一种时空阵列差分电磁勘探方法技术

本发明专利技术提供了一种时空阵列差分电磁勘探方法，包括以下步骤：(1)在空间多个测点及远参考点处进行多时窗的同步阵列数据采集；(2)根据观测数据构建测点信号时空数据矩阵X、天然电磁场信号时空数据矩阵Xr，以及相关噪声场信号时空数据矩阵Y；(3)对Xr进行矩阵分解求解天然电磁场源极化参数α，对Y进行矩阵分解求解相关噪声场源极化参数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和对应于相关噪声场源的空间模数V；(4)利用U和V求解各个测点的天然场张量阻抗与相关噪声场张量阻抗。本发明专利技术数据采集方式灵活，且所有测道、时窗均允许存在噪声，根据场源信号的特征实现信噪分离，一次处理获得所有测点的天然场张量阻抗与相关噪声场张量阻抗。

【技术实现步骤摘要】
一种时空阵列差分电磁勘探方法
本专利技术涉及一种勘察地球物理领域的电磁探测方法，特别涉及一种时空阵列差分电磁勘探方法。
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)的数据采集经历了标量测量、张量测量、连续剖面测量等发展阶段；尽管3D阵列测量目前已有研究与实践，但相应的数据处理技术仍然停留在单点处理阶段。相关噪声是制约天然场源电磁法在强干扰区应用的主要瓶颈之一，传统的最小二乘法、Robust估计、远参考法等均难以压制强相关噪声的影响。针对该问题，学者们先后发展了一系列处理手段，取得了一定的处理效果，但仍然存在相应的问题。如时间域数学形态滤波方法，通过提取含噪时间域波形进行信噪分离，时频域Hilbert-Huang变换处理方法，通过将信号在时频域进行分解并剔选进行信噪分离；这类方法在信噪识别、参数选取以及结果评价方面仍有待完善；基于远参考磁场相关性控制的功率谱数据删选方法以及基于远参考磁场与测点平面波磁场相互关系的信噪分离方法，通过远参考磁场提取测点数据中的平面波场信息，进而实现信噪分离；但这类方法对于强度大、持续时间长的相关噪声，以及远参考磁道中含有相关噪声的情况，处理效果仍然不能令人满意。
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，提供一种时空阵列差分电磁勘探方法，本专利技术所采用的阵列数据采集方式灵活，测点的空间阵列分布无需固定形式，基于统一的数据方程，尽可能的利用时空阵列中的所有观测数据，且所有测道、时窗均允许存在噪声，根据场源信号的特征实现信噪分离，一次处理获得所有同步阵列测点的天然场张量阻抗与相关噪声场张量阻抗，进而获得解释所需的地电参数。本专利技术所采用的阵列数据采集方式灵活，测点的空间阵列分布无需固定形式，基于统一的数据方程，尽可能的利用时空阵列中的所有观测数据，且所有测道、时窗均允许存在噪声，根据场源信号的特征实现信噪分离，一次处理获得所有同步阵列测点的天然场张量阻抗与相关噪声场张量阻抗，进而获得解释所需的地电参数。本专利技术的技术方案为：一种时空阵列差分电磁勘探方法，包括以下步骤：步骤1、观测设计：确定探测目标及勘探深度范围，在测区内设置测线及J个同步观测测点，J≥2；同时设置J'(J'≥1)个远参考点，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；根据勘探深度范围及测区大地背景电导率确定观测频率范围，并根据所需观测频率确定测点的同步观测时间长度、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，利用观测时长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、装置布设：在每个测点处布设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)；各测点之间的两个观测方向均为水平x方向与水平y方向；需分析地下介质倾子矢量参数时，增加1道竖直磁场测道；在每个远参考点处布设2道相互垂直的水平磁场测道，条件允许时可增加布设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，但布设并记录相应数据后有利于获得更精确的结果；每个测点处的电磁场测量装置与传统大地电磁法相同。步骤3、数据采集：本专利技术的数据采集采用时空阵列的方式；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；各个观测频率的数据相互独立，处理方式相同；对其中任一观测频率，设其对应的观测时窗个数为I，对应的观测数据包括测点观测数据、远参考点观测数据、测点间水平磁场差分数据三个部分的数据；第一部分、测点观测数据：包括测区内J个测点所有测道所记录的数据；设第j(j＝1,2,...,J)个测点的测道数为κj，包括2道相互垂直的水平磁场测道以及κj-2道水平电场和竖直磁场测道，所有测点的总测道数为根据测点观测数据构建测点信号时空数据矩阵X：其中，Xki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')个远参考测道第i(i＝1,2,...,I)个时窗的观测数据；第三部分、测点间水平磁场差分数据：以两测点间同一方向的水平磁场差值作为差分磁场测道；因每个测点均含有相互垂直的两个方向的水平磁场，则对J个测点，在每个方向上进行空间两两差分，共可获得差分磁场测道K＝J(J-1)个；根据各差分磁场测道所记录的数据，即测点间水平磁场差分数据构建相关噪声场信号时空数据矩阵Y：其中，Yki为第k(k＝1,2,...,K)个差分磁场测道第i(i＝1,2,...,I)个时窗的观测数据；步骤4、数据处理，包括以下步骤：第一步，对天然电磁场信号时空数据矩阵Xr进行矩阵分解求解天然电磁场源极化参数α：设天然场源的个数为M，将Xr写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式：Xr＝Urα+εr,(4)其中各参数展开式为：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，；K'×M阶矩阵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k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进行矩阵分解获得α的估计值；第二步，通过对相关噪声场信号时空数据矩阵Y进行矩阵分解求解相关噪声场源极化参数β：设相关噪声场源的个数为N，将Y写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式：Y＝Vcβ+εY,(6)其中各参数展开式为：其中，N×I阶矩阵β为相关噪声场源极化参数，仅与相关噪声场源个数及观测时窗有关，βni(n＝1,2,...,N；i＝1,2,...,I)为其元素，表示第n个相关噪声场源第i个时窗的极化参数；K×N阶矩阵Vc为Y对应于相关噪声场源极化参数β的空间模数，仅与相关噪声场源个数及空间各测道有关，为其元素，表示第k个测道对应于第n个相关噪声场源的空间模数；εY为Y中的不相关噪声；通过对Y进行矩阵分解获得β的估计值；第三步，利用已获取的α、β估计值以及测点信号时空数据矩阵X，求解测点对应于天然场源的空间模数U和对应于相关噪声场源的空间模数V：测点观测数据由天然场响应和相关噪声场响应两部分叠加组成，将X写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式，其中，W＝[UV]为总空间模数，γ＝[αβ]*为总场源极化参数，ε为X中的不相关噪声；γ表示为：由(8)式求得W以及U、V的估计值为：[UV]＝W(11)上角标表示共轭转置矩阵，上角标-1表示矩阵的逆；W的展开式为：其中，Ukm(k＝1,2,...,K；m＝1,2,...,M)为U的元素，表示第k个测道对应于第m个天然场源的空间模数；Vkn(k＝1,2,...,K；n＝1,2,...,N)为V的元素；对第j(j＝1,2,...,J)个测点，设其各测道对应的标号分别为k+1,k+2,...,k+κj(k＝κ1+...+κj-1)，则在空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时空阵列差分电磁勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、观测设计：确定探测目标及勘探深度范围，在测区内设置J个同步观测测点，J≥2；同时设置J'(J'≥1)个远参考点；根据勘探深度范围及测区大地背景电导率确定观测频率范围，并根据所需观测频率确定测点的同步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，利用观测时长除以时窗宽度得到各频率对应的观测时窗个数；步骤2、装置布设：在每个测点处布设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)；各测点之间的两个观测方向均为水平x方向和水平y方向；需分析地下介质倾子矢量参数时，增加1道竖直磁场测道；在每个远参考点处布设2道相互垂直的水平磁场测道，条件允许时可增加布设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，设其对应的观测时窗个数为I，对应的观测数据包括测点观测数据、远参考点观测数据、测点间水平磁场差分数据三个部分的数据；第一部分、测点观测数据：包括测区内J个测点所有测道所记录的数据；设第j(j＝1,2,...,J)个测点的测道数为κj，所有测点的总测道数为根据测点观测数据构建测点信号时空数据矩阵X：X=X11X12··X1IX21X22··X2I········XK1XK2··XKI---(1)]]>其中，Xki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；设第j(j＝1,2,...,J')个远参考点的测道数为κj'，总测道数为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：Xr=X11rX12r··X1IrX21rX22r··X2Ir········XK′1rXK′2r··XK′Ir---(2)]]>其中，为第k(k＝1,2,...,K')个远参考测道第i(i＝1,2,...,I)个时窗的观测数据；第三部分、测点间水平磁场差分数据：以两测点间同一方向的水平磁场差值作为差分磁场测道；对J个测点，在每个方向上进行空间两两差分，共可获得差分磁场测道K＝J(J‑1)个；根据各差分磁场测道所记录的数据，即测点间水平磁场差分数据构建相关噪声场信号时空数据矩阵Y：Y=Y11Y12··Y1IY21Y22··Y2I········YK‾1YK‾2··YK‾I.---(3)]]>其中，Yki为第k(k＝1,2,...,K)个差分磁场测道第i(i＝1,2,...,I)个时窗的观测数据；步骤4、数据处理，包括以下步骤：第一步，对天然电磁场信号时空数据矩阵Xr进行矩阵分解求解天然电磁场源极化参数α：设天然场源的个数为M，将Xr写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式：Xr＝Urα+εr,   (4)其中各参数展开式为：α=α11α12··α1Iα21α22··α2I········αM1αM2··αMI,Ur=U11rU12r··U1MrU21rU22r&...

【技术特征摘要】
1.一种时空阵列差分电磁勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、观测设计：确定探测目标及勘探深度范围，在测区内设置J个同步观测测点，J≥2；同时设置J'个远参考点，J'≥1；根据勘探深度范围及测区大地背景电导率确定观测频率范围，并根据所需观测频率确定测点的同步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，利用观测时长除以时窗宽度得到各频率对应的观测时窗个数；步骤2、装置布设：在每个测点处布设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；各测点之间的两个观测方向均为水平x方向和水平y方向；需分析地下介质倾子矢量参数时，增加1道竖直磁场测道；在每个远参考点处布设2道相互垂直的水平磁场测道，条件允许时可增加布设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，设其对应的观测时窗个数为I，对应的观测数据包括测点观测数据、远参考点观测数据、测点间水平磁场差分数据三个部分的数据；第一部分、测点观测数据：包括测区内J个测点所有测道所记录的数据；设第j个测点的测道数为κj，所有测点的总测道数为根据测点观测数据构建测点信号时空数据矩阵X：其中，Xki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；设第j个远参考点的测道数为κj'，总测道数为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个远参考测道第i个时窗的观测数据，k＝1,2,...,K'，i＝1,2,...,I；第三部分、测点间水平磁场差分数据：以两测点间同一方向的水平磁场差值作为差分磁场测道；对J个测点，在每个方向上进行空间两两差分，共可获得差分磁场测道K＝J·(J-1)个；根据各差分磁场测道所记录的数据，即测点间水平磁场差分数据构建相关噪声场信号时空数据矩阵Y：其中，Yki为第k个差分磁场测道第i个时窗的观测数据，k＝1,2,...,K，i＝1,2,...,I；步骤4、数据处理，包括以下步骤：第一步，对天然电磁场信号时空数据矩阵Xr进行矩阵分解求解天然电磁场源极化参数α：设天然场源的个数为M，将Xr写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式：Xr＝Urα+εr,(4)其中各参数展开式为：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；K'×M阶矩阵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k个测道对应于第m个天然场源的空间模数，k＝1,2,...,K'；m＝1,2,...,M；εr为Xr中的不相关噪声；通过对Xr进行矩阵分解获得α的估计值；第二步，通过对相关噪声场信号时空数据矩阵Y进行矩阵分解求解相关噪声场源极化参数β：设相关噪声场源的个数为N，将Y写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式：Y＝Vcβ+εY,(6)其中各参数展开式为：其中，N×I阶矩阵β为相关噪声场源极化参数，仅与相关噪声场源个数及观测时窗有关，βni为其元素，表示第n个相关噪声场源第i个时窗的极化参数；K×N阶矩阵Vc为Y对应于相关噪声场源极化参数β的空间模数，仅与相关噪声场源个数及空间各测道有关，为其元素，表示第k个测道对应于第n个相关噪声场源的空间模数；k＝1,2,...,K；n＝1,2,...,N；i＝1,2,...,I；εY为Y中的不相关噪声；通过对Y进行矩阵分解获得β的估计值；第三步，利用已获取的α、β估计值以及测点信号时空数据矩阵X，求解测点对应于天然场源的空间模数U和对应于相关噪声场源的空间模数V：测点观测数据由天然场响应和相关噪声场响应两部分叠加组成，将X写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式，其中，W＝[UV]为总空间模数，γ＝[αβ]*为总场源极化参数，ε为X中的不相关噪声；γ表示为：由(8)式求得W以及U、V的估计值为：[UV]＝W(11)上角标表示共轭转置矩阵，上角标-1表示矩阵的逆；W的展开式为：

【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