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《中南大学》 2003年
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大地电磁信号处理理论及方法研究

严家斌  
【摘要】:大地电磁法作为一种在地质探测和矿产勘查中用途非常广泛的地球物理方法。主要以视电阻率曲线和相位曲线的形态特征作为分析大地结构与电性分布的基本依据,因此阻抗的计算、分析、处理是大地电磁法研究中最基本也是最重要的内容之一,而对阻抗特性产生重要影响的噪声处理更是研究中的重中之重。噪声大致可分为四种类型:场源噪声、地质噪声、人文噪声和随机噪声。在电磁场观测中噪声的存在将引起阻抗的严重畸变,干扰了解释的正确性、精确性和可靠性。因此有效的压制或消除噪声的影响,获得稳定的阻抗估算是电磁探测的首要任务。 本文在分析总结了国内外研究的成果基础上,详细地讨论并分析了大地电磁的信号特征,针对噪声的类型不同,分析了它们的激发机制、特征及对阻抗估算的影响行为。研究表明:(1) 噪声的存在将引起阻抗估算严重不稳定,受干扰影响最大的时刻,阻抗变化也最剧烈;(2) 对噪声的处理应据不同噪声类型与信号特征采用不同方法进行。 论文比较分析了Fourier变换和小波变换特征,认为Fourier变换仅适合于平稳信号的分析而小波变换则适合处理突变信号。通过研究各类噪声在小波域的特征,提出了基于小波变换迭代回归的噪声改正方法,综合数据研究表明在加入5—10倍的噪声后,利用本文提出的方法改正后信号的相关性高,相关系数达0.91以上;信号能量损失小,不超过10%;计算速度快,利用普通的计算机,数据长度为512的数据计算时间约为2秒。实测数据处理结果显示本文提出的方法压制了噪声的影响,获得了稳定、可靠的阻抗张量估算值。与传统方法相比;计算的视电阻率具有很小的误差棒;曲线形态也更加合理、园滑。 在海洋环境下(低信噪比环境),研究了水平层状介质下海底大地电磁场的传播理论,数值模拟了海水对大地电磁场的影响,计算了不同海水深度、不同电导率对比度的海底大地电磁的响应,研究结果表明:(1) 海水对大地电场和磁场的影响程度不同的,对磁场的影响大,对电场的影响小;(2) 海底下覆岩层的电性对比度越大对电磁场的影响越大;(3)在深海区(>1000m)只能观测到10到1Hz以下的信号,在浅海区(<100m)有可能观测到100Hz左右的信号。通过实测数据研究了海底大地电磁场具有如下的特征:(1)在海底大地电磁场不仅要 受到高导海水影响,还要受到海水运动的干扰(本次观测受到的周期 噪声干扰频率为:0.O84Hz,0.75Hz, 1.4Hz);(2)在海低信号的强度 弱,信号强度在10一2到10一3级别;(3)信噪比很低,估算平均信 噪比在1.315一1.668之间。 针对低信噪比环境,提出并研究了基于相关系数归一化稳健 (Robust)阻抗估算理论及计算方法。综合数据模拟结果显示:信噪 比大于10:1时与其它方法相比具有同样的高精度,但随着信噪比的 降低,则显示出具有更好的稳健性,即使信噪比达100%。实测数据 处理结果显示用新方法计算的曲线可直接用于反演,其结果与钻孔测 井结果有很高的可比较性,而其它方法计算结果用于反演则不能收 敛。 论文最后分析讨论了场源干扰和静态效应的形成机制,提出场源 分离和近参考(电场)改正静态效应的方法与设想。提出并分析设计 了强噪声干扰下的阻抗稳定估算流程。
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