一種瞬變電磁信號(hào)工頻及其諧波干擾消除方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁信號(hào)處理，具體地來(lái)講為一種瞬變電磁信號(hào)工頻及其諧波干擾消 除方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 瞬變電磁探測(cè)方法是一種基于電磁感應(yīng)原理的地球物理探測(cè)方法，具有施工效率 高、分辨能力強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探、油氣探測(cè)等領(lǐng)域。在瞬變電磁地球物理勘探中， 經(jīng)常引入各種干擾和噪聲，而來(lái)自高壓輸送電網(wǎng)，供電變壓器接地方式等原因產(chǎn)生的工頻 及其諧波干擾是十分普遍的，尤其在城市附近，工頻及其諧波干擾十分強(qiáng)烈。
[0003] 瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)接收線圈在接收瞬變電磁信號(hào)的同時(shí)，不可避免的接收到工頻 及其諧波噪聲，引起瞬變電磁信號(hào)信噪比降低，導(dǎo)致探測(cè)精度下降。并且瞬變電磁信號(hào)隨時(shí) 間成指數(shù)衰減，晚期道信號(hào)十分微弱，工頻及其諧波干擾嚴(yán)重影響晚期道數(shù)據(jù)質(zhì)量，導(dǎo)致地 球物理深部信息反演結(jié)果可信度降低，勘探深度減小。
[0004] CN101548885A公開了一種去除電生理信號(hào)中工頻干擾的方法。該發(fā)明通過(guò)將采集 到的生理信號(hào)中減去重構(gòu)干擾信號(hào)的方法，得到純凈的電生理信號(hào)。由于電生理信號(hào)主要 集中在30Hz以下，50Hz附近的能量非常小，該方法在重構(gòu)過(guò)程中忽略了 50Hz附近的信號(hào)，但 是瞬變電磁為寬頻信號(hào)，不能忽略50Hz附近的能量，因此該方法不適用于瞬變電磁信號(hào)去 除工頻干擾。
[0005] CN101666834A公開了一種抗工頻干擾的信號(hào)采集方法及系統(tǒng)。該方法首先通過(guò)從 輸入的市電交流信號(hào)中提取工頻信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行同步跟蹤，產(chǎn)生工頻同步脈沖。其次根據(jù) 工頻同步信號(hào)鎖定檢測(cè)信號(hào)中工頻干擾的過(guò)零點(diǎn)相位，在過(guò)零點(diǎn)相位對(duì)輸入的檢測(cè)信號(hào)進(jìn) 行同步采樣。該方法雖然在實(shí)現(xiàn)消除工頻干擾的過(guò)程中，未損失有用信號(hào)，但過(guò)零點(diǎn)相位檢 測(cè)時(shí)，過(guò)零點(diǎn)相位容易產(chǎn)生偏差，影響測(cè)量結(jié)果。
[0006] CN104702243A公開了一種基于模糊邏輯濾除工頻干擾的自適應(yīng)濾波器。通過(guò)數(shù)字 信號(hào)的模糊邏輯分析，構(gòu)建匹配的濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)生物信號(hào)工頻干擾的消 除。該方法雖然使工頻干擾得到衰減，但有用信號(hào)也遭到同樣的衰減，導(dǎo)致測(cè)量保真度下 降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種瞬變電磁信號(hào)工頻及其諧波干擾消除 方法及裝置，在不損失有用信號(hào)的前提下，去除工頻及其諧波干擾對(duì)瞬變電磁數(shù)據(jù)的影響， 以提高瞬變電磁信號(hào)的信噪比，尤其對(duì)于晚期道信號(hào)的提取，提高深部反演信息的準(zhǔn)確性。
[0008] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，
[0009] -種瞬變電磁信號(hào)工頻及其諧波干擾消除方法，該方法包括，
[0010] 步驟1，在第一時(shí)間段內(nèi)接收環(huán)境噪聲信號(hào)N(t)，經(jīng)放大后，經(jīng)低通濾波去除高頻 噪聲，對(duì)其信號(hào)中的工頻及其諧波噪聲進(jìn)行建模得到工頻及其諧波干擾模型，
[0011] 步驟2,從第二時(shí)間段開始，打開發(fā)射機(jī)，接收包括瞬變電磁感應(yīng)電壓信號(hào)和環(huán)境 噪聲信號(hào)，采用所述第一時(shí)間段內(nèi)的工頻及其諧波干擾模型計(jì)算所述第二時(shí)間段內(nèi)及后續(xù) 時(shí)間段的工頻及其諧波估計(jì)值，
[0012] 步驟3,將包括瞬變電磁感應(yīng)電壓信號(hào)和環(huán)境噪聲信號(hào)經(jīng)減法器去除工頻及其諧 波估計(jì)值得到去噪后的瞬變電磁信號(hào)。
[0013] 方法進(jìn)一步地，步驟1包括：
[0014] 采用傅里葉級(jí)數(shù)擬合，對(duì)工頻及其諧波噪聲建立模型：
其中k為采樣時(shí)間，AmSm次諧波分量對(duì)應(yīng)的幅度，Φ Am次諧波分量對(duì)應(yīng)的相位，fQ為工頻 噪聲頻率，fs為采樣頻率，Μ取小于等于200，NP(k)表示工頻及其諧波干擾模型函數(shù)，對(duì)式(1) 進(jìn)行正交分解，寫成：
[0017] 求出am上及工頻噪聲頻率f 〇得到工頻及其諧波干擾隨時(shí)間變化的函數(shù)NP (k) 〇
[0018] 方法進(jìn)一步地，根據(jù)工頻噪聲頻率fo的波動(dòng)區(qū)間，采用二分法進(jìn)行迭代計(jì)算，逐步 減少搜索空間求取工頻噪聲頻率fo以及知和仏。
[0019] 方法進(jìn)一步地，根據(jù)工頻噪聲頻率fQ的波動(dòng)區(qū)間，采用二分法進(jìn)行迭代計(jì)算，逐步 減少搜索空間求取工頻噪聲頻率fo以及知和仏包括：
[0020] 式(2)寫成：
[0022] 求解方程組(3)，得到系數(shù)Χ=[αι仇…am i3m]T，
[0023]
，其中fo/表示波動(dòng)區(qū)間的上端點(diǎn)、表示波動(dòng)區(qū)間的下 端點(diǎn)，f(/表示區(qū)間中點(diǎn)，分別計(jì)算波動(dòng)區(qū)間的上端點(diǎn)fo/、波動(dòng)區(qū)間的下端點(diǎn)以及區(qū)間 中點(diǎn)ft/對(duì)應(yīng)的工頻及其諧波干擾模型，分別表示為身pa(k)pb(k)、和M pQ(k);
[0024] 將得到的fo/表示波動(dòng)區(qū)間的上端點(diǎn)、fW表示波動(dòng)區(qū)間的下端點(diǎn)，f</表示區(qū)間中 點(diǎn)的工頻噪聲分別與環(huán)境噪聲N(t)相減得到剩余的隨機(jī)噪聲，并計(jì)算剩余隨機(jī)噪聲的均方 差，分別表不為：〇0a、〇0b、和〇0 ;
[0025] 判斷若〇〇a-〇()>〇()b- 〇()，則工頻在[fV ]區(qū)間，令fo/ =f(/后，繼續(xù)迭代，直至找 到剩余隨機(jī)噪聲的均方差最小值點(diǎn)，輸出工頻f(/及對(duì)應(yīng)系數(shù)矩陣X' Q;否則令=fV，繼 續(xù)迭代，直至找到隨機(jī)噪聲的均方差最小值點(diǎn)，此時(shí),Χο?Χ' 0輸出工頻fo及對(duì)應(yīng)系數(shù) 矩陣Xo;
[0026] 確定am、i3m及f〇后，將其帶入式(1)，得到工頻及其諧波干擾模型。
[0027] -種瞬變電磁信號(hào)工頻及其諧波干擾消除裝置，該裝置包括，接收線圈，接收第一 時(shí)間的環(huán)境噪聲信號(hào)N( t)以及第二時(shí)間的包括瞬變電磁感應(yīng)電壓信號(hào)和環(huán)境噪聲；
[0028] 前置放大器，接收的信號(hào)進(jìn)行放大處理；
[0029] 低通濾波器，將放大的信號(hào)去除高頻噪聲；
[0030] 減法器，其第一輸入接收去除高頻噪聲的信號(hào)；
[0031] 處理器，存儲(chǔ)通過(guò)第一時(shí)間計(jì)算的工頻及其諧波干擾模型，根據(jù)第一時(shí)間計(jì)算的 工頻及其諧波噪聲模型，計(jì)算出第二時(shí)間工頻及其諧波噪聲估計(jì)值，噪聲經(jīng)DA轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為 模擬量，至所述減法器的第二輸入；
[0032] 減法器將兩路輸入經(jīng)減法計(jì)算后輸出。
[0033] 裝置進(jìn)一步地，所述處理器在所述第一時(shí)間內(nèi)，采用傅里葉級(jí)數(shù)擬合，對(duì)工頻及其 諧波噪聲進(jìn)行建立包含工頻噪聲信號(hào)頻率的模型：
k為采樣時(shí)間，Am為m次諧波分量對(duì)應(yīng)的幅度，Φ "為111次諧波分量對(duì)應(yīng)的相位，fo為工頻噪聲 頻率，fs為采樣頻率，Μ取小于等于200，NP(k)表示工頻及其諧波干擾模型函數(shù)，對(duì)式(1)進(jìn)行 正交分解，寫成：
[0036] 求出am、βm及工頻噪聲頻率f 〇得到工頻及其諧波干擾隨時(shí)間變化的函數(shù)NP (k)。
[0037] 裝置進(jìn)一步地，所述處理器，根據(jù)工頻噪聲頻率fQ的波動(dòng)區(qū)間，采用二分法進(jìn)行迭 代計(jì)算，逐步減少搜索空間求取工頻噪聲頻率f〇以及~和匕。
[0038] 裝置進(jìn)一步地，所述處理器，根據(jù)工頻噪聲頻率fQ的波動(dòng)區(qū)間，采用二分法進(jìn)行迭 代計(jì)算，逐步減少搜索空間求取工頻噪聲頻率&以及~和匕包括：
[0039] 將式(2)寫成：
[0041] 根據(jù)求解方程組(3)，得到系數(shù)X=[ai仇…am ωτ，
[0042]
，其中f Qi/表示波動(dòng)區(qū)間的上端點(diǎn)、f Ql/表示波動(dòng) 區(qū)間的下端點(diǎn)，表示區(qū)間中點(diǎn)，分別計(jì)算波動(dòng)區(qū)間的上端點(diǎn)fo/、波動(dòng)區(qū)間的下端點(diǎn) 以及區(qū)間中點(diǎn)f (/對(duì)應(yīng)的工頻噪聲，分別表示為:Y pa( k)、g pb ( k )、和Y pQ ( k );
[0043] 將得到的foZ表示波動(dòng)區(qū)間的上端點(diǎn)、fo^表示波動(dòng)區(qū)間的下端點(diǎn)，f(/表示區(qū)間中 點(diǎn)的工頻噪聲分別與環(huán)境噪聲N(t)相減得到剩余的隨機(jī)噪聲并計(jì)算剩余隨機(jī)噪聲的均方 差，分別表不為：〇Qa、〇〇b、和〇〇;
[0044] 判斷若0〇a-(5()>(5()b-(5()，則工頻在[ft/ .fW ]區(qū)間，令foZ =f(/后，繼續(xù)迭代，直至找 到剩余隨機(jī)噪聲的均方差最小值點(diǎn)，輸出工頻及對(duì)應(yīng)系數(shù)矩陣X' 〇;
[0045]否則令fo, =fV，繼續(xù)迭代，直至找到隨機(jī)噪聲的均方差最小值點(diǎn)，fo = f(/，Xo = V 0輸出工頻f0及對(duì)應(yīng)系數(shù)矩陣Xo;
[0046] 確定am、iVSfo后，將其帶入式（1)，得到工頻及其諧波干擾模型。
[0047] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于:本發(fā)明公開的瞬變電磁信號(hào)工頻及其諧 波干擾實(shí)時(shí)消除方法及裝置，通過(guò)直接對(duì)數(shù)據(jù)中的時(shí)域工頻及其諧波噪聲建立模型，可以 有效的去除工頻及其諧波干擾對(duì)瞬變電磁信號(hào)的影響，同時(shí)不損失有用信息。本方法可去 除任意頻率的工頻及其諧波干擾。
[0048] 經(jīng)試驗(yàn)，本方法對(duì)瞬變電磁數(shù)據(jù)中工頻及其諧波干擾的去除效率高，準(zhǔn)確性好，提 高了深部反演結(jié)果的可信度。
【附圖說(shuō)明】
[0049]圖1為基于噪聲模型實(shí)時(shí)去除工頻及其諧波干擾原理框圖；
[0050] 圖2為發(fā)射電流示意圖；
[0051] 圖3為瞬變電磁中心回線工作示意圖；
[0052] 圖4為工頻及其諧波干擾噪聲模型效果圖，（a)為環(huán)境噪聲信號(hào)波形圖，（b)為工頻 及其諧波干擾模型波形圖；
[0053] 圖5為利用噪聲模型去除工頻及其諧波干擾效果圖；
[0054] 圖6為瞬變電磁數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)去除工頻及其諧波干擾的效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 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)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0056] 本發(fā)明實(shí)施例提供的基于噪聲建模的瞬變電磁信號(hào)工頻及其諧波干擾消除裝置， 原理框圖如圖1所示，本實(shí)施例采用基于中心回線的工作方式，如圖3所示，發(fā)射線圈11鋪設(shè) 為方形回線，邊長(zhǎng)為l〇〇m，接收線圈1為邊長(zhǎng)為lm的方形回線。
[0057] 接收線圈1接收環(huán)境噪聲信號(hào)n(t)(圖2中T0~T1時(shí)間段），信號(hào)經(jīng)前置放大器2放 大后，通過(guò)RC低通濾波器3,去除高頻噪聲，輸出環(huán)境噪聲信號(hào)N(t)。信號(hào)N(t)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器4， 將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量N(k)