TEM数据处理

数据处理流程数据处理野外采集的ＴＥＭ数据，必须经过一系列的数据处理,才能更好地为资料解释所用，处理过程包括五个子模块起工作流程图如下：图1数据处理流程图三点平滑数字滤波斜阶跃波效应后沿校正计算全区电阻率近似对数等间隔抽道计算视深度模型正演计算的电阻率模型正演计算的深度修改模型1、瞬变电磁信号的特点1.信号的动态范围大，对于同一个观测点而言，从早期到晚期的信号幅值从n×105μV变到0.nμV。2.信号的频带宽，信号频率从n~n×104Hz。3.信号衰减快，在早期，信号幅值高且衰减速度很快；而晚期的信号很弱已达微伏数量级，并且衰减速度慢得多。2、野外电磁干扰分析深部地质目标的瞬变电磁响应（晚延时信号弱）被淹没于噪声之中，采用中心回线情况下，极限的探测深度可近似地由下式确定：)1.2.3()/(55.05/1nRMhm极限M：发送磁矩；ρ：大地的平均电阻率；Rm为所要求的最低限度仪器信噪比；n：平均噪声电平；乘积(Rmn)：最小可分辨信号电平。为了提高探测深度，除了提高发送磁矩之外，降低最小可分辨信号电平是重要途径，显然，后者更为经济和实用。2/5.0~1.0AmnV★地磁场的微脉动一种超低频的电磁波，它是以微脉动的形式出现，脉动幅度与频率的关系具有成反比的趋势，磁暴的发生也将引起微脉动。★天电场噪声大于nHz的天然电磁场噪声主要来自雷电活动，特别是与雷暴有关的闪电。由于地球上的某些地方几乎时刻有雷暴，发生频率为8、14、20、26、32Hz的频点的电磁场相对显得较强，通常称之为舒曼（Schumann）频率。水平分量比垂直分量大5~8倍左右。★人文电磁噪声来自电力线网、矿山或工业用电、有线广播网、无线电台发送波等干扰噪声。★接收线圈摆动（风动）的干扰噪声环境干扰噪声噪声分类细　　划产生机制特　　征影　　响微脉冲地磁噪声等离子体和地球磁场之间相互作用频率小于1Hz对直接偶合的仪器有一定的影响自然电噪声天电场噪声大气层释放电荷引发的闪电频率1～1000Hz在8、14、20、32Hz共振点幅度大，水平分量大、与地区、季节有关是TEM信号的主要干扰，垂直分量影响小于水平分量5～8倍，冬季影响小于雨季电力网电磁噪声电力网辐射供电频率的基波和奇次谐波50Hz、150Hz干扰幅度大，在电力网附近影响大，频率的不稳定性为消除带来困难工业电器噪声矿山电器电机频率，通、断瞬间脉冲在矿区工作影响严重有线广播农村广播网与大地够成回路音频范围在TEM信号频带范围内，干扰极大，在广播时无法工作人文电磁噪声无线电台长波电台15～30KHz发射时有一定影响，可避开发射时间移动感应　风吹接收线圈切割地磁场几十Hz范围，几十μV电平随机变动，晚延时曲线跳动3、瞬变电磁信号检测的三种方法3.1、模拟积分取样方式采用模拟积分取样方式，在电路上采用多个积分器，分时段对信号进行采集，优点是电路采样精度高，信号的特点是取样的起始时间、取样窗口宽度及取样次数由时标信号确定，通常取样时间、取样次数固定。3.2数字化叠加取样工作原理是对信号进行全波形密集均匀分布的多点采样，然后送入计算机进行数字处理，再进行软件积分。3.3模拟积分-数字化叠加取样而模拟积分-数字化叠加取样综合了上述两种工作方式，优点是晚延时数据精度高，而在早延时数据分辨率低。模拟电子取样积分器是检测某个时间窗口弱信号经典技术，采用多个模拟电子取样积分器，严格控制其取样顺序，实现多个时间窗口信号的高精度检测。积分器个数有限，信号取样值较少，时间窗口固定，将检测的感应电动势转换成磁场强度误差大，对积分电路精度和一致性要求苛刻，特别是对TEM早延时信号时间分辨率低，已经不能满足工程探测高分辨率要求。3.1、模拟积分取样方式3.2、数字化叠加取样中的取样道处理方法•接收机对瞬变电磁场信号取样采用是“密集均匀分布多点采样”的数字取样方式。采用这一方式时，数据采样率为10μs，采样窗口从10μs~2s可设。这样，在一个测点上感应电动势可采集回2000个数据。为了提高数据的检测能力，对全波采集的数据进行了近似对数等间隔抽道取样处理，根据需要可以采用100.05、100.1、100.2等不同对数间隔[1]。•综合上述瞬变电磁信号的特点，有限规模的导体响应在晚期按简单的指数规律衰减：ε(t)=K/τe-t/τ•3.1算术平均•采样数据窗中数据按算术平均求得,算术平均是指在线性坐标下面积积分公式如下：•X=1/N(X1+X2+…+Xi)•3.2几何平均•几何平均是指在双对数坐标下的面积积分。瞬变电磁信号晚延时数据在对数-对数成直线下降，即信号变化规律在双对数座标下遵循线性变化，这是我们采用几何平均进行处理数据的主要依据。计算公式如下：•LogX=1/N(LogX1+LogX2+…+LogXi)关断电流校正的意义：1.消除电流延迟的影响，得到精确的全程视电阻率。2.关断电流的精确校正将提高早期阶段的精度和分辨率，提高TEM的浅层探测能力。关断电流校正的方法：1.坐标移动法2.解析法（D.V.Fitterman和W.Anderson）3.G.M.Levy法(感应电动势B改正为磁场B法)4.P.A.Eaton和G.W.Hohanm法5.Raiche校正方法方法一、坐标移动法斜阶跃波后沿的主要影响是响应值比垂直阶跃波的响应值低（如延时起点从后沿终点起算），且与延时有关，故最简单的改正方法是坐标移动法。M.Wasten和D.G.Price提出三种坐标移动法，如下：tttttttttttttrrhrkra/)ln(/)]([2/)(5.0根据D.V.Fitterman和W.Anderson从Duhamel积分出发对此效应的推导公式，对于均匀半空间和高阻基底上的导电薄层情况下，得到如下近似公式：),()()(.'.riizizttFtBtB))1(1(1),(1mriririttttmttFB`z(t)为阶跃波响应输出的瞬变过程；tr为斜阶跃波持续时间，Bz(t)为斜阶跃波响应激发的感应电动势。ti为取样道延时，从脉冲终止起算；m—为响应衰减幂指数(m=2.5和m=4分别对应均匀半空间和高阻基底上的导电薄层，F(ti,tr)为斜阶跃波效应系数。方法二、解析法01101101001000100001000001000000T0线546点－－为效正后曲线，____为效正前曲线。解析法效正后的曲线对比方法三、数值计算法1.G.M.Levy法(感应电动势B改正为磁场B法))2/()(rnnttBtBdttBtBnn0)()(11ln)2/ln()(ln)2/(ln)2/ln(ln)2/(ln)(lnnrnnrnrnnrnnttttBttBtttttBtB•首先，估算tn时的磁场值Bn=B(tn))ln(ln)(ln)(ln11nnnntttBtBm)1/()()(mttBtBnnn或者M需大于2。•其次，求出各延时B(tk+tr)的磁场值(k为取样延时道号)•A.当（tk+tr）tk+1的各取样延时道数据)]()()[()()(11011kkrkkkrktBatBattttBttB下列两种方法都需要估算tn时刻的磁场值，很难准确确定。而且从晚期数据向早期递推运算，还存在误差传递。方法一是专为EM-37编写的，方法二适用不同的取样时的数据。•再其次，求各取样延时道的磁场值B(tk))()()(krrkktBtttBtB•最后，求得改正值垂直阶跃感应电动势可采用数值差分式近似求得：)(71.2,69.0,4.3()12(13.1,287.0,843.0);(1)1(27.1,59.4,32.3);(1,1nkcbanjnkcbakjkcbakj对最末延时道）；对中间各道对第一延时道]ln2/[)]()()([)(21RttBctbBtaBtBkjjjk]([)()(;2;1;/)];1)(1/[(1);1(/1);1/(;;)(2413221111213423222111）DQDQXDQDQXtBttBBBDBBDRQQRRQRRQRRQttRttttXlrkllllrklrkl•B当tl（tk+tr）tk+1的各取样延时道数据2.P.A.Eaton,G.W.Hohanm法此法是Levy法的发展，优点适用不用取样时数据的改正。1.求B(tk+tr)磁场值A.tk+trtk+1的延时数据B.tk+trtk+1的延时数据2.确定系数（对m=j和j+1）3.计算B(tk))()()()()]()(21[)();/(1)();/()()();/(1)(;/)()(;;1221111111kmmkkmkmmmmkkmjjkjjjjkkjjjkjjkkkjrkktctttbtctctttatttctttttctttcttttctttjmjm令和对)()()()()()()()()(1111jrkjjrkjjrkjjrkjrktBttbtBttbtBttatBttattB)()()(krrkktBtttBtB2/)]()()[()()(111kkrkkkrktBtBttttBttB校正的主要思想：将关断电流过渡函数进行分割成许N个小电流元，当早期采样间隔δｔ足够小时,可认为在ｔｉ时刻的δｔ时间间隔内关断电流是一个阶跃函数,其变化量为，分别计算电流变化量所产生的瞬变场，总瞬变场为每个小阶跃电流产生的瞬变场之和。一、关断电流衰减模式a.线性衰减0)(12200ttttIItI2211ttttttt0)(2100tttteIItI2211ttttttttTItttII00120)(ttttteIItttt2212021b.指数衰减c.任意模式2211ttttttt电流元的表达式3.Raiche校正改进算法关断时间校正前后的效果110100100010000100000Time(Microsecond)1101001000ApparentResistivity(ohm-m)未经关断时间校正经过关断时间校正早期晚期5、滤波的方法•1、三点滤波•2、四点滤波•3、六点滤波•4、最小二乘拟合•5、小波分析去噪)2(4111iiiiVVVV)2(41211iiiiiVVVVV)22(412112iiiiiiVVVVVV5.1、三点指数逼近非线性平滑滤波数据处理)(tti时刻三点滤波值计算新的ti+1时刻滤波值比较两值ti时刻原始值ti+1时刻原始值大于小于ti+1时刻三点滤波值切线水平线夹角1/2线t数据滤波算法示意图6、全区视电阻率计算数据处理全区视电阻率计算•感应电压计算全区视电阻率•磁场计算全区视电阻率磁场计算优点：1、磁场定义的视电阻率具有单值性，不存在明显的假极值和无解或多解，可以正确反映地下电性差异；2、磁场比感应电压具有更高的信噪比，更适合工程勘探的需求；3、磁场的解释深度要小于感应电压的解释深度，更接近于真实深度。Ｓｐｉｅｓ等人就中心回线装置的磁场和感应电电压的全区视电阻率进行了比较，研究结果可总结如下：①利用感应电压定义的全区视电阻率响应存在明显的假极值，模糊了方法对电性层的正确反映；②有时感应电压定义的视电阻率响应是多解或无解的；③应用感应磁场除具有视电阻率不存在假极值和定义的全区视电阻率响应单值的优点外，它的解释深度要小于感应电压的解释深度且更接近于真实深度。从另一点可以说应用感应磁场可以提高方法的勘探深度。④感应磁场比感应电压具有更高的信噪比，使瞬变电磁法在低信噪比的地区更