本發(fā)明涉及地球物理信號處理與分析技術(shù)研究領(lǐng)域，尤其涉及一種瞬變電磁勘探的時間序列信號的疊前去噪技術(shù)。

背景技術(shù)：

長偏移距瞬變電磁陣列法(LOATEM)作為電磁法勘探中的一門新興技術(shù)，愈來愈受到勘探地球物理界的重視。自上世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)學(xué)者開始從事該方法在石油勘探領(lǐng)域里的方法試驗(yàn)與解釋方法研究，先后在南方碳酸鹽巖地區(qū)和鄂爾多斯盆地成功地進(jìn)行了方法試驗(yàn)，取得了一些令人鼓舞的結(jié)果，為該方法進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

盡管LOATEM法具有堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，盡管它在分辨率、信噪比等諸多因素方面優(yōu)于頻域電磁勘探方法，但在數(shù)據(jù)處理與解釋方面仍存在一些十分突出的問題。首先，由于該方法記錄的是時間序列，采樣點(diǎn)密集(0.1至0.5毫秒采樣間隔)，周期長(一般8至64秒)，陣列采集時數(shù)據(jù)量巨大，處理與反演任務(wù)相當(dāng)繁重，現(xiàn)場一般不能及時給出電性剖面，從而影響了對采集數(shù)據(jù)質(zhì)量以及勘探效果的評價。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，電磁法勘探即使在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，其文化干擾依然存在，且到了無法忍受的地步，更不用說發(fā)達(dá)地區(qū)了。雖然LOATEM具有發(fā)射功率大、勘探深度深、抗干擾能力強(qiáng)、方便靈活等特點(diǎn)，但仍有許多測點(diǎn)由于受文化干擾的影響，信噪比很低，其數(shù)據(jù)往往無法解釋。為了提高信解釋質(zhì)量，“去噪”是電磁法數(shù)據(jù)處理的前期基礎(chǔ)工作。目前，去噪的方法很多。針對LOATEM 法時間采樣密度高、單點(diǎn)時間序列記錄數(shù)據(jù)量大、現(xiàn)場疊加處理困難等特點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種瞬變電磁時間序列信號的疊前去噪技術(shù)。

瞬變電磁信號具有早期信號幅值高，衰減快，晚期信號弱，衰減慢，動態(tài)范圍大等特點(diǎn)。常規(guī)的FFT方法因其主要是從全時段的頻域特性分析出發(fā)，難以對瞬變電磁不同時窗的時間序列信號中的噪聲較好地消除。也有學(xué)者研究與開發(fā)了三點(diǎn)指數(shù)逼近非線性平滑去噪和基于小波閾值的信號去噪技術(shù)，取得了一定的效果。目前瞬變電磁法提高信噪比的方法主要是通過疊加和加大發(fā)射源電流來。由于信噪比的提高與疊加次數(shù)的指數(shù)倍成正比，因而依靠疊加次數(shù)來提高信噪比有限。提高發(fā)射電流受儀器功率、器件及接地影響，也只能是一個有限的手段。開展信號識別與提取方法研究，在疊加與加大供電電流的前提下，開發(fā)新的去噪技術(shù)，是目前瞬變電磁法提高資料質(zhì)量的重要途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)LOATEM法時間采樣密度高、單點(diǎn)時間序列記錄數(shù)據(jù)量大、現(xiàn)場疊加處理困難等的缺陷，提供一種可使得LOATEM方法資料處理快速有效，信噪比明顯改善，資料畸變明顯減小，資料品質(zhì)明顯提高，為視電阻率曲線計算，高分辨的精細(xì)反演奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

提供一種瞬變電磁勘探的時間序列信號的疊前去噪方法，包括以下步驟：

S1、存貯瞬變電磁時間序列；

S2、對瞬變電磁測量的場分量時間序列的每個周期衰減曲線進(jìn)行倒序進(jìn)域遞歸濾波；

S3、對濾波后每個周期的場分量衰減曲線進(jìn)行加窗處理，獲取對數(shù)等間隔的場值衰減曲線；

S4、采取設(shè)定閾值的統(tǒng)計疊加處理方法，對對數(shù)等間隔的場值衰減曲線中的多個觀測周期的同一時窗場值進(jìn)行去飛點(diǎn)疊加。

本發(fā)明所述的方法中，步驟S1中，僅提取關(guān)斷后的信號，且將每個周期內(nèi)的兩次判斷后的二次場衰減曲線相加后再平均，形成一條衰減曲線，在一個測點(diǎn)進(jìn)行K個周期觀測時，則為K個周期衰減曲線的同一延遲時間的場值相加后平均。

本發(fā)明所述的方法中，步驟S3中進(jìn)行加窗處理時，將關(guān)斷后的時間分成N個對數(shù)等間隔時窗，對數(shù)域里的間隔寬度為Δ，每個時窗的中心時間點(diǎn)記為t₁,t₂......t_N，其所對應(yīng)的場值分別計為EMF(t₁),EMF(t₂),.......EMF(t_N)，N為自然數(shù)；將每個時窗分成4份，依次記為t_i+Δ/4,t_i+Δ/2,t_i+Δ/2t_i+3Δ/4；為了計算中心時間點(diǎn)處的場分量值EMF(t_i)，將時窗寬度擴(kuò)大到3Δ/2，以保證每個時窗有Δ/2的重疊；

將落入時窗中的K個采樣點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合；設(shè)y是采樣時間ts及參量的函數(shù)，(y_i,ts_i)是K對觀測值，其中y_i是觀測場值，ts_i是對應(yīng)的采樣時間，i＝1,......,K，K、M均為自然數(shù)；求參量使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小，其中σ_i為觀測場值y_i誤差的標(biāo)準(zhǔn)差；則時窗中心點(diǎn)所對應(yīng)的場值為其中i＝1,......,N，N為自然數(shù)。

本發(fā)明所述的方法中，當(dāng)時窗中觀測場值點(diǎn)數(shù)少于3個時，采取中值或樣條插值方法求取時窗中心點(diǎn)所對應(yīng)的場值。

本發(fā)明所述的方法中，步驟S4中設(shè)瞬變電磁場分量衰減曲線的時窗為數(shù)為N，觀測周期數(shù)為M，加窗后的第j個周期中的場值記為EMF^j(t_i)，其中i＝1,......,N；j＝1,......,M，M、N均為自然數(shù)；并設(shè)閾值為ε，則M個周期疊加處理如下：

④計算不同周期同一時窗中心點(diǎn)場值的平均值：

⑤設(shè)定閾值ε，踢除的場值，其中j＝1,......,M；

對余下的場值按①中公式重新計算時窗中心點(diǎn)場值。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明使得LOATEM方法資料處理快速有效，信噪比明顯改善，資料畸變明顯減小，資料品質(zhì)明顯提高，為視電阻率曲線計算，高分辨的精細(xì)反演奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是Z平面內(nèi)極點(diǎn)與O點(diǎn)分布情況，其中+是極點(diǎn)，O是零點(diǎn)；

圖2是陷波器的幅頻特性；

圖3是50Hz標(biāo)準(zhǔn)信號順序與倒序?yàn)V波效果對比；

圖4是實(shí)測衰減時間序列(工頻干擾嚴(yán)重)；

圖5是倒序和正序時域遞歸濾波效果對比；

圖6是瞬變電磁資料的重疊加窗處理；

圖7(a)為瞬變電磁磁資料疊前濾波視電阻率曲線圖；

圖7(b)為瞬變電磁磁資料疊后濾波視電阻率曲線圖。

具體實(shí)施例

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

疊前處理方法原理及流程

由于電偶極源瞬變電磁勘探方法具有勘探深度大，適應(yīng)性強(qiáng)，其多分量觀測時對高阻薄層有更高的分辨能力，在油氣勘探中被廣泛使用。目前，記錄海量電偶極源瞬變電磁測深多分量時間序列成為可能，為增強(qiáng)時間序列資料予處理的信噪比提供了堅實(shí)的數(shù)據(jù)保證。

1.瞬變電磁時間序列存貯程

通常供電波型是雙極性方波，占空比50％，周為T。在采集端接收到的信號中只提取關(guān)斷后的信號。每個周期內(nèi)的兩次判斷后的二次場衰減曲線加起來平均產(chǎn)，形成一條衰減曲線(注：每二次衰減曲線乘以負(fù)號與第一次衰減曲線相加除以2)。這樣，在一個測點(diǎn)進(jìn)行K個周期觀測時，即是K個周期衰減曲線的同一延遲時間的場值加起來平均即可。對于疊前處理，不必保留時間序列數(shù)據(jù)，只是不斷疊加，保留最后疊加結(jié)果即可。

2.疊前處理方法與技術(shù)

(1)疊前倒序時域遞歸濾波

①基本原理

設(shè)YUTEM采樣時間段內(nèi)記錄的時間序列為{x_i}，i＝1,2,…,N，濾波因子為h_i,則濾波后的時間序列{y_i}為：

在實(shí)際運(yùn)算中，濾波因子h_j只能取有限項，這就不可避免產(chǎn)生誤差，為了減少誤差，h_j要取成有限項但個數(shù)要相當(dāng)多，YUTEM方式中最大項數(shù)N為4800，這樣運(yùn)算起來既占用內(nèi)存大，又費(fèi)機(jī)時，而遞歸濾波可以很好地解決這個問題。

遞歸濾波的思想是：認(rèn)為輸出值y_i之間彼此關(guān)聯(lián)，因此在計算y_i時，要利用以前的計算結(jié)果y_i-1,y_i-2...。按照這種思想，常規(guī)的遞歸濾波公式為：

y_i＝a₀x_i+a₁x_i-1+…+a_nx_i-n-(b₁y_i-1+b₂y_i-2+…+b_my_i-m) (2)

其中m，n為自然數(shù)，a_j、b_j為遞歸濾波參數(shù)。

②Z平面法設(shè)計濾波器

LOATEM測量信號往往受到的是某些固定頻率的干擾，因而濾波器的設(shè)計應(yīng)是針對某個固定頻率的陷波器。運(yùn)用Z平面法可以方便地設(shè)計時域遞歸陷波器。所謂Z平面法設(shè)計濾波器，就是在Z平面上選擇適當(dāng)?shù)?點(diǎn)和極點(diǎn)，按照對濾波器對振幅和相位的要求來設(shè)計濾波器。根據(jù)Z變換的基本理論，時域遞歸濾波器的幅頻特性的Z變換可寫為

Z平面法是利用單位園上的0點(diǎn)和其附近的極點(diǎn)對該點(diǎn)所對應(yīng)幅頻函數(shù)所具有陷波特性(如圖1和圖2所示)來快速確定W(z)，即在－f_r,f_r點(diǎn)處振幅值應(yīng)為0，而在這兩點(diǎn)之外幅值為1(歸一化值)。要滿足上述兩個條件，則要求振幅函數(shù)必須同時含有0點(diǎn)和極點(diǎn)，且0點(diǎn)和極點(diǎn)應(yīng)十分靠近。為此，(3)式可以寫為

下面通過Z平面法來快速確定W(z)。

在Z平面內(nèi)的零點(diǎn)與極點(diǎn)的復(fù)數(shù)形式可寫為

z_z＝cosΩ_r±sinΩ_r＝R_z±iI_z (5)

z_p＝r_p cosΩ_p±r_p sinΩ_p＝R_p±iI_p (6)

其中r_p為濾波系數(shù)，Ω_r為要陷波的角頻率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Ω_r＝±180°·f_r/f_N

f_r為要陷波的頻率，f_N為奈奎斯特頻率，根據(jù)采樣定理有：

f_N＝1/(2Δt)

將(5)、(6)式代入(4)式并通過簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，則陷波器的頻率響應(yīng)可寫為

G由奈奎斯特頻率ω_N＝π時，令W(z)＝1而獲取，即：

根據(jù)遞歸濾波器的性質(zhì)，我們可以方便地寫出時域遞歸濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

⑥倒序?yàn)V波

在實(shí)際濾波過程中，首先將時間序列數(shù)據(jù)倒排，然后進(jìn)行上述濾波處理，再重新倒排獲取最后濾波結(jié)果，這樣保證了時間序列前端數(shù)據(jù)的濾波質(zhì)量，因?yàn)殛P(guān)斷后的瞬變信號對資料處理與反演至關(guān)重要。以50Hz正弦波濾波為例，如圖3所示。黑虛線為50Hz正弦波信號，紅線為正序條件下用(8)式濾波效果，藍(lán)線為倒序?yàn)V波效果?？梢钥闯?，正序?yàn)V波的前段有一段阻力衰減，信號明顯畸變，效果較差，倒排濾波的前段數(shù)據(jù)濾波效果十分理想?；诘剐?yàn)V波技術(shù)，我們對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，處理效果如圖4與圖5所示，倒序?yàn)V波使前段時間序列信噪比大大提高，且保證了信號的真實(shí)性。

(2)重疊加窗處理

在每個周期的場分量衰減曲線進(jìn)行濾波處理后，要求取對數(shù)域時窗曲線，形成對數(shù)域等間隔時窗數(shù)據(jù)。為了保證曲線連續(xù)、光滑，我們采取重疊加窗處理。其方法原理如圖6所示。

將關(guān)斷后的時間分成N個對數(shù)等間隔時窗，對數(shù)域里的間隔寬度為Δ，中心時間點(diǎn)記為t₁,t₂......t_N，其所對應(yīng)的場值分別計為EMF(t₁),EMF(t₂),..EM.F(.t_N).。..將每個時窗分成4份，依次記為t_i+Δ/4,t_i+Δ/2,t_i+Δ/2t_i+3Δ/4。為了計算中心時間點(diǎn)處的場分量值EMF(t_i)，將時窗寬度擴(kuò)大到3Δ/2，這樣保證每個時窗有Δ/2的重疊，如圖3所示。

將落入時窗中的K個采樣點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合。設(shè)y是采樣時間ts及參量的函數(shù)，(y_i,ts_i),(i＝1,......,K)是K對觀測值，其中y_i是觀測場值，ts_i是對應(yīng)的采樣時間。求參量使目標(biāo)函數(shù)

達(dá)到最小，其中σ_i為觀測場值y_i誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。則時窗中心點(diǎn)所對應(yīng)的場值為

當(dāng)時窗中觀測場值點(diǎn)數(shù)少于3個時，可采取中值或樣條插值方法求取時窗中心點(diǎn)所對應(yīng)的場值。

(3)設(shè)定閾值的統(tǒng)計疊加處理

設(shè)瞬變電磁場分量衰減曲線的時窗為數(shù)為N，觀測周期數(shù)為M，加窗后的第j個周期中的場值記為EMF^j(t_i),(i＝1,......,N；j＝1,......,M)，并設(shè)閾值為ε，則M個周期疊加處理按如下：

⑦計算不同周期同一時窗中心點(diǎn)場值的平均值：

⑧設(shè)定閾值ε，踢除的場值。

⑨對余下的場值按①式重新計算時窗中心點(diǎn)場值。

圖7(a)和7(b)是單點(diǎn)疊前與疊后處理視電阻率曲線。可以看出，疊前濾波的視電阻率曲線品質(zhì)明顯提高。

本發(fā)明的大功率長偏移距瞬變電磁陣列勘探方法是一種用于深部勘探，特別是油氣勘探中的電磁勘探方法。隨著電子與計算機(jī)技術(shù)及儀器弱信號采集技術(shù)的迅猛發(fā)展，可同時海量存貯多分量多道觀測場值的時間序列數(shù)據(jù)，為該方法的疊前信號處理提供了堅實(shí)的數(shù)據(jù)保證。本技術(shù)發(fā)明首先對瞬變電磁測量的場分量時間序列的每個周期衰減曲線進(jìn)行倒序時域遞歸濾波，較好地消除了周期性的文化干擾，且具較高的保真性，其核心技術(shù)是倒序?yàn)V波。其次，進(jìn)行對每個周期場分量衰減曲線加窗處理，獲取對數(shù)等間隔的衰減曲線，其核心技術(shù)是時窗重疊與非線性最小二乘法求解時窗中心點(diǎn)場值。最后取設(shè)定閾值的多個周期統(tǒng)計疊加處理技術(shù)，對多個觀測周期的同一時窗場分量值進(jìn)行去飛點(diǎn)疊加處理，大大提高了場值估計的精度。

本發(fā)明使得LOATEM方法資料處理快速有效，信噪比明顯改善，資料畸變明顯減小，資料品質(zhì)明顯提高，為視電阻率曲線計算，高分辨的精細(xì)反演奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。