（地球探测与信息技术专业论文）fir数字滤波技术在电磁法勘探中有效信号的提取研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 大地电磁测深法( m ，r ) 和可控源音频大地电磁法( c s a m t ) 等频率域电磁法是地球物 理勘探的主要方法，也是进行金属矿勘查、石油勘探、地热调查、深部地球物理探测的有 效手段。然而，由于电磁测深的电磁波场特征和数据处理的局限性，信号分辨率较低，这 一直是实际工作中困扰m t 或c s a m t 广泛应用的问题。在电磁法勘探中提取有效信号，实现 高质量的数据处理，以获得可靠的电磁响应函数是十分重要的。根据原始资料特征及后期 数据处理要求，本文提出将f i r 数字滤波技术应用于电磁法勘探中时间域序列去除噪声、 提取信号的预处理。 文章通过傅立叶变换对电磁信号进行功率谱估计，得到有效信号和干扰信号的频率特 性，并根据电磁法实际工作中各频段采样率及有效信号的频率特征，拟定滤波器的性能指 标，研究实现目标的高效f i r 滤波算法。 针对系统中信号采样频率非常高而采用常规方法无法进行窄带f i r 滤波器设计这一特 点，本文结合多采样率信号处理的基本理论设计窄带f i r 数字选频滤波器，主要是在滤波 过程中，通过对信号进行抽取、内插等来实现的。通过分析所设计f i r 滤波器的频率特性、 抗混叠特性、去镜象特性，说明了采用多采样率结构设计窄带f i r 滤波器能够有效地从通 带宽度、通带波纹、截止频率、阻带衰减等方面对窄带f i r 滤波器的性能进行控制。 通过理论数据模拟、天然场棚、以及人工场c s a m t 实测数据的滤波去噪分析，结果表 明，原始资料中的噪声被很好的滤除，有效信号能明显的突出。经过滤波预处理的数据再 进入常规数据处理，所得到的阻抗结果有明显的改善。 关键词：大地电磁测深可控源音频大地电磁法 f i r 数字滤波 多采样率信号处理去噪分析信号提取 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t a c t i n ga sm a j o rm e t h o d so f g e o p h y s i c se x p l o r a t i o n ， f r e q u e n c yd o m a i n e l e c t r o m a g n e t i c s s u c ha s m a g n e t o t e l l u r i c s( m t ) a n dc o n t r o l l e d s o u r c e a u d i o f r e q u e n c ym a g n e t o t e l l u r i c s ( c s a m t ) e t c ，a r ee f f e c t i v ei nm e t a lm i n e 、o i l a n dg a se x p l o r a t i o n 、 g e o t h e r m a ls u r v e ya n dd e e p e re a r t he x p l o r a t i o n b u tt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eu n d e v e l o p e dd a t ap r o c e s s i n g1 e a d m to rc s a m th a s1 0 ws i g n a lr e s 0 1 u t i o n ， w h i c ha r et h em a j o rf a c t o rt h a tr e t a r dm t o rc s a m tf r o m b e i n gw i d e l yu s e d i t sv e r y i m p o r t a n tt h a tg a i nr e li a b l e e l e c t r o m a g n e t i cr e s p o n s ef u n c t i o n sb ye x t r a c t i n ge f f e c t i v es i g n a lt oa d v a n c i n g b e t t e rd a t ap r o c e s s i n g i nt h is p a p e r ，a n a l y z i n gf e a t u r e so f m to rc s a m tti m es e r i e s a n dd a t ap r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s ， am e t h o db a s e do nt h ef i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ( f i r )d i g i t a lf i1 t e r i n gt e c h n 0 1 0 9 yi no r d e rt o d e n o i s i n ga n de x t r a c t i n gt h e s i g n a l si ne l e c t r o m a g n e t i c se x p l o r a t i o ni sr a i s e d i nt h i sp a p e r ，a n a l y z i n gt h es a m p l i n gr a t eo fd i f f e r e n tb a n d s ，a n dt h ed o w e r s p e c t r u mo fs i g n a lo rn o i s eb yf o u r i e rt r a n s f o r m ， w ed i s c u s s e df i l t e rp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r sa n dr e s e a r c h e dt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i th r n u n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hs a m p l i n gr a t e ，c a n ta d o p tt h em e t h o do ft h en o r m a l r e g u l a t i o n st oc a r r yo nt h ed e s i g no ft h ef i l t e ro fn a r r o w b a n df i r s ot h i sp a p e r d e s i g n e dt h ef i l t e ro fn a r r o w b a n df i rb a s e do nt h e o r i e so ft h es a m p l i n gr a t es i g n a l p r o c e s s i n g ， i t m a i n l yc a r r i e do ns a m p l i n gt ot h es i g n a l ， s u c ha sd e c i m a t o r 、 i n t e r p o l a t o r ， e t c t h ep a p e ra n a l y z e di t sc h a r a c t e r i s t i c s ， s u c ha sf r e q u e n c i e s r e s p o n s e ， a n t i a li a s i n ga n da n t i i m a g e ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sm e t h o dc a n e f f i c i e n t l yc o n t r o lt h ep e r f o r m a n c eo fn a r r o wb a n df i r f i l t e r sw h i c hc o n c l u d ew i d t h o fp a s s b a n d ，a t t e n u a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo fp a s s b a n d ，r e c t a n g u l a rc o e f f i c i e n t a n da t t e n u a t i o no fs t o p b a h d a n a l y z i n gt e s td a t ei nt h e o r ya n dp r a c t i c eo f m ta n dc s a m tb a s e do nf i rd i g i t a l f i l t e r i n g ，n o i s eh a sb e e nf i l t e r e d ， s i g n a lh a sr e f l e c t e d ，a n dt h ei m p e d a n c er e s u l t h a st u r n e db e t t e r k e yw o r d s ：m t ，c s a m t ， f i rd i g i t a lf i l t e r ， m u l t i - r a t es i g n a l p r o c e s s i n g ， t r a p p i n gn o i s e s ，s i g n a le x t r a c t i o n - i i 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性申明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在林品荣教授指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：盔鏖笙 签字日期：塑曼：蔓! ! 丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保留送交论文的印刷本和电子版，并提供目 录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以公开论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签名： 签字日期： 桂林工学院硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章引言 当前人们利用各种技术方法来了解地下信息，信息探测技术及仪器的研制得到迅速的 发展。对地下目标探测获取的信息可以用来进行综合解释，从而为资源勘探与评价、工程 勘察、地质灾害预测和环境生态评价提供科学依据。电磁法探测是地球物理勘探的一个重 要手段，最近5 0 年来得到迅速的发展和应用。 依据电磁场理论建立的地球物理探测方法统称为电磁法，即利用某种形式的场源激励 探测对象而产生电磁感应信号，根据检测信号来反演估计探测对象的方法。就目前的发展 状况来看，主要有以下两个最具代表性的分类研究方向乜1 ： ( 1 ) 时间域电磁法( 如瞬变电磁法t e m ) ，主要研究电磁响应与时间的关系。 ( 2 ) 频率域电磁法，主要研究电磁响应与频率的关系，利用发射频率的变化或收发距 的变化来实现对不同深度目标的探测。 大地电磁测深法( m t ，m a g n e t o t e l l u r i c s ) 和可控源音频大地电磁法( c s a m t ， c o n t r 0 1 l e ds o u r c ea u d i o f r e q u e n c ym a g n e t o t e ll u r i c s ) 是两种有效的频率域电磁法， 得到了重视和应用，它们分别以天然的和人工的电磁场信号为场源，利用电磁感应作用和 电磁场的趋肤效应，从而获得地下不同深度介质电阻率分布的信息，其理论基础是大地电 磁测深法刮。 由于大地电磁测深法是一种以天然交变电磁场为场源的电磁勘探法，这种天然的交变 电磁场信号微弱，所以野外观测数据不可避免地会受到各种噪声的污染，相对而言，可控 源音频大地电磁法的观测信号为人工控制，信号具有规律性、周期性、信号强度也大于天 然场，但在环境电磁噪声较强时，其观测数据质量同样难以得到保证。因而研究干扰条件 下m t 、c s a m t 的信号提取技术、压制噪声、增强观测数据质量是一个十分重要的课题。 f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ，有限冲击响应) 数字滤波技术，是对数字信号进行 滤波处理以得到期望的响应特性的离散时间系统。其突出优点是具有很好的稳定性和线性 相位特征，在数字信号处理中被广泛应用。它可以实现线性相位，不会导致信号的波形畸 变。将该技术应用于电磁法勘探中有效信号的提取研究，可以在频率域直观的分析滤波的 有效性，而滤波的过程是在时间序列实现：能有效地实现信噪分离，从而实现电磁法勘探 中高质量的数据处理，获得可靠的电磁响应函数。对干扰严重的m t 、c s a m t 数据在进入常 规处理前，通过f i r 数字滤波对其时间序列进行处理，再转入常规计算，信噪比会有所提 高，阻抗结果也能得到改善。 桂林工学院硕士学位论文 1 2 研究现状及发展 5 0 年代初期，吉洪诺夫、卡尼尔的经典性著作奠定了大地电磁测深的基础。大约经过 1 0 年，大地电磁测深在理论上和技术上取得突破性进展之后，走上了实用阶段，取得了一 批应用成果。进入7 0 年代以后，由于磁探测器及有关信息处理技术的进展、加上电子计 算机等相关技术的飞速发展，使m t 得以在1 0 1 0 k h z 的音频范围内应用。这通常被称为 音频大地电磁法( a m t ，a u d i o f r e q u e n c ym a g n e t o t e l l u r i c s ) 。2 0 世纪8 0 年代末兴起了可 控源音频大地电磁法，它是一种地球物理勘探新技术，是在m t 和a m t 基础上发展起来的 一种可控源频率测深方法。随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术和信号处理技术 日新月异的变化，电磁测深仪器系统不断更新换代，资料处理技术不断改进、完善，反演 解释由简单向复杂、由一维、二维向三维发展伊1 2 1 。 我国电磁测深始于1 9 6 5 年国家地震局兰州地震研究所在西北进行的工作。之后，地 震局地质研究所、石油工业部物探局、地质矿产部物化探研究所、中国科学院地球物理研 究所等单位相继在华北平原、内蒙古、青藏高原等许多地区开展了一系列工作，取得丰富 资料口1 。在仪器研制、方法研究、软件开发等方面都取得了很大的进展。每年投入的工作 量和完成的任务都逐步增长，在有关理论方面的研究基本上保持了与国外先进水平的同 步，但在仪器等硬件方面的研究还远远落后于发达的欧美国家。 对地球物理电磁测深法中噪声的抑制问题，是国内外一直注目研究并不断取得进展的 课题。为了保证数据采集质量，需要有高灵敏度、高稳定性、抗干扰能力强、性能优良的 仪器，也需要有好的、有效的抑制电磁噪声影响的数据处理方法。 2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，在大地电磁测深资料的处理中，国外开始应用数字滤波 技术。这种技术的应用是从瑞福特( 1 9 6 7 ) ，摩尔生( 1 9 6 8 ) 等人以及赫尔曼斯和葛兰( 1 9 6 8 ) 同时期的显然又是独立的著作发展起来的n 钉。1 9 7 5 年，j f 赫尔曼斯对应用于电磁资料 数据处理的傅氏波谱分析、傅氏暂态分析、功率谱分析以及带通滤波等方法进行了讨论对 比。1 9 8 8 年，g m a l e r g u e 提出了时域窄带滤波、级联抽样法等。之后的2 0 年里，随着电子 计算机技术的飞速发展以及人们通过对数字信息不断深入研究，又研究和总结出一些新的 数字滤波的方法，就此发表了一系列成果，将傅氏变换法、时间域滤波法应用于电磁法数 据处理中。 国内，1 9 7 5 年，国家地震局兰州地震研究所大地地磁测深组最先开始了利用数字滤波 法处理大地电磁测深资料的实验研究工作n 7 1 。他们针对如何提高原始资料信噪比的问题， 首先将离散化的场分量记录资料在时间域上进行窄带滤波，然后利用滤波器的输出求取张 量阻抗和视电阻率值。分别于1 9 7 6 年和1 9 8 1 年在兰州大学学报( 自然科学版) 第0 4 期和大 地电磁测深一书中发表了题为大地电磁测深中的数字滤波和用数字滤波法处理大 地电磁资料等相关文章。1 9 7 8 年赵国泽研究了数字滤波等大地电磁资料处理方法并研制 2 桂林工学院硕士学位论文 了相关软件。 1 9 8 5 年广东省地震局的孙崇赤发表了大地电磁资料处理的计算方法一文n 引，详细 探讨了大地电磁资料处理的几种基本方法，阐述了数字滤波方法在数据处理上压制、消除 噪声，提高计算精度的作用。 1 9 9 3 年，国家地震局兰州地震研究所的林长佑在研究大地电磁响应函数频散关系的基 础上，构制了一套滤波系数算法，以用于由一套视电阻率资料估算相应的阻抗相位，理论 模型和实际大地电磁观测资料的数字试验均证明了方法是行之有效的。 1 9 9 8 年，中国地震局地球物理研究所的任熙宪对数字多道预测滤波技术应用于排除小 型地震地磁台网短周期总强度数据噪声的有效性进行了探讨n 钔，结果表明，该技术可以通 过利用外源磁扰矢量来有效地拟合总强度差值中的内源电磁感应差值场，从而成功地降低 差值的噪声水平。 2 0 0 4 年，邓靖武陟2 妇提出将抽取滤波应用于海底大地电磁探测中，结合海底大地电磁 仪器的海上试验，通过分析采集的时间序列及其频谱曲线，说明海底大地电磁仪中使用的 抽取滤波是合理、可行的。 国内的数字滤波技术在电磁法探测中的应用研究取得了较大的发展，但实际上根据观 测仪器问的差异和需解决问题的特点，所设计的滤波方法间也存在很大差别。上述关于电 磁法探测中的数字滤波研究，不同的学者采用的方案各不一样，没有统一认定的方案。因 此，在地球物理电磁法数据处理中，结合观测仪器的特点，设计出具有良好性能的数字滤 波器，从而达到压制噪声，获取有效信号，尤其是在较强人文电磁噪声环境下提高野外观 测数据质量是研究数字滤波技术的趋势之致。 1 3 本文主要研究内容 本论文以频率域电磁法为研究对象，。以大地电磁测深法为理论基础，围绕地球物理电 磁测深法中原始资料特征及后期数据处理的要求进行有效电磁信号的提取研究。主要研究 内容如下： ( 1 ) 深入了解大地电磁场理论，分析天然电磁场与人工电磁场各自的特点；在对电磁测 量中环境噪声基本了解的基础上，考察噪声干扰对待测信号及估算结果的影响。 ( 2 ) 全面分析和探讨f 工r 数字滤波理论和设计方法：研究窗函数法、模块法、多抽样率 转换等多种f i r 数字滤波器设计方法。 ( 3 ) 结合a m t 、c s a m t 信号特点及后期数据处理要求，研究滤波算法，设计能同时实现 带通( 滤出有效带外干扰) 及陷波( 压制5 0 h z 及其谐波) 功能的f i r 数字滤波器，以获取高 质量的a m t 信号，设计多采样率f i r 数字选频滤波器，以提取c s a m t 勘探中发射机所发射 的有效信号。 桂林工学院硕士学位论文 ( 4 ) 应用本文所研究的信号提取方法与技术，通过理论数据仿真及野外实测a m t 、c s a m t 资料处理解释，详细地比较分析、解释成果，证明数字滤波技术在电磁法勘探中压制干扰、 提取有效信号的实用性。 ( 5 ) 在完成本论文过程中编制相关的计算机程序，文中研究的所有方法技术均已编制 出相应的可运行程序，并已应用到实际的电磁测深资料处理中。 1 4 本文技术路线 为了完成上述的研究内容并达到预期的研究目的，论文采用的技术路线为： ( 1 ) 在充分利用和借鉴前人工作的基础上，深入了解大地电磁场理论和特征，紧紧围 绕如何在电磁法勘探中的复杂背景条件下提取有效信号这个根本出发点，运用基于傅立叶 分析的噪声识别方法研究观测数据的频谱特征和后期数据处理的技术要求，提出将f i r 数 字滤波技术作为解决方案。 ( 2 ) 用软件实现滤波过程，即是运用一段线性卷积程序，设数字滤波器的输入为x ( 门) 、 一l 冲击响应为 ( 刀) 、输出为j ，( 玎) ，其数学表达式可表示为y ( 玎) = j i l ( 七) 工伽一七) ，关键技术 七= 0 就是要设计出满足性能指标并且适用于各个频段的多组权系数 ( 刀) ，且系数可根据指标参 数的变化可调。 ( 3 ) 针对a m t 、c s a m t 两种电磁测深法中各频段采样率不同这一特点，采用直接滤波、 多抽样率转换滤波、选频等去噪技术，并研究这些技术在信号提取中的特殊问题。分析并 采取有效措施解决设计过程中的问题，通过试验中的多次取值、寻优、逼近、分析设计中 的不足、并对细节进行完善，最终使高效f i r 数字滤波器的性能指标达到设计要求。 ( 4 ) 通过设计方法在理论数据、野外实测数据中系统地应用，对数据处理结果进行详 细地对比、分析，证明方法技术的实用性和有效性。 图卜1 是本文采用的技术路线图。 桂林工学院硕士学位论文 图卜1 论文研究所采用的技术路线 5 - 桂林工学院硕士学位论文 第2 章大地电磁场理论 大地电磁测深经典的理论基础是由吉洪诺夫( a h t i k h o n o v ，1 9 5 0 ) 和卡尼尔 ( l c a r n i a r d ，1 9 5 3 ) 提出并证明的三点假设口8 1 ：( 1 ) 大地电磁场本身的结构十分复杂，但 场源可近似地看成垂直入射大地的平面波；( 2 ) 若引入波阻抗概念( z = 驯日) ，它可用于 表征地球电性分布对大地电磁场的响应；( 3 ) 利用单点大地电磁测深观测研究地球电性分 布是可能的。这三点假设都与大地电磁波场理论密切相关，可以说，分析大地电磁波场理 论是研究一切大地电磁问题的基本出发点。 本章将简要阐述大地电磁场主要特征、均匀水平层状介质( 吉洪诺夫一卡尼尔模型) 中 的大地电磁波场理论，最后简要介绍a m t 和c s a m t 数据采集与处理技术。目的在于为研究f i r 滤波技术在频率域电磁法资料处理中的应用提供必要的理论基础。 2 1 大地电磁场的主要特征d 7 1 大地电磁场的结构十分复杂，它随时间和空间的位置都是变化的，它包含有各种不同 的频谱成分，并以不同的形态出现。大地电磁场具有很宽的频率范围，大致从1 0 2 h z 到 1 0 。4h z 。不同频率的电磁场互相叠加在一起，形成一个非常复杂的电磁振动。在这个频率 范围内的地磁振动按其频率高低、振幅大小、振动形式及分布特征又可分为几类，每类有 各自的、不完全相同的激发机制。第一类为雷电干扰，或称为天电，主要指大气圈中的放 电现象所引起的电磁扰动；第二类为磁暴及主要出现于极区的磁亚暴，表现为磁场强度的 剧烈变化，振动极不规则；第三类，地磁脉动，这是一种似周期振动形式的特殊的短周期 振动。 雷电信号：频率高于1 h z 的大地电磁场主要来自于气象活动，特别是与雷电有关的闪 电活动，它由一系列主频率为数千赫兹的高频振动和主频为数百赫兹的非周期振动组成。 通常距雷电活动较近的位置上1 一1 0 毗的频率范围内，往往具有很高的能量密度，在较低 的频率区间上能量密度则相对较低。由于趋肤效应，电磁场传播距离愈远，高频分量衰减 就愈厉害；而低频分量由于能量在地球的表面和电离层之间来回反射，使得电磁波在传播 过程中有些频率成份得到增强，有些减弱，形成明显的谐振响应一频率为4 、8 、1 2 、2 0 、 2 6 h z 的电磁场具有较大的振幅( 图2 1 ) 。雷电信号的强度通常还与场源的位置及电离层 的性质有关，在低纬度地区信号强度比高纬度强( 主要是雷电活动多) ，下午比上午强，夏 季比冬季强。一般说观测点离场源都比较远，所以有理由将这种场近似地看成是均匀场。 在a m t 中正是利用了频率在几百赫兹以上的高频成分。 桂林工学院硕士学位论文 481 21 6私2 8 驼f ；( h z ) 图2 1 苏曼谐振腔模式的谐振峰特征 磁暴与磁亚暴：这种地磁扰动的特征的是磁场强度，尤其水平分量变化很大，呈现极 不规则形状。磁暴可能具有地方性，只有在有限的经度和纬度范围内观测到，也有可能遍 布全球，而且有很大的强度，后者又称为全球性磁暴。研究表明，磁暴的频率与太阳活动 性的关系非常密切。在黑子活动强的年份磁暴频率也高，而且大磁暴出现的次数也多。磁 亚暴多半出现在极区。在磁暴或磁亚暴出现的时候，总有许多不同频率的振动叠加在大周 期的振动上面，形成很复杂的振动。这样丰富的频率成分和较强的振动对大地电磁测深野 外工作十分有利。 地磁脉动：地磁脉动是大地电磁测深最重要的场源，其振幅周期大致为0 5 s 到1 0 3s 。 它源于地球恒定的磁场与太阳等离子体流之间复杂的相互作用，即由于太阳向外辐射的离 子化气体，破坏了电离层的平衡，激起了地球磁层的振动，造成了地磁场的日变化和瞬时 变化，从而引起大地电磁场的振动变化。地磁脉动记录特征一般可分为两大类型：第一类 为连续振动，p 型；第二类为不规则振动，只型。 e 振动大致呈似正弦波形，并且能持续较长时间；只振动呈不规则波形，而且频谱 变化较大。每一类中根据其周期、强度、出现时间及随纬度的分布规律又可细分为若干类 型，即只。、：、只，、。、只，、。以及晶、只：、昂等( 表2 1 ) 。 表2 1 地磁脉动分类表 类 p c p ； 型 p c lp c 2 p p i lp i 2p i 3 周期 ( 秒) 0 2 55 1 0 10 4 54 5 1 5 01 5 0 6 0 0 6 0 0 1 4 04 0 1 5 0 15 0 大地电磁场的频谱特征：大地电磁场在频率域上的频谱不仅在不同的地区存在差别， 而且在不同时间上也存在较大的差别，不同的频段上更是差别明显，图2 2 是一幅全球电、 o 各e)joo正 桂林工学院硕士学位论文 磁场强度平均振幅谱的特征图。从图上看，在整个频段上，振幅的动态范围通常可达 6 0 1 5 0 扭。从强度上看，据电磁场强度的大小可分为三个频段：4 段o 1 0 0 0 0 l 胁：曰 段0 1 7 胁；c 段 7 舷。彳段为低频段，随着频率的降低，电磁场强度逐渐增强，并在 某些频点上出现极值；丑段为中频段，在此频段上谱的强度最弱，特别是在l 舷左右，电 磁场的强度最小，即为平常所说的“死频段”。虽然强度低，但相对而言，在这一频段的 强度相对比较平稳，有利于观测和处理；c 段为高频段，谱的强度随频率的增大而增强， 在2 姚左右有一个局部极小值。 茭舻 。、，坚一、厂、 1 e + 41 e + 31 e + 21 e + 11 e + o1 e 一11 e 一21 e 一3 1 e 一4 一0 h i ) 图2 2 全球电、磁场强度平均振幅谱特征 大地电磁场的极化往往与场源的性质和大地的性质有关，因此磁场的水平分量，因较 少受到地下介质的影响，较多的具有原始场的特征，而电场分量，除与场源的性质有关外， 还较多的受到地下介质电性的影响，常具有一个较为稳定的极化方向。基于这些因素大地 电磁场的时变与日变存在一些差异，磁场的平均强度可能受磁暴的影响有较大的变化，而 电场平均强度通常是随时间平稳变化的，1 小时变化一般不超过1 0 1 5 ，但一昼夜平均场 强的极差也可达到1 5 0 1 7 0 。从图上，我们也可以看到，电、磁频谱特征之间的极值具有 很好的相关性，两者在中频段均较弱。电场高频信号大于低频信号，在高频段，随频率的 减小幅度变低的梯度较大；而在低频段随频率减小信号增强的梯度较弱。磁场高频信号小 于低频信号，在高频段虽然随频率降低，信号变弱，但变化梯度较小；而在低频段随频率 的降低，信号增强的梯度很大。了解并掌握大地电磁信号的这些特征，对我们在进行信号 采集时，如何合理地设置频段、电场和磁场的前置增益是十分重要的。可靠高分辨的数据 采集技术为进一步的资料处理解释及研究提供保证。 2 2 卡尼尔、吉洪诺夫模型中的大地电磁场n 总嗡1 在卡尼尔、吉洪诺夫经典理论中，假设场源位于高空，形成入射到地面的、均匀的平 面波。地质模型选取为水平的层状介质。每层内介质的电性是均匀的、各向同性的。我们 8 峭 屹 咀 叼 吨 吨 叼 叫 堰 墟 墟 墟 堰 墟 堰 堰 j j 桂林工学院硕士学位论文 选用笛卡儿右手坐标系，z 、y 轴在地表水平面内，z 轴铅直向下。如图2 3 所示。 o _ x，r ，y 7 ，_ r p - t 图2 3 卡尼尔吉洪诺夫模型 由于射入到地下后波前平行于地面，故一次场中不存在垂直分量。假设作为场源的高 空中的电流层是沿石轴方向流动的( 这并不失去一般性) ，由其产生的均匀场可作为一次场， 其方向垂直于电流层的流动方向，因此，只有y 分量风。由于一次场是随时间变化的， 从而生成一次的涡旋电场e ，。它在地下介质中构成电流，成为二次场的源。由于地下介 质在任一水平方向都是均匀的，所以二次场也只有日。和e 。分量，而且沿水平方向是均匀 的。这样，总的电磁场由下列分量组成： 雷= ( 巨，o ，o ) ，疗= ( o ，q ，o ) ( 2 1 ) 且各分量对工、y 的导数皆为o 。 任何电磁场问题的解都是基于麦克斯韦方程组，它在国际单位制中的表达式为： 另外： d = e ，b = “h ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 一凹一西 一劬一御 一 ) d 一 刊 却 却 一肚 一肌 一瞎 一肚 一地 一蚰 一晒 一啊 桂林工学院硕士学位论文 式中，雷、疗分别为电场强度矢量和磁场强度矢量，西、雪为电位移矢量和磁感应强 度矢量，占为介电常数，是导磁率。 此外还有，电磁场中电流密度歹和雷的关系为： 7 = 仃雷 ( 2 7 ) 式中：导电率仃为 仃：土( 2 8 ) 仃= 一 l z 一石j p 电阻率p 是描述介质电学性质的主要物理量，大地电磁测深法实际上是通过对地面电 磁场的观测，来研究地下岩石电阻率分布的情况。实际工作中磁场疗的测量单位用伽马， 电场豆的单位用毫伏公里，长度单位用公里，电阻率单位用欧姆米，这就构成大地电磁 测深法本身特有的实用单位制，他们和国际单位制之间的推算关系为： 1 伽马= l o 。2 安培米 ( 2 9 ) l 毫伏公里= l o _ 6 伏米 ( 2 一1 0 ) 对( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式两边取旋度，进一步推导可得： ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 分别为谐变场情况下，电场矢量和磁场矢量的波动方程。利用傅 立叶变换能将任意随时间变化的电磁场分解为一系列谐变场的组合，通常取p 一细为时域中 的谐变因子，这样，式( 2 1 1 ) 就简化为： v 2 雷= 一f 掣( 仃一f 砌) 雷= 一七2 昱 ( 2 1 3 ) 其中： 七：历孑瓦i ( 2 1 4 ) 为传播系数。式( 2 1 3 ) 称为亥姆霍兹方程。该式右侧第一项表示传导电流的作用，而第 二项表示位移电流的作用。在大地电磁测深方法中应用的频率范围为l o 一1 0 3 以，构成地 一饱一西 一甜一钟 。弘 旧 加 争等 舱 船 = = 一e 一 弘 弘 桂林工学院硕士学位论文 球的介质电阻率范围可取卜1 0 0 0 q 聊，这样，可以求出位移电流与传导电流的最大比值为 5 l o 。，所以，可以忽略位移电流的影响( 在空气中例外) 。因此在大地电磁测深法中，实 际上处理的是似稳电磁场。这样，传播常数的表达式简化为： 七= f 掣仃 ( 2 一1 5 ) 庀= 、j 掣仃 ( z 1 5 ) 这里我们引用一个结论：卡尼尔、吉洪诺夫模型中，电场分量e ，只和以有关，日，只 和e 。有关，它们都沿z 轴传播，物理学中称这种波为线性偏振波。通常以沿y 方向的分量来 命名线性偏振波，称髟一日，为e 偏振波，称日，一只为h 偏振波。另外，由于平面电磁波 亦称为t e m 波( 横电磁波) ，我们还把e 偏振波称为t e 波，日偏振波称为t m 波。 参考文献 7 给出了日偏振波的波动方程： 等埘或= 。 ( 2 _ 1 6 ) 其解一般为： q = 彳p 吨+ 眈b ( 2 1 7 ) 式中彳和b 是待定的积分常数，它由边界条件和初始条件来确定。由于在无穷远 ( z 一) 处场q = o ，它要求积分常数b = o 。于是， q = 彳p b ( 2 1 8 ) 进一步推导可得： 何，：风，p 一枷p 一等“1 一 ( 2 1 9 ) 式中风，和p 一蛔分别是地面上磁场h ，的振幅和时域谐变因子。波长五是沿传播方向上 相邻同相点之间的距离。上式表明：随时间谐变的电磁场在均匀各向同性介质中传摇时， 沿传播方向是谐变的，并且按指数规律衰减。 考虑到介质对电磁波的吸收作用，还引入穿透深度的概念。穿透深度( 也称集肤深度) 表示场振幅衰减为地面值1 p 时的电磁波传播的距离。用万表示穿透深度，有关系式： p 一争：p t( 2 2 0 ) 显然， 万：上五 2 万 = 圭河两( 公里) ( 2 2 1 ) z 万 其中丁为电磁场谐变的周期。上式说明，电磁场变化的周期越长，介质的电阻率越高， - l l 桂林工学院硕士学位论文 电磁场能量在传播过程中损耗越小，因而穿透得越深。这一点构成了大地电磁测深，也是 可控源电磁测深的物理基础。在占有其它资料从而对工区的地电断面有所了解时，利用图 2 4 可以针对勘探的深度确定出工作频率范围。图2 4 给出了趋肤深度随周期和介质电阻率 变化的情况。 1 0 1 沁、 迫 s 弋 弋s 图2 4 趋肤深度与变化频率及介质电阻率之间的关系 1 0 f i 【h 1 ) 为了研究均匀各向同性大地介质的电阻率和地面电磁场测量值之间的关系，大地电磁 测深法中引入波阻抗的概念。平面波的波阻抗定义为： z ：旦 h 波阻抗的单位为欧姆。选用大地电磁测深法中特有的单位制后， 的测量电磁场的单位计算电阻率的公式为： p = 。2 丁i z l 2 = 。2 丁i 吉1 2 ( 2 2 2 ) 按大地电磁法中常用 ( 2 2 3 ) 这也是大地电磁测深法中最基本的关系式，它表明，均匀各向同性条件下，任一点测 得的任一频率的电磁场水平分量振幅值，就按( 2 2 3 ) 确定出介质的电阻率。 视电阻率的概念，是从均匀介质中的电阻率和波阻抗之间的关系式引申出来的。借用 ( 2 2 3 ) 式，把不均匀介质情况下的地面波阻抗代入，称其相应的“电阻率值”为视电阻 率。因而视电阻率和均匀介质中的电阻率相比较，它们与地面波阻抗之间的关系式是相同 的： p = o 2 丁lz l ，。1 2 ( 2 2 4 ) 桂林工学院硕士学位论文 这里阻抗z 的脚码的含义是：第一个脚码表示波阻抗所在层面的位置，第二个脚码表 示层状介质的总层数，即z 1 是表示疗层介质的第层顶面处的波阻抗。 一般来说，视电阻率成不是某层介质的真正电阻率，它是层状介质电性参数分布的综 合反映，它与地电断面参数及观测电磁场信号的周期有关。一定频段的大地电磁场有一定 的穿透深度与影响范围，而视电阻率见则表示这一范围内地电断面的“平均效应。显然， 高频电磁场分量分布范围小，平均效应涉及的范围也小；而低频电磁场分量的分布范围大， 平均效应涉及的范围也大，即穿透深度大。 2 3 人工场源对天然场的补偿 可控源音频大地电磁法( c s a m t ) 最早是由加拿大多伦多大学的d w s t r a n g w a g 教授和 他的学生m y r o ng o l d s t e i i l 于1 9 7 1 点提出的，针对大地电磁法场源的随机性和信号微弱性，以 及观测十分困难这一状况，提出了改进方案采用人工( 可控) 场源。八十年代以来， 该方法的理论和仪器都得到了很大发展，应用领域也扩展到普查、勘探石油、天然气、地 热、金属矿产、煤田、水文、工程、环境保护等各个方面。 c s a m t 是一种人工源的频率测深方法陆3 ，但和通常的频率域电磁测深不同，主要因为 c s a m t 法测量两个相互垂直的电、磁场切向分量，并计算卡尼亚电阻率，因而具有较强的 抗干扰能力，且更容易获得对地电变化较灵敏的相位差信息；又由于波区电磁场十分接近 平面波，因而其资料处理解释也较为简便，可以保留a m t 法中的许多解释方法。另外，在 c s a m t 中，同样可以计算频率域电磁测深法中使用的场分量视电阻率，它们和卡尼亚电阻 率的综合解释可以更详细的研究地电断面，且磁场视电阻率更易于透过高阻带，这使得 c s a m t 相比于通常的频率域电磁测深有其更独特的优点。综合其特点是： ( 1 ) 使用人工场源，而不是使用天然场源： ( 2 ) 测量卡尼亚视电阻率； ( 3 ) 改变频率对不同深度进行探测。 2 4 频率域电磁法技术与存在问题 在将f i r 数字滤波技术引入频率域电磁法实测数据处理之前，首先简要介绍我们在 a m t 、c s a m t 探测工作中的数据采集与处理技术啪1 。 2 4 1 数据采集技术 a m t 采集系统乜力通常由传感器与前置放大系统，接收系统和实时处理系统三大部分组 1 3 桂林工学院硕士学位论文 成；c s a m t 采集系统除此之外，还包括大功率发射系统啪1 ，共由四部分组成。在野外实测 工作中，使用多台接收机同时观测，一台置于较安静地区作为固定站，即为参考基站，另 外多台仪器用于测点测量。仪器观测时用时钟同步采集，记录时间序列数据。通常，固定 站系统使用3 道采集，其中一道为磁道，两道为电道，采集数据作为参考数据；流动站系 统使用两道采集，两道均为电道。a m t 野外采集6 个频段数据，如表2 2 所示，c s a m t 野外采 集1 2 个频段数据，如表2 3 所示： 表2 2a m t 数据采集情况表 采集频段采样率( h z )有效频段( h z ) 11 2 8 0 0 03 2 0 0 0 1 5 0 0 2 3 2 0 0 08 0 0 0 3 7 5 3 4 0 0 01 0 0 0 4 6 8 7 5 45 0 01 2 5 5 8 5 9 3 7 5 5 6 2 51 5 6 2 5 0 7 5 63 1 2 57 8 1 2 5 0 3 7 5 表2 3c s a m t 数据采集情况表 采集频段采样率( h z )有效频段( h z ) 11 2 8 0 0 03 2 k 、1 6 k 、8 k 、4 k 、2 k 21 2 8 0 0 02 5 6 k 、 1 2 8 k 、6 4 k 、3 2 k 、 1 6 k 31 2 8 0 0 02 0 4 8 0 、1 0 2 4 0 、 5 1 2 0 、2 5 6 0 、1 2 8 0 41 2 8 0 0 01 0 0 0 、5 0 0 、2 5 0 、1 2 5 、6 2 5 51 2 8 0 0 08 0 0 、4 0 0 、2 0 0 、1 0 0 、5 0 61 2 8 0 0 06 4 0 、3 2 0 、1 6 0 、8 0 、4 0 7 4 0 0 0 3 1 2 5 1 9 5 3 1 2 5 84 0 0 02 5 1 5 6 2 5 94 0 0 02 0 1 2 5 1 01 2 5o 9 7 6 5 6 2 5 o 0 6 1 0 3 5 1 1 1 2 50 7 8 1 2 5 0 0 4 8 8 2 8 1 2 5 1 21 2 50 6 2 5 0 0 3 9 0 6 2 5 野外数据采集时常常仅使用低通滤波技术，即高频段采集数据常常包含低频信息。图 2 5 为电磁法勘探中典型的a m t 时间序列。 桂林工学院硕士学位论文 l 频段 2 频段 3 频段 卜 oh 笳1 乾期期 埘枷聊2 2 4 2 数据处理技术 图2 5 典型的a m t 时间序列( 单道数据，e x ) 采样点 在对a m t 、c s a m t 野外数据进行处理之前，观测野外数据时间域波形的同时，使用f f t 形成谱文件。谱分析是在频率域研究信号的某些特征随频率的分布，如幅度谱、相位谱等 ， 啪1 。它们的定义如下： 设x ( 疗) 为一能量信号，其傅立叶变换 x ( p ，。) = x ( 疗) p 一 ( 2 2 5 ) 称为x ( 刀) 的频谱。一般，x ( p 扣) 是复函数，它可以写成： x ( 扩) = r e x ( p 归) 圳m x ( 扩) ( 2 2 6 ) 由此可得出信号x ( 门) 的幅度谱和相位谱： 幅度谱以( ) ：届可订面而可 2 7 ， 1 5 桂林工学院硕士学位论文 桃谱酬谢1 辎 2 8 ， 傅立叶变换是信号从时间域到频率域的变换纽带，通过分析谱的强度变化及相位特 性，确定信号的频率特性，得到信号在频率域的幅度谱及相位谱，就可以分析带内的关于 信号的各种特征。在f f t 模式中，数据采集的频带以及频谱分辨率主要依赖于采样频率和 时间序列的长度m 1 。 频谱分辨率是指在频率轴上所能得到的最小频率间隔矽，它与采样频率z 和数据长 度的关系是： 厂 醚= 生 n ( 2 2 9 ) 厂与数据长度成反比，数据长度越大，则频谱分辨率鲈越小，所能反映的频谱 的分辨能力越好。一旦确定采样率和频谱分辨率后，要提高傅立叶变换的频谱分辨率，就 只能通过增加数据长度来达到。频谱的频率分辨率越高，对信号频率的估计越准确，信 噪比越高，因此在频谱分析时希望得到高的频率分辨率。a m t 、c s a m t 测深中我们各工作频 段采样率从3 1 2 5 1 2 8 0 0 0 h z 不等(