一种带远参考的人工源张量电磁勘探方法技术

本发明专利技术提供了一种带远参考的人工源张量电磁勘探方法，包括以下步骤：(1)在布设测点的同时，布设一个或多个远参考点；同步记录人工场源发送电流的时变量、测点及远参考点的电磁场；(2)构建测点数据矩阵X和参考数据矩阵Xr；(3)利用参考数据矩阵Xr求解天然电磁场源极化参数α，根据人工场源发送电流时变量计算其极化参数β，再利用α、β以及X求解测点对应于天然场源的空间模数U和对应于人工场源的空间模数V；(4)利用U和V求解各个测点的天然场张量阻抗与人工场张量阻抗。本发明专利技术数据采集在传统的人工场电磁法基础上增加布设一个或多个远参考测点，基于统一的数据方程，一次处理同时获得测点的天然场张量阻抗与人工场张量阻抗，进而获得解释所需的地电参数。

【技术实现步骤摘要】
一种带远参考的人工源张量电磁勘探方法
本专利技术涉及一种勘察地球物理领域的电磁探测方法，特别涉及一种带远参考的人工源张量电磁勘探方法。
技术介绍
在勘察地球物理电磁法领域，天然场源电磁法(Magnetotelluric，MT；Audio-frequencyMagnetotelluric，AMT)探测深度大，采集装置轻便，但信噪比低，抗噪能力弱；传统的远参考大地电磁法在观测测区天然电磁场的同时引入一个远参考点，利用参考道信号与测区信号相关、噪声不相关的特性，压制了测区内噪声的影响，在一定程度上提高了阻抗数据质量；但对于天然电磁场信号极弱的频段(如5k～1kHz范围内的AMT“死频带”、1Hz附近的MT“死频带”)内的数据畸变等问题仍难以取得令人满意的效果。针对这一问题，可控源音频大地电磁法(ControlledSourceAudio-frequencyMagnetotelluric，CSAMT)采用人工电磁场源作为激励，在一定的观测区域内观测人工电磁场，提高了数据信噪比；但是有效的阻抗数据需要在“远区”获取，在人工场源的“近区”和“过渡区”，阻抗数据会产生畸变并导致错误的解释结果。尽管学者们先后发展了一系列处理手段，如提出了各种数据校正策略、全区视电阻率的定义及计算方案等，部分提取了“过渡区”内的地电信息，但对于“近区”观测数据，仍然无法加以利用。另外，现有的技术方案将统一的观测电磁场割裂为天然场和人工场两类独立的信号，并发展相应的方法体系；如在天然场源电磁法中，人工源信号被视为相关噪声，而在可控源音频大地电磁法中，天然电磁场信号被视为相关噪声，均在一定程度上造成了数据信息的丢失。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种带远参考的人工源张量电磁勘探方法，本专利技术数据采集在传统的人工场电磁法基础上增加布设一个或多个远参考测点，将观测电磁场视为天然场与人工场统一的数据体，基于统一的数据方程，一次处理同时获得测点的天然场张量阻抗与人工场张量阻抗，集合了天然电磁场测深和人工场源电磁法的优点，在高频段可以获得更高质量的张量阻抗数据，在低频段可以获得不受畸变的平面波张量阻抗数据。本专利技术的技术方案为：一种带远参考的人工源张量电磁勘探方法，包括以下步骤：步骤1、观测设计：确定观测目标及目标勘探深度，设计测线和测点；根据目标勘探深度及测区大地背景电导率确定观测频率范围，并根据观测频率范围确定测点的观测时间长度及信号采样率；对于各个观测频率，根据时频转换计算单个频谱所需的时间域采样点数，确定时窗宽度，利用观测时间长度除以时窗宽度得到各观测频率对应的观测时窗个数；步骤2、布设发送端装置和接收端装置：布设发送端装置：在测区内布设N个人工场源，N为大于等于1的整数；发送端装置与传统的人工场源电磁法类似，以接地水平电偶极子或不接地垂直磁偶极子作为人工场源，可按张量方式或其他形式布设；与传统人工源电磁法不同的是，本专利技术人工场源需在多个时窗内发送不同大小的电流值，并记录不同时刻发送电流的大小。布设接收端装置：在测区内地表设置一个或多个测点；每个测点处布设2道相互垂直的水平磁场测道、以及2道相互垂直的水平电场测道(测量通道)；在测区外设置至少1个同步远参考点，远参考点的布设位置与常规远参考大地电磁法中的远参考点相同；在远参考点处布设2道相互垂直的水平磁场测道，条件允许时增加布设2道相互垂直的水平电场测道；不布设水平电场测道也可获得结果，但布设2道相互垂直的水平电场测道，并记录相应数据后有利于获得更精确的结果；步骤3、数据采集：数据采集分为接收部分的数据采集和发送部分的数据采集，具体为同步采集各个测点及远参考点处的电场及磁场分量数据，进行时频转换后，得到各观测频率对应的频域观测数据；各个观测频率对应的数据相互独立，处理方式相同；对其中任一观测频率，设其观测时窗个数为I，对应的观测数据包括测点观测数据、远参考点观测数据和人工场源的发送电流数据三个部分的数据；第一部分、测点观测数据：包括测区内测点所有测道所记录的数据，包括2道相互垂直的水平磁场测道以及2道相互垂直的水平电场测道，总测道数为4道；根据测点观测数据构建测点信号时空数据矩阵X：其中，X为4×I阶矩阵；Hxi、Hyi(i＝1,2,...,I)分别为第i个时窗的水平x方向磁场、水平y方向磁场；Exi、Eyi(i＝1,2,...,I)分别为第i个时窗的水平x方向电场、水平y方向电场；第二部分，远参考点观测数据：包括J'个远参考点所有测道所记录的数据，根据远参考点观测数据构建天然电磁场信号时空数据矩阵Xr：其中，为第k(k＝1,2,...,K')个测道第i(i＝1,2,...,I)个时窗的观测数据；第三部分，人工场源的发送电流数据：记录各个人工场源在各个时窗内的发送电流值，并赋值给人工场源极化参数β：其中，N×I阶矩阵β为人工场源极化参数，仅与各个人工场源的时窗变化有关；N为人工场源的个数，βni为第n(n＝1,2,...,N)个人工场源在第i(i＝1,2,...,I)个时窗的发送电流值；步骤4、数据处理，计算测点的天然场张量阻抗与人工场张量阻抗：数据处理分步进行，第一步，利用天然电磁场信号时空数据矩阵Xr获得天然场源极化参数α；设天然场源的个数为M，将K'×I阶矩阵Xr写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式，Xr＝Urα+εr,(3)其中，M×I阶矩阵α为天然场源极化参数，仅与天然场源个数及观测时窗有关，αmi(m＝1,2,...,M；i＝1,2,...,I)为其元素，表示第m个天然场源第i个时窗的极化参数；Ur为Xr对应于天然场源极化参数α的空间模数，仅与天然场源个数及空间各测道有关，为其元素，表示第j个测道对应于第m个天然场源的空间模数；εr为Xr中的不相关噪声；通过对Xr进行矩阵分解，获取天然场源极化参数α的估计值；第二步，利用已获取的天然场源极化参数α的估计值、观测记录的人工场源极化参数β以及测点信号时空数据矩阵X，求解X对应于天然场源的空间模数U和X对应于人工场源的空间模数V；测点观测数据由天然场响应和人工场响应两部分叠加组成，将测点信号时空数据矩阵X写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式：其中W＝[UV]，γ＝[αβ]*，ε为X中的不相关噪声；于是求得：[UV]＝W,(6)其中，上角标表示共轭转置矩阵，上角标-1表示矩阵的逆；4×M阶矩阵U仅与天然场源个数及空间各测道有关，Ukm(k＝1,2,3,4；m＝1,2,...,M)为其元素；4×N阶矩阵V仅与人工场源个数及空间各测道有关，Vkn(k＝1,2,3,4；n＝1,2,...,N)为其元素；最后，利用求得的空间模数U和V计算测点的天然场张量阻抗ZMT与人工场张量阻抗ZCS：其中，UH、VH分别表示空间模数U、V中对应于水平磁场测道(输入端)的部分，以UE、VE分别表示对应于电场测道的部分：需说明，此处ZMT、ZCS为与前述某单一观测频率数据所得的计算结果，对应了地下某一深度处的电性信息；对于不同的观测频率，可以分别独立得到相对应的ZMT、ZCS；进而通过接收不同频率的电磁信号，可以获得地下不同深度的电性介质分布。所述步骤3的第二部分中，天然电磁场信号时空数据矩阵Xr的构建方法为：当远参考点处仅布设并记录本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带远参考的人工源张量电磁勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、观测设计：确定观测目标及目标勘探深度，设计测线和测点；根据目标勘探深度及测区大地背景电导率确定观测频率范围，并根据观测频率范围确定测点的观测时间长度及信号采样率；对于各个观测频率，根据时频转换计算单个频谱所需的时间域采样点数，确定时窗宽度，利用观测时间长度除以时窗宽度得到各观测频率对应的观测时窗个数；步骤2、布设发送端装置和接收端装置：布设发送端装置：在测区内布设N个人工场源，N为大于等于1的整数；以接地水平电偶极子或不接地垂直磁偶极子作为人工场源；人工场源在多个时窗内发送不同大小的电流值；布设接收端装置：在测区内地表设置一个或多个测点；每个测点处布设2道相互垂直的水平磁场测道、以及2道相互垂直的水平电场测道；在测区外设置至少1个同步远参考点；在远参考点处布设2道相互垂直的水平磁场测道，条件允许时增加布设2道相互垂直的水平电场测道；步骤3、数据采集：同步采集各个测点及远参考点处的电场及磁场分量数据，进行时频转换后，得到各观测频率对应的频域观测数据；对其中任一观测频率，设其观测时窗个数为I，对应的观测数据包括测点观测数据、远参考点观测数据和人工场源的发送电流数据三个部分；第一部分、测点观测数据：包括测区内测点所有测道所记录的数据；根据测点观测数据构建测点信号时空数据矩阵X：其中，Hxi、Hyi(i＝1,2,...,I)分别为第i个时窗的水平x方向磁场、水平y方向磁场；Exi、Eyi(i＝1,2,...,I)分别为第i个时窗的水平x方向电场、水平y方向电场；第二部分，远参考点观测数据：包括J'个远参考点所有K'个测道所记录的 数据，根据远参考点观测数据构建天然电磁场信号时空数据矩阵Xr：其中，为第k(k＝1,2,...,K')个测道第i(i＝1,2,...,I)个时窗的观测数据；第三部分，人工场源的发送电流数据：记录各个人工场源在各个时窗内的发送电流值，并赋值给人工场源极化参数β：其中，N为人工场源的个数，βni为第n(n＝1,2,...,N)个人工场源在第i(i＝1,2,...,I)个时窗的发送电流值；步骤4、数据处理，计算测点的天然场张量阻抗与人工场张量阻抗：第一步，利用天然电磁场信号时空数据矩阵Xr获得天然场源极化参数α；设天然场源的个数为M，将K'×I阶矩阵Xr写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式，Xr＝Urα+εr,           (3) 其中，M×I阶矩阵α为天然场源极化参数，仅与天然场源个数及观测时窗有关，αmi(m＝1,2,...,M；i＝1,2,...,I)为其元素，表示第m个天然场源第i个时窗的极化参数；Ur为Xr对应于天然场源极化参数α的空间模数，仅与天然场源个数及空间各测道有关，为其元素，表示第j个测道对应于第m个天然场源的空间模数；εr为Xr中的不相关噪声；通过对Xr进行矩阵分解，获取天然场源极化参数α的估计值；第二步，利用已获取的天然场源极化参数α的估计值、观测记录的人工场源极化参数β以及测点信号时空数据矩阵X，求解X对应于天然场源的空间模数U和X对应于人工场源的空间模数V；测点观测数据由天然场响应和人工场响应两部分叠加组成，将测点信号时空数据矩阵X写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式：其中W＝[U V]，γ＝[α β]*，ε为X中的不相关噪声；于是求得：[U V]＝W,            (6) 其中，上角标表示共轭转置矩阵，上角标‑1表示矩阵的逆；4×M阶矩阵U仅与天然场源个数及空间各测道有关，Ukm(k＝1,2,3,4；m＝1,2,...,M)为其元素；4×N阶矩阵V仅与人工场源个数及空间各测道有关，Vkn(k＝1,2,3,4；n＝1,2,...,N)为其元素；最后，利用求得的空间模数U和V计算测点的天然场张量阻抗ZMT与人工场张量阻抗ZCS：其中，UH、VH分别表示空间模数U、V中对应于水平磁场测道的部分，以UE、VE分别表示对应于电场测道的部分：...

【技术特征摘要】
1.一种带远参考的人工源张量电磁勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、观测设计：确定观测目标及目标勘探深度，设计测线和测点；根据目标勘探深度及测区大地背景电导率确定观测频率范围，并根据观测频率范围确定测点的观测时间长度及信号采样率；对于各个观测频率，根据时频转换计算单个频谱所需的时间域采样点数，确定时窗宽度，利用观测时间长度除以时窗宽度得到各观测频率对应的观测时窗个数；步骤2、布设发送端装置和接收端装置：布设发送端装置：在测区内布设N个人工场源，N为大于等于1的整数；以接地水平电偶极子或不接地垂直磁偶极子作为人工场源；人工场源在多个时窗内发送不同大小的电流值；布设接收端装置：在测区内地表设置一个或多个测点；每个测点处布设2道相互垂直的水平磁场测道、以及2道相互垂直的水平电场测道；在测区外设置至少1个同步远参考点；在远参考点处布设2道相互垂直的水平磁场测道，条件允许时增加布设2道相互垂直的水平电场测道；步骤3、数据采集：同步采集各个测点及远参考点处的电场及磁场分量数据，进行时频转换后，得到各观测频率对应的频域观测数据；对其中任一观测频率，设其观测时窗个数为I，对应的观测数据包括测点观测数据、远参考点观测数据和人工场源的发送电流数据三个部分；第一部分、测点观测数据：包括测区内测点所有测道所记录的数据；根据测点观测数据构建测点信号时空数据矩阵X：其中，Hxi和Hyi分别为第i个时窗的水平x方向磁场和水平y方向磁场；Exi和Eyi分别为第i个时窗的水平x方向电场和水平y方向电场；i＝1,2,...,I；第二部分，远参考点观测数据：包括J'个远参考点所有K'个测道所记录的数据，根据远参考点观测数据构建天然电磁场信号时空数据矩阵Xr：其中，为第k个测道第i个时窗的观测数据，k＝1,2,...,K'，i＝1,2,...,I；第三部分，人工场源的发送电流数据：记录各个人工场源在各个时窗内的发送电流值，并赋值给人工场源极化参数β：1其中，N为人工场源的个数，βni为第n个人工场源在第i个时窗的发送电流值，n＝1,2,...,N，i＝1,2,...,I；步骤4、数据处理，计算测点的天然场张量阻抗与人工场张量阻抗：第一步，利用天然电磁场信号时空数据矩阵Xr获得天然场源极化参数α；设天然场源的个数为M，将K'×I阶矩阵Xr写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式，Xr＝Urα+εr,(3)其中，M×I阶矩阵α为天然场源极化参数，仅与天然场源个数及观测时窗有关，αmi为其元素，表示第m个天然场源第i个时窗的极化参数，m＝1,2,...,M；i＝1,2,...,I；Ur为Xr对应于天然场源极化参数α的空间模数，仅与天然场源个数及空间各测道有关，为其元素，表示第j个测道对应于第m个天然场源的空间模数，j＝1,2,...,K'；m＝1,2,...,M；εr为Xr中的不相关噪声；通过对Xr进行矩阵分解...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤井田，周聪，肖晓，任政勇，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43