射源模块，用于根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号；

大地脉冲模块，用于获得大地脉冲响应；

仪器响应模块，用于给通过低通滤波器得到记录***的仪器响应；

噪声模块，用于获得噪声信号；

合成模块，用于根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录。

所述所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号是指：

查表获得伪随机码的特征多项式；

利用特征多项式求取序列多项式；

根据序列多项式计算出伪随机码的编码；

根据伪随机码编码获得发射源信号。

所述大地脉冲模块获得大地脉冲响应是指：

在频率域计算大地的响应；

通过频率域向时间域的变换得到大地的阶跃响应；

通过计算阶跃响应的导数得到大地的脉冲响应。

所述仪器响应模块通过低通滤波器得到记录***的仪器响应是指：

通过计算海明窗口函数的低通滤波器响应得到记录***的仪器响应。

所述合成模块根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录是指：

利用如下公式计算获得多道瞬变电磁法波场的***响应信号：

a_k(x_s,x_r,t)＝i(k,x_s,t)*r(x_r,t)*g(x_s,x_r,t)+n(x_r,t)

其中，i(k,x_s,t)表示发射源信号，r(x_r,t)表示仪器响应，g(x_s,x_r,t)表示大地脉冲响应，n(x_r,t)表示噪声信号，k表示第k次数据采集，x_s为发射源位置，x_r为接收机位置，t为时间。

实施例一

1、发射源信号：

一个移位寄存器序列{a_n}＝a₀,a₁,a₂,a₃,....与一个序列多项式

$G\left(x\right)=a_0\⊕a_{1}x\⊕a_2{x}^2\⊕...=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{a}_n{x}^n$

之间是一一对应的。其中，X为位移运算符号。即a_kx表示将a_k位移一位，而a_kx²表示将a_k位移两位。

序列多项式G(x)与特征多项式F(x)具有如下关系

$G\left(x\right)=\frac{1}{F\left(x\right)}$

本发明实施例直接利用特征多项式来求序列多项式。通过查表可查到不同阶伪随机码的特征多项式，从而可以计算出伪随机码的编码形式。

图3a是用上面的方法得到的12级移位寄存器的部分伪随机编码信号示意图，该信号的码元个数为4095个，周期为0.0625s，每个码元的持续时间为1.52588E-05s。图3b将(a)的信号经FFT得到的频谱示意图，为对16个周期的信号进行采样，采样率为64k，用快速付氏变换得到的频谱，图3c将图3b的频谱经逆FFT得到的信号示意图，从图3c可以看出，该信号在8192Hz范围内，各个频点的频谱幅值接近水平，与-函数的频谱响应接近。图3c是将频谱通过付氏反变换得到的信号，对比图3a和图3c，二者是一致的，验证了所用的快速付氏变换程序的正确性。

2、大地脉冲响应：

大地脉冲响应是通过先在频率域计算大地的响应，然后通过频率域向时间域的变换来得到大 地的阶跃响应，最后通过计算阶跃响应的导数来得到大地的脉冲响应。

假定地下电性结构是二维的，将原点取在地面上，走向方向为x轴，垂直向下的方向为z轴，位于地面与x轴垂直的方向为y轴，外加源的方向为x方向，此时只存在不随走向而变的x方向的电场，若电磁场的时间因子为e^-iωt，含源麦克斯韦方程可写为：

$\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{1}{i\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}}\frac{\∂u}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{1}{i\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}}\frac{\∂u}{\∂z}\right)+(\mathrm{\σ}-i\mathrm{\ω}\mathrm{\ϵ})u=-J_{cx}$

其中，u＝E_x，E_x是电场矢量，J_cx是外加源矢量，ω是角频率，μ是介质的磁导率，σ是电导率，ω为圆频率。

其满足的外边界条件为：

$\frac{\∂u}{\∂n}+kcos\mathrm{\θ}u=0$

其中，k为地层中的波数，ε为介电常数。

边值问题可写为等价的变分形式，

其中，q＝σ-iωε，g＝-J_cx,θ为源到边界上任一点的矢径与边界法线方向的夹角，积分路径DABC与DEFC构成了外边界，其包围的区域为Ω。

使用有限元法求解，将区域为Ω划分成一系列的矩形单元，用双线性插值函数来近似表示小单元内的场值。最终得到线性方程组：

KU＝P

通过解线性方程便可得到每个单元结点上的场值。

选用余弦变换作为从频率域向时间域转换的工具，为了得到1s内的时间响应结果，使它适用于不同时间点的计算(因为不同的时间点所用的频带宽度不同)。

图4为100Ohm-m的均匀半空间时，距源964m处的电场与磁场的频率域响应曲线，其中，图4a为距源964m处的Ex电场曲线示意图，图4b距源964m处的Hy磁场；图5为该点处的脉冲响应曲线，其中，图5a为电场阶跃响应示意图；图5b为磁场阶跃响应示意图；图5c电场脉冲响应示意图；图5d磁场脉冲响应。

两图中离散点均为2D有限元的计算结果，实线为解析解。

从两图可以看出，不管是大地的阶跃响应，还是大地的脉冲响应，二者的吻合程度非常高，说明2D有限元算法及改造的余弦变换程序是正确的。

3、仪器响应：

仪器是有频带限制的，即接收器的频带宽度是有限的，所以合成接收信号时需考虑带限的影响。带限的影响相当于一个低通滤波器，可以设计得到。

低通滤波器的设计方法有多种，不同的方法得到的滤波器的旁瓣幅值大小以及从主瓣到旁瓣的过渡带宽度不同。理想滤波器是过渡带尽可能窄，旁瓣幅值尽可能小，以减小能量的泄露，使能量尽可能地保留在主瓣内。本文选用海明窗函数法，因为海明窗可将99.963％的能量集中在窗谱的主瓣内，旁瓣的峰值小于主瓣峰值的1％。阻带最小衰减为35dB。

本发明实施例使用的滤波器，通带为8192Hz，阻带为9600Hz。理想的低通滤波器如图6a所示，通带内的信号可以通过，通带外全是阻带，阻带内的信号全部被滤除。理想的低通滤波器相应的时间域信号如图6b中的黑实线所示(实际为无限信号，为了和加窗后的信号相比，只显示了其中的一部分)，图6c是海明窗的形态，海明窗的谱如图6e所示。用海明窗对图6b中的信号进行截断，截断后的信号如图6b中的红色离散点所示，加窗后的信号变换到频率域，即为图6d所示，相对于理想低通滤波器图6a，出现了通带与阻带之间的过滤带，阻带也出现了小幅振荡(因其相对于主瓣来说，能量较小，振荡不明显，若放大该部分，可以看到振荡现象)。可以看出其过渡带较窄，阻带能量泄漏也很小，所以设计的滤波器是一个性能优良的滤波器。

用上述滤波器来模拟仪器的带限影响，可以得到仪器响应。

以4阶伪随机源为激发源(7a)，和由2D M-TEM正演程序得到的大地脉冲响应(见图7d和图7e)做褶积，得到的电场和磁场的理想信号分别如图7b和图7d所示。考虑了带限影响的电场和磁场信号分别如图7c和7e所示。从这些图可以看出，不加带限前，信号比较平滑，加了带限后，信号出现了一些毛刺状的干扰。

4、噪声信号：

在信号中加入不同水平的白噪声后，信号出现了扰动，如图8所示。当噪声较小(噪音水平为5％)时，对信号的干扰不明显，但当噪声达到10％时，对信号的干扰明显显现。其中图8a为考虑带限的Ex接收信号的示意图；图8b为考虑带限的Hy接收信号的示意图；图8c为加5％噪声的Ex接收信号示意图；图8d为加5％噪声的Hy接收信号的示意图；图8e为加10％噪声的Ex接收信号的示意图，图8f为加10％噪声的Ex接收信号的示意图。

实施例二

针对2015年在张北进行的试验装置做了数据模拟。给定电阻率是100ohm-m的均匀半空间模型，用一个长度是300m的发射源发射一个12阶的伪随机码作为输入信号，分别在偏移距是300m和2700m的地方接收信号，模拟仪器接收的信号如图9所示。为了和实际采集信号作对比，使用1024Hz作为基频，用16kHz采样，这样发射一个周期的源大约为4秒，图9像是其中的一部分，图9a为计算的偏移距是300m时Ex部分接收信号的示意图；图9b为实测的偏移距是300m时Ex部分接收信号的示意图；图9c为计算的偏移距是2700m时Ex部分接收信号的示意图；图9d为实测的偏移距是2700m时Ex部分接收信号的示意图。

从上面的计算结果可以看出计算的信号与实测的信号有一定的相似度，二者不完全一致的原因是地下介质不同，计算模拟信号用的介质为均匀半空间，实侧资料下面是层状结构，虽然如此，不同偏移距的信号相似性说明信号合成是正确的。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成方法，其特征在于，包括：

根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号；

获得大地脉冲响应；

通过低通滤波器得到记录***的仪器响应；

获得噪声信号；

根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号包括：

查表获得伪随机码的特征多项式；

利用特征多项式求取序列多项式；

根据序列多项式计算出伪随机码的编码；

根据伪随机码编码获得发射源信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：获得大地脉冲响应包括：

在频率域计算大地的响应；

通过频率域向时间域的变换得到大地的阶跃响应；

通过计算阶跃响应的导数得到大地的脉冲响应。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过低通滤波器得到记录***的仪器响应包括：通过计算海明窗口函数的低通滤波器响应得到记录***的仪器响应。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录包括：

利用如下公式计算获得多道瞬变电磁法的接收波形记录：

a_k(x_s,x_r,t)＝i(k,x_s,t)*r(x_r,t)*g(x_s,x_r,t)+n(x_r,t)

其中，i(k,x_s,t)表示发射源信号，r(x_r,t)表示仪器响应，g(x_s,x_r,t)表示大地脉冲响应，n(x_r,t)表示噪声信号，k表示第k次数据采集，x_s为发射源位置，x_r为接收机位置，t为时间。

6.一种多道瞬变电磁法接收波形记录合成装置，其特征在于，包括：

发射源模块，用于根据所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号；

大地脉冲模块，用于获得大地脉冲响应；

仪器响应模块，用于给通过低通滤波器得到记录***的仪器响应；

噪声模块，用于获得噪声信号；

合成模块，用于根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述发射源模块所需移位寄存器的级数获得伪随机码发射源的编码信号是指：

查表获得伪随机码的特征多项式；

利用特征多项式求取序列多项式；

根据序列多项式计算出伪随机码的编码；

根据伪随机码编码获得发射源信号。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述大地脉冲模块获得大地脉冲响应是指：

在频率域计算大地的响应；

通过频率域向时间域的变换得到大地的阶跃响应；

通过计算阶跃响应的导数得到大地的脉冲响应。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述仪器响应模块通过低通滤波器得到记录***的仪器响应是指：

通过计算海明窗口函数的低通滤波器响应得到记录***的仪器响应。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述合成模块根据所述发射源信号、所述大地脉冲响应、所述仪器响应和所述噪声信号获得多道瞬变电磁法的接收波形记录是指：

利用如下公式计算获得多道瞬变电磁法波场的***响应信号：

a_k(x_s,x_r,t)＝i(k,x_s,t)*r(x_r,t)*g(x_s,x_r,t)+n(x_r,t)

其中，i(k,x_s,t)表示发射源信号，r(x_r,t)表示仪器响应，g(x_s,x_r,t)表示大地脉冲响应，n(x_r,t)表示噪声信号，k表示第k次数据采集，x_s为发射源位置，x_r为接收机位置，t为时间。