CN114924328B - 一种带垂直磁场参考道的城市人工源电磁勘探方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地球物理电磁勘探技术领域，提供了一种带垂直磁场参考道的城市人工源电磁勘探方法。包括：获取同一观测点的观测信号和噪声参考道信号，其中，所述观测信号为电场水平分量或磁场水平分量，所述噪声参考道信号为磁场垂直分量；获取观测信号和噪声参考道信号的时频谱，并进行相似性比对，筛选相似时频单元；对相似时频单元中的噪声参考道信号进行统计分析，确定噪声能量高于设定阈值的时频单元，剔除所述观测信号中相应位置的时频单元，并重构观测信号的时域信号；基于最小二乘反演去噪方法，对观测信号进行信噪分离。本发明中噪声参考道的观测不受周围环境影响，实施方便，且能够实现有效的信噪分离。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理电磁勘探技术领域，具体涉及一种带垂直磁场参考道的城市人工源电磁勘探方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在进行人工源电磁法探测时，随着采用的场源和观测分量的不同，以及解决实际问题所要达到的精确程度的要求不同，往往差别很大。
城市复杂环境下，由于城市探测深度往往不深，一般在埋深500m以浅，但覆盖的探测范围比较大，分辨率要求相对深部找矿较高。针对较大的探测范围，采用多个场源，不同场源探测结果进行拼接时，由于多种效应的存在，往往效果不佳，因此，可以通过选择合适的收发距，利用一个场源实现测区的全覆盖。另外，在城市强干扰环境下，较短的采集时长、强大的电磁干扰会对电磁信号质量造成较大影响。电磁场不同分量受干扰情况及抗干扰能量也不相同，在城市强干扰环境下，相比磁场，电场的抗干扰能力更好。因此，可以采用单一场源，将观测区域尽量布置在人工源的“远区”进行测量，采用单分量电场——电场水平分量(Ex)进行长时间采集的观测方式，为野外观测提供便利。
但是，经分析发现，随着观测时间的增加，数据信噪比也会增加，如果采用单分量电场进行长时间采集，再辅以基于Ex-Emin噪声参考道的去噪方法，即计算观测电场为零(此时电场值记为Emin)时观测方向所对应角度偏转，利用最小磁场与最小电场正交的特性，沿Emin观测方向的垂直方向布设磁棒，采集磁场信号，作为噪声参考道(参见CN112083508B)，的确可能获得高信噪比的电磁数据。但随着研究的深入，在城市复杂环境下受周围场地的限制，尤其当设计极距过大时，无法通过旋转的测量角度布置观测装置。
发明内容
本发明提出一种基于噪声参考道的城市人工源电磁勘探方法及***，在“远区”进行观测时，在观测点处同时采集磁场垂直分量Hz作为噪声参考道，根据Hz中几乎不包含来自人工源的电磁信号的特点，通过分析其特征，将去噪问题转化为噪声求解问题，进而实现有效的信噪分离，提高数据信噪比，同时，噪声参考道的观测不受周围环境影响。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种带垂直磁场参考道的城市人工源电磁勘探方法，包括以下步骤：
获取同一观测点的观测信号和噪声参考道信号，其中，所述观测信号为电场水平分量或磁场水平分量，所述噪声参考道信号为磁场垂直分量；
获取观测信号和噪声参考道信号的时频谱，并进行相似性比对，筛选相似时频单元；
对相似时频单元中的噪声参考道信号进行统计分析，确定噪声能量高于设定阈值的时频单元，剔除所述观测信号中相应位置的时频单元，重构获得新的时域信号；
对所述新的时域信号，基于最小二乘反演去噪方法进行信噪分离。
进一步地，获取观测信号后，若所述观测信号为电场水平分量，还进行预处理：
获取所述电场水平分量的频谱，对CSEM频率位置的幅值，根据相邻频率位置的噪声幅值进行估计，得到所述电场水平分量的估计噪声频谱，进而得到估计噪声的时间域波形；
检测所述估计噪声的时间域波形突变点，根据所述突变点，将所述时间域波形和电场水平分量分成多个连续的时间区段；
对每个所述时间区段的基线噪声进行拟合，将拟合基线噪声从相应时间区段的电场水平分量中剔除。
进一步地，对CSEM频率位置的幅值，根据相邻频率位置的幅值进行修正包括：
将每个CSEM频率位置的幅值，替换为左右相邻两个频率位置幅值的平均值，或替换为左右相邻两个频率位置幅值中的最大值。
进一步地，检测所述估计噪声的时间域波形突变点包括：
采用Haar小波检测所述估计噪声的时间域波形中的多个极大值点；
从所述多个极大值点中筛选多个大于设定阈值的极大值点，作为突变点。
进一步地，对每个所述时间区段的基线噪声进行拟合包括：
在每个时间区段，依次采用多个阶数的勒让德多项式拟合基线，并采用该时间区段的估计噪声减去拟合基线噪声，得到所述不同阶数对应的剩余噪声能量；将剩余噪声能量最低时对应的阶数作为该时间区段的最优阶，拟合该时间区段的基线噪声。
进一步地，相似性比对包括：
将观测信号和噪声参考道信号的时频谱划分时间区段；
利用感知哈希算法，分别计算所述观测信号和噪声参考道信号的时频谱在同一时间区段、同一频段内的哈希值，筛选相似时频单元。
进一步地，重构获得新的时域信号前，还剔除观测信号中非CESM频率位置相应的时频单元。
进一步地，从观测信号中剔除噪声能量高于设定阈值的时频单元，或剔除非CESM频率位置相应的时频单元，是将时频谱中这些时频单元的频域系数置为0。
进一步地，基于最小二乘反演去噪方法进行信噪分离包括求解以下超定方程组：
Ax＝b
其中，A是傅里叶正交基组成的矩阵，所述矩阵中，被剔除时频单元相对应的元素置0；x是待求频率域系数；b表示所述新的时域信号。
一个或多个实施例提供了一种带垂直磁场参考道的城市人工源电磁勘探***，包括：布设于同一观测点的观测信号采集装置和水平线圈，以及信号处理装置；其中，
所述水平线圈用于采集磁场水平分量，作为噪声参考道信号；
所述信号处理装置，用于获取观测信号和噪声参考道信号，采用上述勘探方法对观测信号进行处理。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
通过在城市复杂环境下，在观测点处同时采集“纯”噪声的磁场垂直分量Hz，作为正常观测电场或者磁场信号的噪声参考道，基于磁场垂直分量Hz与正常观测信号噪声的高度相似性和人工源信号的周期性特征进行信噪分离，解决了受场地限制无法布设其他观测点的问题，能够广泛适用于城市环境的电磁勘探。
针对电场的基线漂移现象，基于突变点将电场信号分成多个连续的时间区段，对各分段进行基线噪声拟合，从而保证了能够精准地拟合噪声局部特征；并且，针对每个分段，都采用多个阶数的勒让德多项式进行拟合，选择拟合效果最优的阶数，可以更精准拟合噪声的局部特征，进而得到更好的去噪结果。
根据Hz的时频谱，将正常观测信号中噪声能量高的异常单元置为0，同时将矩阵A对应位置的元素置为0，异常单元的位置是碎片化的，不需要剔除某一个时间段的全部数据，只需要剔除这一时段中异常的某一频率，最大限度地保留了有效频率对应的信息。
磁场的垂直分量Hz的采集装置为水平放置的线圈，无需接地，施工方便，不易受周围场地条件的限制。并且，Hz和正常观测信号同时同地采集，不受周围场地限制，应用范围广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一个或多个实施例中噪声参考道Hz的布置示意图；
图2为本发明一个或多个实施例中基于“远区”磁场垂直分量Hz为噪声参考道的城市人工源电磁勘探方法的信号处理流程图；
图3为发射电流的CSEM频率示意图；
图4为观测数据时频谱，从左到右依次为Ex原始数据、Ex去除基线后、Hz原始数据短时傅里叶变换时频谱(去掉50Hz工频)；
图5为基于参考道Hz的STFT的时频单元重构示意图；
图6为正常观测信号重构前、后时频谱对比图；
图7为电场信号去除噪声前、后归一化电场对比图；
图8为磁场信号去除噪声前、后归一化磁场对比图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在人工源电磁法中，根据收发距可以将观测区域分为近区、过渡区、远区，“远区”一般指收发距大于10倍探测深度的区域，该区域通常也称为“波区”。在“远区”观测时，磁场垂直分量Hz观测与收发距的四次方成反比，尤其是在强干扰区，有效信号微弱。相对于磁场水平分量Hy而言，二者的噪声水平相同，但是在强干扰环境下，在“远区”观测的Hz数据中噪声要远大于信号，噪声占绝对主导。因此，在强干扰区Hz可以作为剔除其他观测道(电场或者磁场分量)中噪声的参考。并且，采用水平线圈即可测量Hz，水平线圈施工方便、容易精准调平，且不需要接地，适宜在接地困难的地区工作；不需要通过改变观测方向进行采集，易于在城市中开展。
实施例一
本实施例公开了一种基于“远区”磁场垂直分量Hz为噪声参考道的城市人工源电磁勘探方法，利用水平线圈采集Hz(磁场垂直分量)作为电场或者磁场噪声参考道，在电磁勘探领域的“远区”，针对强干扰环境下的人工源电磁勘探信号进行去噪。如图1-2所示，所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取同一观测点的观测信号和噪声参考道信号，其中，所述观测信号为电场水平分量Ex或磁场水平分量Hy，所述噪声参考道信号为磁场垂直分量Hz。
电场水平分量Ex和磁场垂直分量Hz在同一位置、同一时间进行观测，噪声仍然具有高度同源性，因此，本实施例获取同一观测点的观测信号和噪声参考道信号。当然，在满足磁场水平分量Hy的采集条件的地区，Hz也可以作为Hy的噪声参考道。
为了避免磁棒在强干扰环境下进行信号采集出现数值饱和等异常情况，采用线圈采集Hz分量。具体地，观测装置布置形式如图1所示，其中，是指场源方向和场源中心点与测点连线之间的夹角，X、Y表示两个正交的坐标轴，A、B表示场源的两极。在观测点处布设一个水平线圈，采用同一台仪器的多个通道同时采集正常观测信号和磁场垂直分量Hz。
步骤2：若所述观测信号为电场水平分量，对所述电场水平分量进行处理，剔除电位漂移，然后执行步骤3；若所述观测信号为磁场水平分量，直接执行步骤3。
由于在通过电场Ex勘探时，相比磁场分量，除了含有与磁场中相同频率电磁干扰外，电场分量中可能存在电位漂移现象，因此针对电场信号，首先需要剔除信号中的电位漂移。
对所述电场水平分量进行处理具体包括以下步骤：
(1)获取所述电场水平分量的频谱，对CSEM频率位置的幅值，根据相邻频率位置的幅值进行修正，得到所述电场水平分量的估计噪声频谱，进而得到估计噪声的时间域波形。
人工源电磁信号的发射频谱如图3所示，尖脉冲位置即为CSEM频率位置，当不存在噪声干扰时，信号将只在脉冲位置存在能量，在其他频率位置幅值为零。实测接收信号中，每个尖脉冲位置，即CSEM频率位置的左右两侧均为噪声信号，因此，本实施例中为了获取准确的噪声特征，首先基于相邻频率位置的幅值，对每个CSEM频率位置的噪声幅值进行估计，具体地，可以采用左右相邻两个频率对应系数(为复数)的平均值。
具体地，通过傅里叶变换得到正常观测的电场信号的频谱；通过傅里叶逆变换根据估计噪声频谱得到估计噪声的时间域波形。
并且其中，当采用左右相邻两个频率位置幅值的平均值修正CSEM频率位置的幅值时，其它位置的幅值不变，频谱修正公式为：
其中，f为信号的频率，fs为人工源电磁勘探频率，S(f)为原始信号f频率的频域幅值。
(2)利用Haar小波检测估计噪声的时间域波形的突变点，根据所述突变点，将所述时间域波形和电场水平分量分成多个连续的时间区段；
Haar小波能够很好识别信号中的突变位置，因此我们通过Haar小波构造卷积函数来识别步骤2中估计噪声的时间域波形的突变，卷积函数计算的极大值点对应突变点，并通过给定阈值，筛选信号中大于该阈值的极大值点作为主要突变点，根据突变点的位置将估计噪声和原始Ex信号分为多个连续的时间区段。其中，Haar小波的长度决定阶跃识别的分辨率，一般来说，Haar小波越短，分辨率越高。Haar小波的长度取1/2主周期的长度，当某一段的长度小于1/8的主周期长度时，将该段与其前、后较短的区段合为一段。
(3)对每个所述时间区段中的基线噪声(主要集中在低频)进行多项式拟合，将拟合基线噪声从相应时间区段的电场水平分量中剔除。
具体地，受地下自然电位、电极极化效应等因素的影响，相对于磁场信号，电场观测信号在时间域波形上存在明显的基线漂移。而且，受周围环境随机的强人文噪声影响，基线漂移存在多处突变，并不连续。
勒让德多项式具有正交性，高阶项系数趋于零，并且增加和删除一个项对其他项没有影响。分段之后，在各个时间区段依次采用0、1、……10阶的勒让德多项式拟合基线，用该段的估计噪声减去基线，分别得到采用不同阶数的勒让德多项式时，该段剩余噪声的能量，能量最低时对应的阶数为该段的最优阶。进而采用上述判断的最优阶数的勒让德多项式拟合Ex各段的基线，在Ex中减去基线，去除基线漂移噪声。
采用动态阶数的勒让德多项式分段拟合，可以精准拟合噪声的局部特征，进而得到更好的的去噪结果。
步骤3：获取观测信号和噪声参考道信号的时频谱，并进行相似性比对，筛选相似时频单元；对相似时频单元中的噪声参考道信号进行统计分析，确定噪声能量高于设定阈值的时频单元，剔除所述观测信号中相应位置的时频单元，并重构观测信号的时域信号。
其中，所述观测信号为经处理的电场信号或磁场水平分量。基线漂移噪声主要存在于电场信号中，而磁场信号中不存在。但是无论是去除基线漂移噪声的电场信号还是原始采集的磁场信号，都存在某些随机的强干扰噪声(如脉冲、阶跃)，这些噪声会对信号质量造成较大影响。由于正常观测信号和噪声参考道Hz在同一时段同一地点采集，二者所含的噪声具有高度同源性和相似性，可以根据Hz中噪声的能量分布情况去除随机强干扰噪声的影响。去除电位漂移后的电场信号与磁场信号在电磁干扰上具有相似特征，因此我们采用相同方式处理。
所述步骤3具体包括：
步骤3.1：利用短时傅里叶变换(STFT)得到观测信号和磁场参考道Hz的时频谱；具体地，短时傅里叶变换是一种时频局部化分析方法，通过时间窗内的一段信号表示某一时刻的信号特征。如图2所示，通过短时傅里叶变换(STFT)分别获得正常观测信号和噪声参考道Hz的时频谱，窗函数选用矩形窗，窗函数长度等于一个主周期长度。
步骤3.2：利用感知哈希算法对观测信号和磁场参考道Hz的时频谱进行相似判断，剔除不相似的时频单元。本实施例中，根据二者的时频谱图的特征，利用感知哈希算法分块计算谱图在同一时间区段、同一频段内的哈希值，筛选出相似的时频单元；
步骤3.3：保留相似的时频单元信息，针对保留的时频单元，筛选出Hz中噪声能量水平高的异常单元，在观测信号中将与上述异常单元位置相同的时频单元剔除，并剔除非CSEM频率位置对应的时频单元；即，将观测信号中对应这些时频单元位置的时频谱频域系数置为0，并且，将观测信号中非CSEM频率位置对应的时频谱频域系数也置0。
具体地，用鲁棒统计分析方法判断Hz信号中同一CESM频率的离群值(如噪声能量较高、明显离群的异常单元)。
步骤3.4：基于短时傅里叶逆变换(ISTFT)将步骤3.3中修改后时频谱系数重构，获得新的时域信号。
步骤4：利用离散傅里叶逆变换矩阵中的傅里叶正交基表示步骤3得到的新的时域信号，即CSEM有效勘探信号，构建针对正常观测信号的求解矩阵A，构建超定方程组，利用最小二乘反演，获得信号与噪声对应系数，从而实现信噪分离。
其中，最小二乘反演去噪方法(参见发明专利：ZL201610410616.5；以及期刊论文：Yang Y,Li D.,Tong T.,“Denoising controlled-source electromagnetic data usingleast squares inversion”,Geophysics,2018.83(4),E229-E244.)
Ax＝b (2)
具体地，利用不同频率对应的傅里叶正交基表示CSEM有效勘探信号中不同频率成分，A是傅里叶正交基组成的矩阵，所述矩阵中，与步骤3中被剔除时频单元相对应的元素置0；x是待求频率域系数；b是时间域信号，即步骤3得到的观测信号的时域信号。
假设存在两个勘探频率，如图4所示，分别剔除了2、1个异常单元，则
N是样本点的总个数，ω＝e2πi/N，c1、c2为CSEM频率在频率域的位置，分别为F(c1)、F(c2)的复共轭。
通过公式2求解获得勘探频率对应频率域系数的最小二乘解，从而实现正常观测信号的信噪分离。
实施例二
基于实施例一种所述方法，本实施例提出了一种带垂直磁场参考道的城市人工源电磁勘探***，包括：布设于同一观测点的观测信号采集装置和水平线圈，以及信号处理装置；其中，
所述水平线圈用于采集磁场水平分量，作为噪声参考道信号；
所述信号处理装置，用于获取观测信号和噪声参考道信号，采用如实施例一所述勘探方法对观测信号进行处理。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种带垂直磁场参考道的城市人工源电磁勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取同一观测点的观测信号和噪声参考道信号，其中，所述观测信号为电场水平分量或磁场水平分量，所述噪声参考道信号为磁场垂直分量；
获取观测信号和噪声参考道信号的时频谱，并进行相似性比对，筛选相似时频单元；
对相似时频单元中的噪声参考道信号进行统计分析，确定噪声能量高于设定阈值的时频单元，剔除所述观测信号中相应位置的时频单元，重构获得新的时域信号；
对所述新的时域信号，基于最小二乘反演去噪方法进行信噪分离；
所述获取同一观测点的观测信号和噪声参考道信号具体为：在观测点处布设一个水平线圈，采用同一台仪器的多个通道同时采集观测信号和磁场垂直分量；
获取观测信号后，若所述观测信号为电场水平分量，还进行预处理：
获取所述电场水平分量的频谱，对CSEM频率位置的幅值，根据相邻频率位置的噪声幅值进行估计，得到所述电场水平分量的估计噪声频谱，进而得到估计噪声的时间域波形；
检测所述估计噪声的时间域波形突变点，根据所述突变点，将所述时间域波形和电场水平分量分成多个连续的时间区段；
对每个所述时间区段的基线噪声进行拟合，将拟合基线噪声从相应时间区段的电场水平分量中剔除。
2.如权利要求1所述的城市人工源电磁勘探方法，其特征在于，对CSEM频率位置的幅值，根据相邻频率位置的幅值进行估计包括：
将每个CSEM频率位置的幅值，替换为左右相邻两个频率位置幅值的平均值，或替换为左右相邻两个频率位置幅值中的最大值。
3.如权利要求1所述的城市人工源电磁勘探方法，其特征在于，检测所述估计噪声的时间域波形突变点包括：
采用Haar小波检测所述估计噪声的时间域波形中的多个极大值点；
从所述多个极大值点中筛选多个大于设定阈值的极大值点，作为突变点。
4.如权利要求1所述的城市人工源电磁勘探方法，其特征在于，对每个所述时间区段的基线噪声进行拟合包括：
在每个时间区段，依次采用多个阶数的勒让德多项式拟合基线，并采用该时间区段的估计噪声减去拟合基线噪声，得到不同阶数对应的剩余噪声能量；将剩余噪声能量最低时对应的阶数作为该时间区段的最优阶，拟合该时间区段的基线噪声。
5.如权利要求1所述的城市人工源电磁勘探方法，其特征在于，相似性比对包括：
将观测信号和噪声参考道信号的时频谱划分时间区段；
利用感知哈希算法，分别计算所述观测信号和噪声参考道信号的时频谱在同一时间区段、同一频段内的哈希值，筛选相似时频单元。
6.如权利要求1所述的城市人工源电磁勘探方法，其特征在于，重构获得新的时域信号前，还剔除观测信号中非CESM频率位置相应的时频单元。
7.如权利要求6所述的城市人工源电磁勘探方法，其特征在于，从观测信号中剔除噪声能量高于设定阈值的时频单元，或剔除非CESM频率位置相应的时频单元，是将时频谱中这些时频单元的频域系数置为0。
8.如权利要求1所述的城市人工源电磁勘探方法，其特征在于，基于最小二乘反演去噪方法进行信噪分离包括求解以下超定方程组：
Ax＝b
其中，A是傅里叶正交基组成的矩阵，所述矩阵中，被剔除时频单元相对应的元素置0；x是待求频率域系数；b表示所述新的时域信号。
9.一种带垂直磁场参考道的城市人工源电磁勘探***，其特征在于，包括：布设于同一观测点的观测信号采集装置和水平线圈，以及信号处理装置；其中，
所述水平线圈用于采集磁场水平分量，作为噪声参考道信号；
所述信号处理装置，用于获取观测信号和噪声参考道信号，采用如权利要求1-8任一项所述勘探方法对观测信号进行处理。
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