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基于小波分析的TEM快速成像方法研究

马宇  
【摘要】: 瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method)是一种时间域的电磁勘探方法,利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励,在大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从测量得到的异常分析出地下不均匀体的导电性能和位置,从而达到解决地质问题的目的。该方法以其具有勘探深度大、穿透高阻层能力强、随机干扰小、可以在远区观测、亦可以在近区观测、选择不同时窗进行观测、可以获得不同深度的地质信息等优点,被广泛的应用于资源勘探和工程勘察领域,成为引人注目的地球物理勘探手段之一。 但是,随着高密度信息采集设备的出现以及对解释精度要求的提高,传统的解释方法日益无法满足生产实践的要求,在对原始采集信号的去噪处理上,传统方法更显得无所适从。而在信号分析、处理领域,出现了更为先进的号称为“数学显微镜”的小波分析,给我们带来了新的工具。小波分析是针对非平稳信号的处理方法,很适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分,特别适用于动态、瞬态的信号处理,而在瞬变电磁测深法中,我们得到的就是动态、瞬态的信号,这就提示我们很有必要把小波分析引入到瞬变电磁测深法中来进行对信号的处理,以达到提高解释精度的目的。 本文在详细论述了瞬变电磁测深法的基本理论、小波分析的基本理论以及瞬变电磁测深数据的微分电导成像原理的基础上,提出了基于小波分析的TEM快速成像技术。 在MATLAB小波函数工具箱的平台上把小波分析引入了瞬变电磁法,对原始数据进行了消噪处理,并对成像后图形进行了增强、光滑处理。在此基础上通过对等效导电平面方法原理的阐述,指出了利用视纵向电导参数进行测深资料解释的优越性。同时,为了提高对电性层位的分辨能力,在明确电导及其导数曲线物理含义的基础之上,采用三次样条插值函数对实测数据进行重构,实现了电导参数的微分成像。在WINDOWS操作平台下开发了绘制微分电导图的软件,软件的功能丰富、界面友好、操作简单,图形能以直观、形象的面貌清晰的展示电性界面的分布形态。 其具体成像处理过程分为以下几个步骤: 1.采集原始数据,运用MATLAB小波函数工具箱中的一维小波(Symlets小波系)分析对原始数据进行小波消噪处理; 2.由经过小波消噪处理过的野外归一化的电压衰减数据求出B_z(t)实测曲线和它的时间导数曲线(?)B_z(t)/(?)t; 3.由于受瞬变电磁测深实测曲线取样道的限制(一般为20~40道),实测曲线光滑程 度较差,不利于微分成像处理,为了更好的把握曲线连续变化的特征及准确求导,采用了三 次样条插值对实测数据进行重构; 续.由样条插值可得到各时间:的,怀)值对应的不值,由F怀)- 拼 +4 —2 爪 二求得;G), 然后进一步求得S:(t)的值,对于一系列t值,便可以得到S,(t)曲线; 5.对重构后的实测数据进行高密度抽样,实现微分电导成像; 6.运用MATLAB小波函数工具箱中的二维小波(dbN小波系)分析对成像结果进行增强、 光滑处理,最终得到可供解释用的瞬变电磁测深数据的微分电导图。 在处理过程中,两次运用了先进的小波分析对信号进行处理:原始数据的去噪,图像的 增强、光滑。使我们在工作的开始就得到更加有效的数据,并且具有科学、统一的根据,对 图像的增强、光滑处理使结果的直观性和可读性进一步加强。而采用视纵向电导反演,对于 层状地电断面模型,在以寻找低阻层为目的的勘探中,这种反演成像方法一般要比视电阻率 法丈直观。这是因为:根据电磁场理论,用一导电平面来代替地下均匀介质,然后用镜像法 可以方便地求出空间任一点的感应电磁场随时间t的增减,导电平面以速度1/场口上下“浮 动”,‘从而改变空间任一点感应电磁场的振幅和相位。随着时间的推移,瞬变电磁场向地层 深处传播,若深部出现新的导电层,则总纵向电导值增加。为了突出总纵向电导随深度增加 的变化,对纵向电导进行微分成像,使得层状特征更加明显。这就是根据纵向电导曲线有可 能比视电阻率曲线更直观地确定导电层存在的原因。 基于MATLAB的强大功能和所编制的程序,以上所有的数据成像处理过程都在计算机上 完成,实现了处理的全面微机化。 理论与实践均表明:采用该方法的成像结果与其它反演结果吻合较好,并且相比之下更 体现出精确度高、失真度小、快速、直观的优点。本文提出的成像系统加以优化后,可直接 用于生产实践,具有较好的社会效益和经济效益,其结果可直接转化为生产力。


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