專利名稱：一種大地電磁阻抗測量方法
技術領域：
本發明屬于地球物理勘探技術，具體涉及大地電磁勘測信號數據處理，是一種大地電磁阻抗測量方法。
背景技術：
地球物理勘探大地電磁勘測的方法，通常是通過大地電磁(MT)電場或磁場傳感器采集數據，輸出的電場或磁場信號通過濾波和放大電路進入A/D轉換電路輸出數字信號，經濾波、抽樣、增益改正等處理，輸出MT信號計算大地電磁阻抗，并將計算結果用圖形方式顯示出來，用來反映勘探目標的情況。
要獲得可靠的MT測量數據，MT阻抗計算是關鍵。由于MT法采用天然電磁場信號作為場源，MT法所測量的兩個正交電場分量和磁場分量不可避免地受到各種干擾。在MT阻抗計算中，以磁場信號作為輸入信號，以電場信號作為輸出信號。MT阻抗計算相當于求取兩個輸入信號激勵(正交磁場)兩個輸出信號響應(正交電場)時的傳遞函數。最早的阻抗計算方法是最小二乘法，該方法假設MT信號的噪音服從高斯分布。但上述假設在干擾較大的情況很難滿足，飛點時時出現在MT測量結果中。針對上述情況，Sutarno和Vozoff于1991年提出了大地電磁阻抗的魯棒(Robust)方法(D.Sutarno and K.Vozoff，Phase-smoothed robust M-estimation of magnetotelluricimpedance functions，Geophysics，v56，n12，p.1999-2007，1991)。Egbert和Livelybrooks后來進一步發展了魯棒方法(Gary D.Egbert and Dean W.Livelybrooks，Single station magnetotelluric impedance estimationCoherence weighting and the regression M-estimate，Geophysics，V61，n4，p964-970，1996.)。魯棒方法有2個缺點一、MT信號噪音服從高斯分布時，魯棒方法計算結果不是最優的，是次優；二、計算量大，計算時間比最小二乘法多了數倍。另一方面，當干擾很大時，魯棒方法也無能為力。因為魯棒計算法要求所有測量數據中至少有50％以上的點不是飛點，才能獲得比較可靠的測量結果。在上述情況下，對測量的MT信號進行濾波，就成了干擾很大時很有前途的一種數據處理方法。然而，MT信號是隨機信號，在測量的整個頻段上都以隨機信號存在，用普通的濾波方法根本不可行。因為干擾和MT信號一樣表現為隨機信號。為了解決上述問題，Trad和Travassos于2000年提出用小波閥值濾波法壓制MT磁信號中的干擾(Daniel O.Trad and JandryM.Travassos，Wavelet filtering of magnetotel luric data，Geophysics，V65，n2，P482-491，2000.)。具體方法是用小波變換對MT信號進行多尺度分解后，對一個或多個尺度上的小波分解結果采用閥值濾波。上述方法也有三個缺點，一是MT測量中大干擾出現的概率很小，90％以上的測量數據用魯棒估計法或最小二乘法處理就可以滿足要求，在上述情況下采用小波壓噪，不僅浪費計算時間，而且會濾掉有用信號。因為MT信號分布在整個測量頻段上，無論采用何種方法濾波，都會對有用信號造成影響。二是確定閥值濾波的閥值沒有可計算的依據，只是分成多個層次后通過人的經驗來確定閥值大小，人為因素很大，在實踐中應用存在困難。三是計算量大，是最小二乘法所需時間的數十倍。
另外，目前對MT數據質量判斷依據是電場信號和磁場信號的相干度。
以磁場信號為輸入信號，電場信號為輸出信號，電場和磁場的相干度Гxy2(z)定義如下Γxy2(z)=|Φxy(z)|2Φxx(z)Φyy(z)]]>式中，Φxy(z)，Φxx(z)和Φyy(z)分別表示電場和磁場信號的互功率譜、磁場信號自功率譜和電場信號自功率譜。
通常，相干度接近1，表示數據質量好，相干度接近0，表示數據質量差。然而，當電場信號和磁場信號受到同源近場干擾時，相干度基本等于1，只利用相干度來判斷數據質量有時會得到錯誤的結果。例如，在變電站、城市和礦山附近，其干擾往往體現為強同源近場干擾，這時相干度接近1，利用相干度來選擇數據就會導致強干擾數據被保留，從而導致最差的MT阻抗測量結果。
發明內容
本發明目的在于提供一種克服目前采用單一MT阻抗測量技術的結果有偏差缺點，能根據大地電磁信號干擾的類型和數據質量，確定MT阻抗測量步驟，能提高MT阻抗計算的速度的一種大地電磁阻抗測量方法。
本發明采用如下技術方案大地電磁阻抗測量方法，采用通常的方法采集電場或磁場數據，通過濾波和放大后轉換為數字信號，采用以下步驟1)對采集的信號采用最小二乘法計算大地電磁阻抗，并計算頻點電場信號和磁場信號相干度，當75％以上測量頻點相干度為0.7-1且阻抗中相位在寬頻率范圍內均不為175-180度，進行步驟4)，否則進行步驟2)；2)采用魯棒法計算大地電磁阻抗，計算電場信號和磁場信號相干度，如果75％以上測量頻點相干度為0.7-1并且阻抗中相位在寬頻率范圍內均不為175-180度進行步驟4)，否則進行步驟3)；3)根據干擾類型在時間域或頻率域自動采用小波閥值壓噪法對大地電磁信號進行濾波壓噪，再利用魯棒法計算大地電磁阻抗；4)計算大地電磁阻抗并將結果記錄或以圖形方式顯示。
所述的小波閥值壓噪法在有固定頻率干擾時，則在頻率域進行小波閥值壓噪。
所述的小波閥值壓噪法在有瞬時干擾時，在時間域進行壓噪。
所述的寬頻率范圍是通過連續有多個頻點阻抗相位大于175度。
本發明實現了大地電磁阻抗計算結果最優，避免了次優結果和錯誤結果出現。有利于提高大地電磁數據的測量精度和可靠性。在大地電磁噪音服從高斯分布，或干擾比較小時，計算速度比魯棒法計算快數倍。當魯棒估計失敗時，自動采用小波閥值法壓制干擾，比單一的魯棒估計效果好。避免了人為因數對大地電磁阻抗計算的影響。通過是否連續有多個頻點阻抗相位大于175度來識別近場干擾，避免了單一采用相關度判斷MT數據質量在近場存在時判斷錯誤這一缺點。
圖1為本發明流程圖。
圖2為本發明數據質量分析與評價流程圖。
具體實施例方式
本發明在將最小二乘法、魯棒方法和小波壓噪有機結合起來，分步實現MT阻抗的計算，獲取最優結果。
本發明采用通常的方法采集電場或磁場數據，通過濾波和放大后轉換為數字信號，步驟是1)對采集的信號采用最小二乘法計算大地電磁阻抗，并計算頻點電場信號和磁場信號相干度，當75％以上測量頻點相干度為0.7-1且阻抗中相位在寬頻率范圍內均不為175-180度，則輸出MT阻抗數據，完成MT抗計算過程，否則；2)采用魯棒法計算大地電磁阻抗，計算電場信號和磁場信號相干度，如果75％以上測量頻點相干度為0.7-1并且阻抗中相位在寬頻率范圍內均不為175-180度則輸出MT阻抗數據，完成MT抗計算過程，否則；3)根據干擾類型在時間域或頻率域自動采用小波閥值壓噪法對大地電磁信號進行濾波壓噪，再利用魯棒法計算大地電磁阻抗；計算大地電磁阻抗并將結果記錄或以圖形方式顯示，所述的小波閥值壓噪法在有固定頻率干擾時，則在頻率域進行小波閥值壓噪。
所述的小波閥值壓噪法在有瞬時干擾時，在時間域進行壓噪。
所述的寬頻率范圍是通過連續有多個頻點阻抗相位大于175度。
現結合說明書附圖1說明本發明實現MT阻抗計算基本過程。
<1>輸入MT時間域數據從MT時間域數據文件中讀出MT時間序列；<2>MT阻抗最小二乘法阻抗計算對輸入的MT數據進行最小二乘法MT阻抗計算；<3>判斷MT阻抗數據質量，如果數據質量符合要求，則依次執行步驟<10>和步驟<11>，否則執行步驟<4>；<4>對MT數據進行魯棒方法MT阻抗計算；<5>判斷MT阻抗數據質量，如果數據質量符合要求，則依次執行步驟<10>和步驟<11>，否則執行步驟<6>；<6>對MT數據進行小波閥值法去噪處理；<7>對MT數據進行魯棒法MT阻抗計算；<8>判斷MT阻抗數據質量，如果數據質量符合要求，則依次執行步驟<10>和步驟<11>，否則依次執行步驟<9>和步驟<11>；<9>確認MT數據質量不符合要求，并報告分析結果；<10>輸出MT阻抗數據；<11>完成MT阻抗計算過程。
本發明對MT數據質量判斷除了依據電場信號和磁場信號的相干度以外，還通過直接分析計算的大地電磁阻抗來判斷數據質量。
當存在同源近場干擾時，大地電磁阻抗表現為阻抗相位在較寬的頻率范圍內接近180度。利用上述特點，可以判斷是否存在同源近場干擾，進而判斷MT數據質量。
現結合說明書附圖2，說明判斷MT數據質量的方法。
<1>輸入MT頻率域數據和MT阻抗數據；<2>利用MT頻率域數據計算電場信號和磁場信號的相關度；<3>判斷相關度小于0.7的頻點是否超過總頻點的15％，如果為真，則依次執行步驟<6>和步驟<7>，否則執行下一步；<4>判斷阻抗相位連續大于175度的頻點是否小于總頻點15％，如果條件不滿足，則依次執行步驟<6>和步驟<7>，否則執行下一步；<5>作出MT數據質量達到要求判斷，然后執行步驟<7>；<6>作出MT數據質量不符合要求判斷，然后執行步驟<7>；<7>輸出MT數據質量判斷結果。
通過上述方法判斷MT數據質量，避免了單獨使用相關度無法識別近場干擾這一缺點。
本發明可以在V5-2000大地電磁數據采集器上實現。
權利要求
1.一種大地電磁阻抗測量方法，采用通常的方法采集電場或磁場數據，通過濾波和放大后轉換為數字信號，其特征在于還采用以下步驟1)對采集的信號采用最小二乘法計算大地電磁阻抗，并計算頻點電場信號和磁場信號相干度，當75％以上測量頻點相干度為0.7-1且阻抗中相位在寬頻率范圍內均不為175-180度，進行步驟4)，否則進行步驟2)；2 )采用魯棒法計算大地電磁阻抗，計算電場信號和磁場信號相干度，如果75％以上測量頻點相干度為0.7-1并且阻抗中相位在寬頻率范圍內均不為175-180度進行步驟4)，否則進行步驟3)；3)根據干擾類型在時間域或頻率域自動采用小波閥值壓噪法對大地電磁信號進行濾波壓噪，再利用魯棒法計算大地電磁阻抗；4)計算大地電磁阻抗并將結果記錄或以圖形方式顯示。
2.根據權利要求1所述的一種大地電磁阻抗測量方法，其特征在于所述的小波閥值壓噪法在有固定頻率干擾時，則在頻率域進行小波閥值壓噪；在有瞬時干擾時，則在時間域進行壓噪。
3.根據權利要求1所述的一種大地電磁阻抗測量方法，其特征在于所述的小波閥值壓噪法在有瞬時干擾時，在時間域進行壓噪。
4.根據權利要求1所述的一種大地電磁阻抗測量方法，其特征在于所述的寬頻率范圍是連續有多個頻點阻抗相位大于175度。
全文摘要
本發明涉及大地電磁勘測信號數據處理技術，是一種大地電磁阻抗測量方法。采用步驟是對采集的信號采用最小二乘法計算大地電磁阻抗，并計算頻點電場信號和磁場信號相干度，當75％以上測量頻點相干度為0.7－1且阻抗中相位在寬頻率范圍內均不為175－180度，計算大地電磁阻抗并將結果記錄或以圖形方式顯示。否則采用魯棒法計算大地電磁阻抗或根據干擾類型在時間域或頻率域自動采用小波閥值壓噪法對大地電磁信號進行濾波壓噪，本發明有利于提高大地電磁數據的測量精度和可靠性，避免了人為因數對大地電磁阻抗計算的影響和單一采用相關度判斷MT數據質量在近場存在時判斷錯誤。
文檔編號G01V3/00GK101071179SQ200610078739
公開日2007年11月14日 申請日期2006年5月11日 優先權日2006年5月11日
發明者楊輪凱, 何展翔, 何蘭芳, 陳儒軍 申請人:中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司