阅读说明：本技术 一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法及装置 (A kind of tensor artificial source acquired electromagnetic data acquiring and processing method and device ) 是由 付长民 底青云 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法及装置,所述方法包括：步骤S1,确定测区内的电场极化方向,根据测区内的电场极化方向布设测区内各测点的电磁场传感器；步骤S2,分别采集人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号；步骤S3,分别将采集的电磁场信号进行傅里叶变换,得到人工源对应的电磁场信号以及n组天然场源对应的电磁场信号；步骤S4,基于最小二乘法根据得到的人工源对应的电磁场值以及n组天然源对应的电磁场信号计算得到地下张量阻抗；步骤S5,将所有测点的地下张量阻抗旋转至统一方向,完成整个测区的三维分析与反演,通过本发明,可实现仅采用单方向的单条天线发射就获得张量地下阻抗信息的目的。(The invention discloses a kind of tensor artificial source acquired electromagnetic data acquiring and processing method and devices, which comprises step S1 determines the E field polarization direction surveyed in area, and the emf sensor for surveying each measuring point in area is laid according to the E field polarization direction surveyed in area；Step S2 acquires the electromagnetic field signal of artificial source's electromagnetic field signal and natural field source respectively；The electromagnetic field signal of acquisition is carried out Fourier transformation respectively, obtains the corresponding electromagnetic field signal of artificial source and the corresponding electromagnetic field signal of the natural field source of n group by step S3；Underground tensor impedance is calculated according to the corresponding electromagnetic field value of obtained artificial source and the corresponding electromagnetic field signal of n group natural source based on least square method in step S4；Step S5 rotates the underground tensor impedance of all measuring points to unified direction, completes the entire three dimensional analysis for surveying area and inverting, through the invention, it can be achieved that just obtaining the purpose of tensor subsurface impedance information only with the transmitting of unidirectional single antenna.)

一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法及装置

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，特别是涉及一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法及装置。

背景技术

在地球物理勘探方法中，频率域电磁勘探方法具有工作效率高、分辨能力好等优点，被广泛应用于地球内部结构以及油气、矿产、地热等地下资源的探测之中。按照场源的不同，频率域电磁方法可以分为两大类，一类是利用天然场源进行探测的方法，例如大地电磁测深法(MT)；另一类是利用人工可控源发射电磁信号进行勘探的方法，例如可控源音频大地电磁法(CSAMT，Controlled Source Audio Magneto Telluric method)。

在这些方法中，MT法由于采用天然场源，信号强度比较弱，容易受到各种干扰的影响；采用人工场源的CSAMT方法信号强度虽然较大，但在实际野外工作中源的布设比较麻烦，当工区地形复杂时，有时很难找到合适的发射源位置。于是结合了MT与CSAMT两者方法的优点，一种称为“WEM”(Wireless Electro-Magnetic Method，极低频探地)的大功率固定源极低频电磁勘探方法得到了发展，该方法的基本思路是在高电阻区域建设一个固定的大功率电磁信号发射源，发射天线的长度可达上百公里，能产生覆盖全国范围的高信噪比电磁场信号，该方法可以应用于多种勘探领域，可服务于地震预报、资源探测、电性结构普查等。

目前，WEM法采用的发射机功率为500kW，可采用十字形天线发射，单条发射天线的长度达100km，发射产生的信号能够覆盖国土范围。考虑到发射成本与野外施工效率，WEM法一般采用单天线发射，采用与标量CSAMT法的野外工作类似的方式进行数据采集，即接收机测量平行于发射源的电场Ex及垂直于发射源的磁场Hy分量，得到沿测线方向的单一方向视电阻率(apparent resistivity，用来反映岩石和矿石导电性变化的参数，在地下岩石电性分布不均匀或地表起伏不平的情况下，若仍按测定均匀水平大地电阻率的方法和计算公式求得的电阻率称之为视电阻率，以符号ρs表示，单位和电阻率相同，为Ω·m)及相位，无法得到地下的张量阻抗信息，无法进行地层各项异性分析，无法满足越来越多的三维地质勘探需求。

总的来说，实际上，现有所有的人工源电磁勘探方法与技术(如可控源音频大地电磁CSAMT法，WEM法等)均需要布设不同方向的两个或者多个发射源分别进行发射来获得地下电性阻抗的张量信息，不仅工作效率低而且成本大。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法及装置，实现了仅采用单方向的单条天线发射就获得张量地下阻抗信息的目的，大幅简化了现有张量WEM方法、张量可控源音频大地电磁法等人工源电磁探测方法的野外施工，在节省成本的同时提高工作效率。

为达上述及其它目的，本发明提出一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法，包括如下步骤：

步骤S1，确定测区内的电场的极化方向，根据测区内的电场的极化方向布设测区内各测点的电磁场传感器；

步骤S2，分别采集人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号；

步骤S3，分别将采集的电磁场信号进行傅里叶变换，得到人工源对应的电磁场信号Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s，以及n组天然场源对应的电磁场信号Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i，其中i＝1：n；

步骤S4，基于最小二乘法根据得到的人工源对应的电磁场值Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s以及n组天然源对应的电磁场信号Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i计算得到地下张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy；

步骤S5，将所有测点的地下张量阻抗旋转至统一方向，完成整个测区的三维分析与反演。

优选地，步骤S1进一步包括：

步骤S100，获取大功率天线地表电场极化矢量方向图；

步骤S101，根据获得的大功率天线地表电场极化矢量方向图，并根据测区与发射源的实际相对位置，确定测区内的电场极化方向；

步骤S102，根据获得的测区内的电场极化方向，于测区内各测点进行电场Ex、Ey、磁场Hx、Hy分量传感器的布设。

优选地，于步骤S101中，根据获得的电场极化矢量方向图预先建立多个测区与发射源相对位置与电场极化角度的对应关系，于具体应用时，根据测区与发射源的实际相对位置查询对应关系，从而确定测区内的电场极化方向。

优选地，各测点的各电磁场传感器与电场极化方向成45°角，以保证两个垂直方向接收到的人工源电磁场强度基本一致。

优选地，各电磁场传感器的布设要保证电场Ex和Ey垂直，磁场Hx和Hy垂直，电场Ex和磁场Hx平行。

优选地，于步骤S4中，采用最小二乘法最优化求解以下公式得到张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy：

其中，Zxx、Zxy、Zyx和Zyy为待求的地下张量阻抗，Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i为采集得到的天然源数据，Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s为采集得到的人工源数据，Wx和Wy为人工源的数据权重，α为人工源信号的权重。

优选地，假设传感器与电场极化方向的夹角为β，则权重W＝1-β/90。

优选地，所述人工源信号权重α由人工源信号电场信号强度的信噪比确定，信噪比越大其值越大。

为达到上述目的，本发明还提供一种张量人工源电磁信号数据采集处理装置，包括：

电场极化方向确定单元，用于确定测区内的电场极化方向，以便根据测区内的电场极化方向布设测区内各测点的电磁场传感器；

电磁接收机，用于分别采集人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号；

信号处理单元，用于将采集的电磁场信号分别进行傅里叶变换，得到人工源对应的电磁场值Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s，以及n组天然场源对应的电磁场信号Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i，其中i＝1：n；

地下张量阻抗计算单元，用于基于最小二乘法根据得到的人工源对应的电磁场值Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s以及采集获得的n组天然源对应的电磁场信号Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i计算得到地下张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy；

地下张量阻抗旋转单元，用于将所有测点的地下张量阻抗旋转至统一方向，完成整个测区的三维分析与反演。

优选地，所述电场极化方向确定单元通过获取大功率天线地表电场极化矢量方向图，根据获得的电场极化矢量方向图以及测区与大功率发射源的实际相对位置，确定测区内的电场极化方向。

与现有技术相比，本发明一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法及装置根据测区内的电场极化方向布设测区内各测点的电磁场传感器，然后利用电磁接收机分别采集人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号，分别将采集的电磁场信号进行傅里叶变换，得到人工源对应的电磁场信号以及采集获得的n组天然源对应的电磁场信号，并基于最小二乘法根据得到的人工源对应的电磁场值以及n组天然源对应的电磁场信号计算得到地下张量阻抗，最后将所有测点的地下张量阻抗旋转至统一方向，完成整个测区的三维分析与反演，通过本发明，可实现仅采用单方向的单条天线发射就获得张量地下阻抗信息的目的，大幅简化了现有张量WEM方法、张量可控源音频大地电磁法等人工源电磁探测方法的野外施工，在节省成本的同时提高工作效率。

附图说明

图1为本发明一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法的步骤流程图；

图2为本发明一种张量人工源电磁信号数据采集处理装置的系统架构图；

图3为本发明具体实施例中大功率天线地表电场极化矢量方向图；

图4为本发明具体实施例中电磁接收机采集各传感器数据示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法，包括如下步骤：

步骤S1，确定测区内的电场极化方向，根据测区内的电场极化方向布设电磁场传感器。

在本发明一实施例中，步骤S1进一步包括：

步骤S100，获取大功率天线地表电场极化矢量方向图。在本发明具体实施例中，可基于大地层-空气层-电离层耦合模型得到大功率天线地表电场极化矢量方向图，即通过大地层-空气层-电离层耦合模型计算得到的大功率天线地表电场极化角度。

步骤S101，根据获得的大功率天线地表电场极化矢量方向图，并根据测区与大功率发射源的实际相对位置，确定测区内的电场极化方向。具体地说，在具体实施时，由于发射源的位置为已知，测区位置则也是确定的，则根据测区相对于发射源的位置(如角度，收发距离)，参考获得的大功率天线地表电场极化矢量方向图，得到测区内的电场极化方向。

较佳地，于步骤S101中，还可以根据获得的大功率天线地表电场极化矢量方向图预先建立测区与发射源相对位置(例如连线角度)与电场极化角度的对应关系，于具体实施时，根据测区与大功率发射源的实际相对位置查询对应关系，从而确定测区内的电场极化方向。

步骤S102，根据获得的测区内的电场极化方向，于测区内各测点进行电场Ex、Ey、磁场Hx、Hy分量传感器的布设。一般地，要求各测点的各传感器与电场极化方向成40°-50°角，在本发明具体实施例中，要求各测点的各传感器尽量与电场极化方向成45°角，以保证两个垂直方向接收到的人工源电磁场强度基本一致，各传感器的布设要保证Ex和Ey垂直，Hx和Hy垂直，Ex和Hx平行。

步骤S2，分别采集人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号。在本发明中，可利用电磁接收机采集各传感器采集的数据，在本发明一实施例中，该电磁接收机可通过人工源采集信号模块与天然源信号采集模块分别记录采集的人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号，具体地，人工源信号采集模块根据预定的发射频率表自动采集发射源发射时各传感器采集的信号，而天然源信号采集模块则在发射源停止发射时自动采集没有发射源发射时各传感器采集的天然场的数据。在本发明另一实施例中，电磁接收机则可根据发射源发射的时间以及发射频率表截取所采集到的数据，以获得对应的人工源电磁场信号，以及天然场源的电磁场信号，具体地说，由于传感器采集的数据为时间序列数据(随着时间变化的电压值)，因此，可以根据发射的时间及发射频率表(在信号发射前要提前设置发射时间及发射频率，发射的时间长度等)截取出相应的时间序列作为人工源数据，而对于天然源数据，则可利用现在MT(大地电磁测深法)的处理手段，将发射源产生的信号作为干扰去掉，得到天然源数据，本发明不以此为限。

步骤S3，分别将采集的电磁场信号进行傅里叶变换，得到人工源对应的电磁场值Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s，以及采集获得的n组天然源对应的电磁场信号Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i，其中i＝1：n。由于利用傅里叶变换采用的是现有技术，在此不予赘述。

步骤S4，基于最小二乘法根据得到的人工源对应的电磁场值Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s以及采集获得的n组天然源对应的电磁场信号Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i计算得到地下张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy。

由于野外观测得到的数据含有噪声，在本发明中，采用最小二乘法最优化求解下述公式(一)，即可得到张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy。

其中的Zxx、Zxy、Zyx和Zyy为待求的地下张量阻抗，Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i为采集得到的天然源数据，Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s为采集得到的人工源数据，Wx和Wy为人工源的数据权重，α为人工源信号的权重。在本发明具体实施例中，Wx和Wy可根据野外实际布设的传感器方向与电场极化方向的角度确定，具体地，假设传感器与电场极化方向的夹角为β，则权重W＝1-β/90，在本发明具体实施例中，β最好为45°角，这样保证x和y方向发射源的信号强度一致，两个方向的权重相等。人工源信号权重α由人工源信号电场信号强度的信噪比确定，信噪比越大其值越大，其计算方法可为：α＝20×lg(s/n)。

步骤S5，将所有测点的地下张量阻抗旋转至统一方向，完成整个测区的三维分析与反演。具体地，根据步骤S4获得各测点的地下张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy之后，利用现有大地电磁法之中的阻抗旋转公式，将所有测点的地下张量阻抗旋转至统一方向，即可完成整个测区的三维分析与反演，完成测区的三维勘探。

图2为本发明一种张量人工源电磁信号数据采集处理装置的系统架构图。如图2所示，本发明一种张量人工源电磁信号数据采集处理装置，包括：

电场极化方向确定单元20，用于确定测区内的电场极化方向，以便根据测区内的电场极化方向布设电磁场传感器。

在本发明一具体实施例中，电场极化方向确定单元20通过获取大功率天线地表电场极化矢量方向图，然后根据获得的大功率天线地表电场极化矢量方向图，以及根据测区与大功率发射源的实际相对位置，确定测区内的电场极化方向，具体地，电场极化方向确定单元20基于大地层-空气层-电离层耦合模型得到大功率天线地表电场极化矢量方向图，即通过大地层-空气层-电离层耦合模型计算得到的大功率天线地表电场极化角度，再根据获得的大功率天线地表电场极化矢量方向图，以及根据测区与大功率发射源的实际相对位置，确定测区内的电场极化方向。

在本发明另一实施例中，电场极化方向确定单元20可基于大地层-空气层-电离层耦合模型得到大功率天线地表电场极化矢量方向图，根据获得的大功率天线地表电场极化矢量方向图预先建立多个测区与发射源相对位置(例如连线角度)与电场极化角度的对应关系，然后在具体实施时，根据接收区域(即测区)中心与大功率发射天线中心连线的连线角度查询对应关系确定测区内的电场极化方向。

当确定了测区的电场极化方向后，则可根据获得的测区内的电场极化方向，于测区内各测点进行电场Ex、Ey、磁场Hx、Hy分量传感器的布设。在本发明具体实施例中，要求各测点的各传感器尽量与电场的极化方向成45°角，以保证两个垂直方向接收到的人工源电磁场强度基本一致，各传感器的布设要保证Ex和Ey垂直，Hx和Hy垂直，Ex和Hx平行。

电磁接收机21，用于分别采集人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号。在本发明中，该电磁接收机21可包括人工源采集信号模块211与天然源信号采集模块212，用于分别记录采集的人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号。具体地，人工源信号采集模块211根据预定的发射频率表自动采集发射源发射时各传感器采集的信号，而天然源信号采集模块212则在发射源停止发射时自动采集没有发射源发射时各传感器采集的天然场的数据。在本发明另一实施例中，电磁接收机21也可根据发射源发射的时间以及发射频率表截取所采集到的数据，以获得对应的人工源电磁场信号，以及天然场源的电磁场信号，具体地说，由于传感器采集的数据为时间序列数据(随着时间变化的电压值)，因此，可以根据发射的时间及发射频率表(在信号发射前要提前设置发射时间及发射频率，发射的时间长度等)截取出相应的时间序列作为人工源数据，而对于天然源数据，则可利用现在MT(大地电磁测深法)的处理手段，将发射源产生的信号作为干扰去掉，得到天然源数据，本发明不以此为限

信号处理单元22，用于将采集的电磁场信号分别进行傅里叶变换，得到人工源对应的电磁场值Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s，以及采集获得的n组天然源对应的电磁场信号Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i，其中i＝1：n。由于利用傅里叶变换采用的是现有技术，在此不予赘述。

地下张量阻抗计算单元23，用于基于最小二乘法根据得到的人工源对应的电磁场值Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s以及采集获得的n组天然源对应的电磁场信号Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i计算得到地下张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy。

由于野外观测得到的数据含有噪声，在本发明中，地下张量阻抗计算单元23采用最小二乘法最优化求解下述公式(一)，即可得到张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy。

其中的Zxx、Zxy、Zyx和Zyy为待求的地下张量阻抗，Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i为采集得到的天然源数据，Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s为采集得到的人工源数据，Wx和Wy为人工源的数据权重，α为人工源信号的权重。在本发明具体实施例中，Wx和Wy可根据野外实际布设的传感器方向与电场极化方向的角度确定，具体地，假设传感器与电场极化方向的夹角为β，则权重W＝1-β/90。人工源信号权重α由人工源信号电场信号强度的信噪比确定，信噪比越大其值越大，其计算方法可为：α＝20×lg(s/n)。

地下张量阻抗旋转单元24，用于将所有测点的地下张量阻抗旋转至统一方向，完成整个测区的三维分析与反演。具体地，根据地下张量阻抗计算单元23获得各测点的地下张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy之后，地下张量阻抗旋转单元24则利用现有大地电磁法之中的阻抗旋转公式，将所有测点的地下张量阻抗旋转至统一方向，即可完成整个测区的三维分析与反演，完成测区的三维勘探。

以下将通过一具体实施例来说明本发明：

首先基于大地层-空气层-电离层耦合模型计算得到的大功率天线地表电场极化矢量方向图，如图3所示，即得到的大功率天线地表电场极化方向，根据获得的地表电场极化方向图，根据测区与大功率发射源的实际相对位置，确定测区内的电场的极化角度，即根据测区相对于发射源的位置(角度，收发距离)，参考图3(图中中间为发射源)，得到测区的电场极化角度。在本发明具体实施例中，也可根据测区中心与大功率发射天线中心连线的角度，按照预先建立的测区与发射源连线角度与电场极化角度的关系确定，预先建立的关系表格可如下表1所示：

表1

测区与发射源连线角度	电场极化角度
		0°至15°	90°
15°至30°	45°
		30°至60°	0°
60°至75°	45°
		75°至90°	90°

在野外工作中，进行电场Ex、Ey、磁场Hx、Hy分量传感器的布设，在本发明具体实施例中，要求各测点的各传感器尽量与电场的极化方向成45°角，以保证两个垂直方向接收到的人工源电磁场强度基本一致，布设要保证Ex和Ey垂直，Hx和Hy垂直，Ex和Hx平行。

在具体的电磁信号数据采集过程中，利用电磁接收机采集数据，如图4所示，接收机内包括人工源采集信号模块与天然源信号采集模块，分别记录采集的人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号。分别将采集的电磁场信号进行傅里叶变换，得到人工源对应的电磁场值Ex_s、Ey_s、Hx_s和Hy_s，以及采集获得的n组天然源对应的电磁场信号Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i，其中i＝1：n。

由于野外观测得到的数据含有噪声，因此采用最小二乘法最优化求解下述公式，即可得到地下张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy。

其中的Zxx、Zxy、Zyx和Zyy为待求的地下张量阻抗，Ex_i、Ey_i、Hx_i和Hy_i为采集得到的天然源数据，Wx和Wy为人工源的数据权重，可根据野外实际布设的电磁场传感器方向与电场极化方向的角度严格确定，例如假设电磁场传感器与极化方向的夹角为β，则权重W＝1-β/90，α为人工源信号的权重，由人工源信号电场信号强度的信噪比确定，信噪比越大其值越大，其计算方法具体为：α＝20×lg(s/n)。

当计算得到地下张量阻抗Zxx、Zxy、Zyx和Zyy之后，利用现有的大地电磁法之中的阻抗旋转公式，将所有测点的阻抗旋转至统一方向，即可完成整个测区的三维分析与反演，完成测区的三维勘探。

综上所述，本发明一种张量人工源电磁信号数据采集处理方法及装置根据测区内的电场极化方向布设测区内各测点的电磁场传感器，然后利用电磁接收机分别采集人工源电磁场信号以及天然场源的电磁场信号，分别将采集的电磁场信号进行傅里叶变换，得到人工源对应的电磁场信号以及采集获得的n组天然源对应的电磁场信号，并基于最小二乘法根据得到的人工源对应的电磁场值以及n组天然源对应的电磁场信号计算得到地下张量阻抗，最后将所有测点的地下张量阻抗旋转至统一方向，完成整个测区的三维分析与反演，通过本发明，可实现仅采用单方向的单条天线发射就获得张量地下阻抗信息的目的，通过本发明，极低频电磁法将大幅缩减发射成本且大大提高野外工作效率，方法的实用性大大增加。

本发明同时可以为所有的人工源电磁勘探方法的施工及数据处理提供新的发展方向，大幅简化现有张量WEM方法、张量可控源音频大地电磁法等人工源电磁探测方法的野外施工，在节省成本的同时提高工作效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。