音頻大地電磁遠(yuǎn)參考點(diǎn)信號(hào)特征及遠(yuǎn)參考大地電磁法在信號(hào)處理中的應(yīng)用研究

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(承德石油高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程系，河北 承德 067000)

音頻大地電磁測(cè)深法(AMT)是利用天然場(chǎng)源勘探的一種方法，其場(chǎng)源相對(duì)較弱，易受人文因素干擾[1-3]。干擾信號(hào)主要包括尖脈沖干擾、高壓輸電線干擾、寬頻帶強(qiáng)能量干擾、方波干擾等。這些電磁噪聲干擾使AMT數(shù)據(jù)頻點(diǎn)離差大變大、飛點(diǎn)、視電阻率-相位曲線形態(tài)突變等。特別是中、低頻段數(shù)據(jù)質(zhì)量較差[4-5]。1978年，國(guó)外學(xué)者提出的遠(yuǎn)參考大地電磁法(Remote Reference MT，簡(jiǎn)稱 RRMT)具有重要意義，其利用遠(yuǎn)參考點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間噪聲的不相關(guān)性特征為依據(jù)，通過(guò)阻抗估計(jì)進(jìn)而壓制隨機(jī)噪聲的干擾[6-7]。國(guó)內(nèi)對(duì)遠(yuǎn)參考方法的應(yīng)用進(jìn)行了很多的研究。在南方強(qiáng)干擾地區(qū)應(yīng)用遠(yuǎn)參考技術(shù)進(jìn)行的大地電磁實(shí)測(cè)工作，有效改善了中低頻數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時(shí)使用robust方法聯(lián)合進(jìn)行阻抗估算取得了較好的效果[8]。遠(yuǎn)參考法數(shù)據(jù)采集、野外如何選擇遠(yuǎn)參考點(diǎn)工作站位置以及遠(yuǎn)參考法應(yīng)用效果分析等，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也做了大量的研究[9-13]；他們從不同角度闡述了遠(yuǎn)參考方法的原理，討論了其在壓制各種噪聲干擾方面所達(dá)到的效果，本文基于國(guó)內(nèi)外研究成果為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)測(cè)遠(yuǎn)參考點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行總結(jié)歸納，為野外生產(chǎn)實(shí)際提供技術(shù)依據(jù)，具有重要的意義。

1 遠(yuǎn)參考法原理

遠(yuǎn)參考大地電磁測(cè)深法，其利用遠(yuǎn)參考點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間噪聲的不相關(guān)性為依據(jù)，即兩觀測(cè)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時(shí)，兩觀測(cè)點(diǎn)間電磁分量中的噪聲一般滿足相互獨(dú)立即不相關(guān)。同時(shí)大地電磁測(cè)深中磁信號(hào)在相當(dāng)一段距離范圍內(nèi)變化緩慢這一特點(diǎn)，人們提出了將一遠(yuǎn)參考點(diǎn)處磁信號(hào)作為測(cè)點(diǎn)處的磁分量來(lái)估算張量阻抗，此時(shí)一般有

〈HyrHyr*〉=〈HyrsHyrs*〉=〈HysHys*〉

(1)

〈ExHyr*〉=〈HyrsExs*〉=〈ExsHys*〉

(2)

〈HyrnHyn*〉=0

(3)

其中，下標(biāo)r代表參考點(diǎn)，s和n代表信號(hào)和噪聲，rs和rn代表參考點(diǎn)的信號(hào)和噪聲。通常，對(duì)于二維介質(zhì)可以寫出以磁場(chǎng)為參考的張量阻抗的表達(dá)式

(4)

(5)

(6)

(7)

其中

D=〈HxHxr*〉〈HyHyr*〉-〈HxHyr*〉〈HyHxr*〉

(8)

從式(4)、(5)、(6)和(7)中可以看出，每一對(duì)互功率譜均包含參考道的磁場(chǎng)分量，在滿足勘探深度的前提下，遠(yuǎn)參考點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)相應(yīng)頻段范圍內(nèi)噪聲的特性是非相關(guān)的，遠(yuǎn)參考處理便能改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高阻抗張量估算精度[6-7]。

2 遠(yuǎn)參考距離及遠(yuǎn)參考站的選擇

實(shí)際上大地電磁法的電磁場(chǎng)信號(hào)總場(chǎng)為一次場(chǎng)與二次場(chǎng)之和，同時(shí)又由于二次場(chǎng)是一次場(chǎng)激勵(lì)的，所以有只要實(shí)測(cè)點(diǎn)和遠(yuǎn)參考點(diǎn)的一次場(chǎng)相關(guān)就可滿足信號(hào)相關(guān)的條件，而與參考道所處地下地質(zhì)特征無(wú)關(guān)。實(shí)際上噪音和信號(hào)的劃分是相對(duì)的。在大地電磁法中將不滿足平面波特征的電磁波歸為噪音，因此選擇的遠(yuǎn)參考站要在干擾小，人文噪聲弱的地區(qū)，這樣就保證電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)平穩(wěn)，波形無(wú)畸變，頻域阻抗各頻點(diǎn)功率譜數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無(wú)明顯跳變，視電阻率、相位曲線光滑平穩(wěn)，誤差棒小[7]。

3 遠(yuǎn)參考點(diǎn)特征分析

本文分別對(duì)高頻TS2(采樣率：24000)、中頻TS3(采樣率：2400)和低頻TS4(采樣率：150)從時(shí)間序列、頻譜及相干度進(jìn)行詳細(xì)分析，歸納出典型遠(yuǎn)參考點(diǎn)特征。

由圖1(a)～圖3(a)可見，時(shí)間序列顯示電磁場(chǎng)信號(hào)緩慢變化，符合大地電磁信號(hào)特征，并且無(wú)明顯噪聲干擾的波形；圖1(b)～3(b)顯示電磁場(chǎng)頻譜量級(jí)一致，無(wú)明顯震蕩，僅在50 Hz及其諧波處頻譜極大值明顯以及“死頻帶”存在干擾，分析由于“死頻帶”電磁場(chǎng)信號(hào)較弱所致；圖1(c)～3(c)顯示相干度接近1，僅在50 Hz處以及“死頻帶”相干度較差，分析由于“死頻帶”電磁場(chǎng)信號(hào)較弱所致。

4 視電阻率相位曲線特征

圖4左顯示遠(yuǎn)參考點(diǎn)視電阻率-相位曲線光滑連續(xù)，圖4右顯示頻點(diǎn)功率譜數(shù)值基本一致，表明遠(yuǎn)參考點(diǎn)數(shù)據(jù)反映的是地下的無(wú)偏阻抗信息。

綜上所述，遠(yuǎn)參考點(diǎn)時(shí)間序列電磁場(chǎng)信號(hào)無(wú)明顯非天然場(chǎng)信號(hào)特征，電磁場(chǎng)信號(hào)平穩(wěn)變化，頻譜無(wú)明顯震蕩，僅在“死頻帶”、50Hz及其諧波存在震蕩，所有頻點(diǎn)相干度接近1，僅在“死頻帶”相干度較差。

5 遠(yuǎn)參考大地電磁法應(yīng)用

圖5(a)為數(shù)據(jù)點(diǎn)原始卡尼亞電阻率-相位曲線圖，圖中10～0.35 Hz頻段Rxy視電阻率曲線畸變，呈近似45°抬升，相位趨于零，為典型近源干擾特征；Ryx視電阻率曲線飛點(diǎn)較多，分析受較強(qiáng)電磁干擾造成，整體視電阻率曲線不光滑，存在較多飛點(diǎn)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。如圖5(b)所示，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)參考大地電磁法處理后卡尼亞電阻率-相位曲線10～0.35 Hz頻段Rxy視電阻率曲線得到了壓制，曲線形態(tài)得到了明顯地改善，Ryx視電阻率曲線飛點(diǎn)得到了校正，曲線光滑連續(xù)。

6 結(jié)論

1)遠(yuǎn)參考點(diǎn)時(shí)域具有典型的大地電磁信號(hào)特征。大地電磁信號(hào)在時(shí)間域變化平穩(wěn)，無(wú)明顯的躍變。

2)遠(yuǎn)參考點(diǎn)視電阻率-相位曲線光滑連續(xù)，頻點(diǎn)功率譜數(shù)值基本一致，反映地下的無(wú)偏阻抗信息。

3)遠(yuǎn)參考大地電磁法可以有效改善受電磁干擾影響所致的數(shù)據(jù)質(zhì)量，使其反映真實(shí)地下電性特征。