数学形态滤波与大地电磁噪声压制

数学形态滤波是一种新型的非线性滤波方法.介绍了形态学滤波的基本原理,针对大地电磁信号表现出的非线性、非平稳性和非最小相位特性,综合结构元素特征我们提出一种基于数学形态滤波的大地电磁噪声压制方法.为了有效抑制目标信号中的噪声干扰及修正统计偏倚现象,通过选用合理的结构元素及形态开-闭、闭-开组合,将正、负结构元素级联构造组合广义形态滤波器对实测大地电磁信号进行噪声压制.实验结果表明,该方法是切实可行的,有效地剔除了大尺度干扰及基线漂移,较好地还原了大地电磁信号的原始特征,修正了标准形态算子所产生的统计偏倚现象,去噪精度高.该方法计算速度快,具有潜在优势,为矿集区海量大地电磁信号与强干扰的分离提供了一条新的途径,应用前景广阔.     

音频大地电磁法在黄土区填图中的应用

通过在工作区内布设音频大地电磁测线,并结合当地已有的地质与测井资料对测深数据进行约束反演,结果表明:①音频大地电磁测深法对工作区的地层岩性分层具有较好的效果,并对深部的基岩面与上部土层的分界具有较好的反映;②工作区内的地层产状比较稳定;③测点点距对结果精准度有一定的影响。进一步总结了音频大地电磁法在黄土区填图中的适用性,对指导音频大地电磁法在黄土区填图中应用具有重要意义。     

可控源音频大地电磁测深法勘查深度研究

可控源音频大地电磁测深法的勘查深度问题在理论研究和实际工作中都得到了广泛的关注,本文分析了水平层状大地电磁正反演方法的基本原理,说明了可控源音频大地电磁测深法在深部勘查方面具有可靠性.通过建立两个三层地电模型,并对吉林某地区的CSAMT实测数据进行了带源反演成像,与已知钻井资料对比分析表明,可控源音频大地电磁测深法对地下1000~2000 m深度的反演较为准确,能够反映地下电性的垂向变化.     

利用变分模态分解(VMD)和匹配追踪(MP)联合压制音频大地电磁(AMT)强干扰

为了有效分离矿集区音频大地电磁（AMT）信号中的大尺度强干扰、抑制近源效应,本文提出利用变分模态分解（VMD）和匹配追踪（MP）联合压制AMT强干扰的方法.首先,对比了VMD与经验模态分解（EMD）、固有时间尺度分解（ITD）的处理效果,验证了VMD在避免模态混叠和端点效应方面的优势;讨论了VMD中模态个数对典型大尺度强干扰的去噪性能,并选择合适的模态初步获取待处理信号的重构信息.然后,运用MP对VMD重构信号做二次信噪分离处理,进一步滤除残余的尖脉冲干扰.通过对模拟和实测数据的分析处理,以及与远参考法结果对比,本研究能有效剔除时间域序列中的大尺度强干扰,且重构信号中保留了更多的低频缓变化信息和细节成分,近源干扰得到有效压制;视电阻率-相位曲线更为光滑、连续,低频段的数据质量得到明显改善,其结果能更为真实、可靠地反映地下电性结构信息.

     

可控源音频大地电磁数据的反演方法

从反演方程、构造目标函数和求解三方面对用于可控源音频大地电磁法(CSAMT)的实用反演方法中的四种进行了描述．水平层状地层CSAMT法资料的直接反演法首次尝试了一维空间的全资料CSAMT反演，效果较好，但该方法尚难应用于2D、3D复杂介质中；奥克姆反演方法既考虑了横向的光滑函数，又考虑了纵向的光滑函数，得到比较光滑的横向、纵向变化的背景电性结果，但有可能把一些小构造光滑掉．快速松驰反演算法和共轭梯度算法由于计算速度快，占内存少而被用于三维反演中，二者相比，快速松驰算法在求解雅可比矩阵时只做一次正演计算，在更新模型时解小型方程组，所以在速度上更胜一筹．在后三种算法中，由于复杂电性结构无解析解，正演计算都采用数值计算．数值计算的可靠性、速度影响着反演算法的有效性，这方面的研究也将是2D、3D复杂电性结构反演的研究方向之一.     

可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演研究

可控源音频大地电磁法在资源勘探等领域中发挥着重要的作用.我们把有限差分数值模拟方法用于可控源音频大地电磁三维正演,结合正则化反演方案和共轭梯度反演的思路,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次"拟正演"问题,得到模型参数的更新步长,形成反演迭代,实现了可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法.该反演算法可用于对有限长度电偶源激发下采集到的可控源音频大地电磁全区(近区、过渡区和远区)视电阻率和相位资料进行三维反演定量解释,获得地下三维模型的电阻率结构.理论模型合成数据的反演算例验证了所实现的可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.     

音频大地电磁法“死频带”畸变数据的Rhoplus校正

为研究AMT数据的"死频带"畸变特征及其校正方法,在长江中下游地区,利用凤凰MTU-5A仪器,系统观测了音频电磁场的"死频带"数据.对不同季节、不同时段的AMT"死频带"数据进行了分析.提出AMT"死频带"频率域畸变数据的Rhoplus校正方法,给出了该方法的适用条件、关键技术与评价方案,并提供了大量实测数据论证其应用效果.观测实验表明:在"死频带"内天然音频电磁场信号强度极低,正交电磁场分量相干度极低;造成了阻抗视电阻率、相位及相位张量等数据的畸变;畸变范围可达10 k~100 Hz,以5~1 kHz频段最为明显;并且数据畸变程度与观测时段密切相关,在长江中下游地区为秋冬季畸变强夏季弱,日间畸变强夜间弱.处理实例表明:Rhoplus校正方法可以有效地处理AMT"死频带"内畸变的视电阻率、相位数据,相干度阈值与人机交互相结合的处理策略快速客观,所得结果曲线光滑连续,数据与实测未畸变数据基本一致.     

2.5维可控源音频大地电磁法Occam反演理论及应用

Occam反演是一种正则化的光滑模型反演方法,它在寻找最小拟合差的同时追求最光滑模型.因地下介质的电性通常是连续变化的,Occam反演考虑了地下介质横向和纵向的光滑情况,应用Occam反演避免了模型电性参数被随意间断.通过建立层状和存在两个异常体的模型,利用2.5维可控源音频大地电磁有限元法作正演响应计算,对响应数据基...     

隧道强干扰环境瞬变电磁响应规律与校正方法:以TBM为例

以隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,TBM）为例模拟了隧道强干扰环境下,瞬变电磁超前探测的响应曲线,系统分析了异常体（以直立充水断层为例）与掌子面距离、围岩电阻率差异、TBM长度、异常体规模等条件下的曲线特征和影响规律,发现TBM干扰源表现为低电阻率目标特征,其影响主要集中在早期,对于电性差异较大或目标规模较大的低电阻率异常（充水断层）模型能够明显地通过衰减曲线区分.根据电磁场叠加原理,将隧道腔体中包含TBM模型的响应减去纯隧道腔体响应可以获得TBM的响应信号,以此作为干扰背景,从实际包含TBM和充水断层的隧道模型总响应中减除,获得去除TBM干扰的响应信号.通过8组算例进行对比,发现经过校正的衰减曲线与模型计算曲线吻合较好,视电阻率曲线差异相对较小,能够表现探测区域的电性分布情况,确认该方法在不同情况下的适用性.即使在TBM响应计算时给定背景电阻率与实际电阻率差异达到100%的情况下,依然能够通过校正获得合理的响应信号和视电阻率曲线.该方法不仅仅适用于隧道环境,对于其他诸如地面、航空、半航空、海洋瞬变电磁勘探同样适用.     

基于循环神经网络的大地电磁信号噪声压制研究

由于天然电磁场源信号微弱,观测数据极易受到噪声干扰,严重影响反演和解释结果.传统去噪方法依赖于人工对时间序列和功率谱的筛选,去噪效率低,主观性强.本文提出利用循环神经网络对大地电磁时域信号进行特征噪声的识别和提取,进而重构出去噪后的大地电磁信号.在对大地电磁时域信号进行大量分析的基础上,对噪声进行分类并搭建含噪信号数据库,利用该数据库训练了两个循环神经网络,并选取长短时记忆单元优化循环神经网络结构,分别实现含噪数据段筛选和噪声形态提取.对仿真和实测数据分别进行了测试,循环神经网络均能准确筛选出大地电磁信号中的噪声段,本方法在避免人为操作主观性的同时提高了工作效率,视电阻率和相位曲线质量得到明显改善.

     

庐枞矿集区大地电磁测深强噪声的影响规律

天然大地电磁场信号微弱,极化方向随机,极易受电磁噪声污染.张量阻抗分析、远参考技术、Robust估计等对随机噪声和不相关噪声有比较好的压制效果,但对强的相关噪声目前还没有有效的压制方法.庐枞矿集区人烟稠密、工业发达,是我国著名的铁、铜、硫等矿产基地之一,区内强烈的工业、通讯、矿山、民用等电磁干扰严重污染了大地电磁测深数据.本文首先根据实测的电磁场时间域波形和卡尼亚电阻率测深曲线形态,挑选出基本未受噪声污染的测点(Y1650).然后利用数学形态学从受严重污染的电磁场时间序列中提取出类方波、三角波、阶跃、脉冲和充放电5种典型噪声的波形,并以不同的方式将这些噪声波形与Y1650的电磁场波形叠加,对比分析加噪后Y1650点电阻率和相位测深曲线的变化,进而归纳出典型强噪声对庐枞大地电磁测深资料的影响规律,为进一步压制强噪声和资料处理提供依据.     

大地电磁的人工鱼群最优化约束反演

大地电磁的反演问题是非线性,如果采用线性反演方法容易陷入局部极小,使得反演结果非唯一性严重.本文将人工鱼群算法引入到地球物理反演之中,提出了非线性的大地电磁人工鱼群最优化反演.该方法不需要进行偏导数的求取,可以对反演的范围进行约束,以减小反演结果的非唯一性.同时我们对搜索步长进行了改进,给出适用于大地电磁反演的人工鱼群参数.大量的理论数据试算表明,人工鱼群反演算法能够较好地寻找到全局最优解.实测数据的处理结果表明,该方法可以用来处理实际资料,并且能够取得很好的应用效果.     

电阻率和速度随机分布的MT与地震联合反演

在已有研究成果的基础上,为了适应物性参数剧烈变化的复杂模型并满足联合反演的要求,开发了速度和电阻率随机分布共网格单元模型的建模技术.基于这种统一的物性随机分布的网格介质模型,利用有限元方法和改进的射线追踪法分别正演计算大地电磁场和地震走时,结合改进的模拟退火算法,研究实现了电阻率和速度随机分布条件下的大地电磁与地震资料的同步联合反演.对物性界面不完全一致和物性变化剧烈的带地形复杂模型的试验,表明了该方法在精细反演复杂电阻率和速度结构方面的效果,克服了以往研究局限于简单模型的不足.对地震资料品质差的地区开展的实际资料联合反演,表明了方法的适用性,先验信息约束下的联合反演提高了反演精度.     

基于优化聚类的人工源电磁法数据信噪分离方法

为了降低强电磁干扰对人工源电磁法(Controlled Source Electromagnetic Method, CSEM)有效信号的影响, 改善CSEM实测数据处理结果因人而异且效率低的不足, 本文针对CSEM有效信号周期性特征提出了一种加权自适应带宽均值漂移聚类(Weighted Adaptive Bandwidth Mean-Shift Clustering, WAB-MSC)信噪分离方法.首先在传统均值漂移聚类(Mean-Shift Clustering, MSC)算法的基础上增加核函数, 降低处理结果对带宽选择的敏感度, 提高算法的稳健性; 其次结合实测CSEM数据的分布特征提出了一种基于局部密度梯度的带宽估计方法, 实现了自适应带宽选择; 最后通过仿真数据与实测数据对本文方法进行了验证, 结果表明: 本文方法能有效消除强电磁干扰对CSEM数据的影响, 最大程度保留受噪声影响较小或未受噪声影响的数据, 提高数据信噪比, 降低强干扰噪声对CSEM初始资料的影响程度, 获得更为真实的地电响应模型, 为后续数据处理提供保障.

     

基于矢量有限元的带地形大地电磁三维反演研究

研究了基于矢量有限元方法的大地电磁带地形三维反演算法并开发了三维反演计算程序代码.在大地电磁场正演数值模拟方面,采用并行直接稀疏求解器PARDISO且无需进行散度校正的快速正演方案,对典型地形模型,在中等规模计算条件下,与双共轭梯度法（BICG）计算结果比较,发现PARDISO比BICG快10倍以上;通过理论模型试算,并与前人的有限元法计算结果对比,验证了带地形三维正演计算程序的正确性.在反演方面,本研究基于共轭梯度方法编写了大地电磁带地形三维反演代码,为了避免直接求取雅可比矩阵,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次"拟正演"问题,进而将PARDISO的快速正演方案应用于"拟正演"问题的求解,以提高反演计算效率.利用开发的反演算法对多个带地形地电模型的合成数据进行了三维反演,反演结果能很好地重现理论模型的电性结构,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了某矿区大地电磁实测数据,反演得到的三维电性结构清晰地反映了研究区的地电特征,将反演结果与该区已有地质资料结合进行解释,应用效果明显,进一步验证了本文算法的有效性.     

The inversion of the data of magnetotelluric sounding and electromagnetic frequency sounding with horizontal electric dipole

On the basis of the dispersion relation of magnetotelluric response functions (MTRF), a filter coefficient algorithm has been made, with which the corresponding impedance phase data can be estimated using a set of apparent resistivity data. The tests of theoretical models and observed magnetotelluric (MT) data show that this algorithm is effective. Comparing the impedance phase estimated using dispersion relation with the observed phase, it can be checked whether the dispersion relation between the observed apparent resistivities and phase data was satisfied. The use of phase data corrected using the dispersion relation in the joint inversion for MT impedance is advantageous to obtain more reliable inversion results. The problems on the one-dimensional joint inversion for the (MT) apparent resistivity and the apparent resistivity of the frequency electromagnetic sounding (FEMS) with horizontal electric dipole, whose observed frequency bands are linked up each other, are studied. The observed data of two kinds of electromagnetic (EM) methods at two sites are used to inverse, the comparison with the drilling data show the results are more reliable. To supply the phase data of FEMS using the dispersion relation, for the apparent resistivity-phase data and impedance real part-imaginary part apparent resistivities of two kinds of EM methods the imitated MT joint inversions are made, and more similar results also are obtained. The Chinese version of this paper appeared in the Chinese edition ofActa Seismologica Sinica,15, 91–96, 1993. The projects sponsored by the Chinese Joint Seismological Science Foundation.