桂林理工大学硕士学位论文基于小波分析的高频大地电磁法(EH4)数据处理研究姓名:区小毅申请学位级别:硕士专业:地球探测与信息技术指导教师:单娜琳201204 桂林理工大学硕士学位论文摘要本文研究了高频大地电磁法( EH 4) 时间序列的信号特征,介绍了小波变换的基本原理以及EH _4的测深理论及其工作方法。根据EH 4时间序列文件的存储格式,利用M atl ab编制了时间序列信号的数据读取及保存程序并与Im agem 软件数据读取结果进行对比证实了程序的正确性,为后续的数据分析、处理奠定了基础。利用小波变换对含有三角波干扰、脉冲干扰、正弦周期干扰以及矩形干扰波等几种常见噪声干扰的时间序列模拟信号进行分析、消噪处理,有效地消除了干扰噪声成分,提高了时间序列信号的质量。之后,对受到50H z工频干扰以及风吹干扰的EH -4实测时间序列数据进行分析,并利用小波变换方法对其进行消噪处理,对消噪后的数据进行重采集计算,计算结果显示50H z工频干扰成分得到了有效地消除,信号有效成分得以突显出来;对受风吹干扰的时间序列数据进行了基线校正,信号整体回归到了信号主轴之上。以上结果说明了小波分析应用于实测EH -4时间序列信号当中的数据分析和处理是可行的、是有效的。文中研究了静态效应产生的原理及其影响,利用有限元大地电磁二维正演程序模拟了二层大地低阻静态效应的地电模型,并利用小波变换方法对静态效应进行压制,相对于其他常规空间滤波法来说,取得了较好的压制效果,证实了小波变换方法在压制静态效应当中的可行性和有效性。最后利用小波变换方法对某工区实测EH _4资料数据进行分析、处理,通过计算视电阻率数据的互相关系数矩阵,从数学上识别和判断了静态效应:利用小波变换方法进行处理取得了较好的压制效果,在较好地压制静态效应的同时又能较好地保留原有的地层构造和地质异常体引起的局部异常。关键词:EH -4,小波变换,时间序列,静态效应 桂林理工大学硕士学位论文AbstractThi spaperstudi esthe characteri sti c ofthe ti m e--seri essi gnalofhi gh· · 丘equencym agnetotel l uri c m ethod(EH-4),i n仃oducesthe basi ctheoryof w avel et transform ,the depthsoundi ng theoryandw orki ngm ethod ofEH -4.Accordi ngto thestorageform at of EH _4ti m e—seri esfi l e,theauthordesi gnsaprogramforreadi ngandsavi ngEH - 4 ti m e—seri es databyM atl ab,and then conftrrns that theprogrami s correct by com pari ngw i th theIm agemsoftw are,w hi ch l aysa foundati on for thesubsequentdataanal ysi sanddataprocessi ng.Takeadvantageof W T toanal yzethe ti m e-seri esanal og si gnal w hi ch contai ns thetri angl ew avenoi se,i m pul se j am m i ng,si new ave noi se andrectangl e di sturbi ng,el i m i natethe i nterferencenoi seeffecti vel yand thequal i tyof the ti m e—seri essi gnalanal yzethe ti m e—seri es of EH _4 m easured data w hi ch i s i nterferedby pow erl i ne and w i nd,i si m proved greatl y Afterw ards,then m ake use of W T to de-noi se the i nterferencesi gnal ,thecal cul ati on resul t show s that50H zpow erl i ne i nterference has been denoi sedeffecti vel y, theeffecti vecom ponentsofsi gnalarehi ghl i ghted;m akethe basel i ne correcti on for theti m e—seri es w hi ch i s i nterferedbyw i nd,the si gnalthe ti m e-seri es of EH - 4si gnaldataanal ysi sand dataprocessi ngi s feasi bl e and effecti ve.returns to thesi gnal spi ndl e.Theabove concl usi ons showthat W Tappl i edtoIn thi spaper, authorstudi es thetheoryof stati c effect and i tsi nfl uence,m akesuse of them agnetotel l uri ctw o—di m ensi on fi ni te el em ent forw ardm odel i ng programto si m ul ate a stati ceffect w i th l owresi sti vi tyof tw o-fl oor earthgeoel ectri c m odel ,W Ti s used tosuppressthei nfl uence ofi t,com pari ng州tl lother conventi onalspati alfi l teri ng m ethods,w ecan obtai n abetter suppressi on resul tthroughtheuse of l 昵i t confi rm ed thatthefeasi bi l i ty andeffecti veness of the W Tappl ytosuppressi ngthe stati ceffect.Fi nal l y, author anal yzes aEH - 4m easured databy l 憾i denti fys and determ i nes the stati c effectthroughthe cross-correl ati on coeffi ci ent m atri x w hi ch i s cal cul atedbytheapparent-resi sti vi ty;It cal l obtai n agood suppressi on by usi ngof l 住i ti nform ati on and l ocal anom al i es causedbythegeol ogi cal anom al y bodyw hi l esuppressi ngfi ' om the m athem ati calcal l retai n theori gi nal l ayeredstructurethe stati c effect.Key w ords:EH -4,W avel et transform ,Tti m e—seri es,Stati ceffectn 桂林理工大学硕士学位论文第一章引言近几十年来,大地电磁测深法( M T) 无论是在国内还是在国外都得到了迅速的发展和广泛的应用,对于该方法的研究和应用已经渗透到了社会各个领域当中,它是人们进行地球深部地壳研究、能源资源开发( 煤炭、石油、天然气等) 、矿产资源勘探( 金属、非金属矿产等) 、地震火山等灾害监测以及环境工程勘察等方面的一种主要的地球物理勘查手段【11。1.1选题目的及意义StratagemEH 4高频大地电磁电导率成像系统( 以下简称EH -4) 是基于大地电磁测深法( M T) 的双源型( 天然场源与人工发射机场源相结合) 音频大地电磁系统,它不仅基础理论已经得到了迅速的发展,而且该仪器在国内经过十几年的应用与发展,其工作方法更是已经趋向成熟稳定,并且得到了越来越广泛的应用【2J 。但是随着社会的发展,自然因素、人为活动所形成的各种噪声日益混杂、日趋严重,而且天然交变电磁场的信号本身具有信号弱、某些频段先天不足以及容易受到各种噪声干扰等特点,导致了EH 4在实际应用中容易受到工频干扰、风吹干扰以及局部不均匀体引起的静态效应等的影响,使得数据处理解释的复杂程度及误差增大,往往不能满足资料解释的精度需求,这些问题都亟待得到解决13J 。天然交变电磁场是一种典型的非平稳、非高斯信号,EH 4系统正是以这一种区域性交变电磁场为场源的电磁勘探方法[41。本篇文章是在小波分析理论的基础上利用小波变换这个有力的时频分析工具对EH -4时间序列信号进行时频分析、信息提取以及消除干扰等处理工作,希望能够充分地分析、利用、处理EH -4时间序列信号,为之后的进一步数据处理工作奠定良好的基础。要想得到准确的反演结果,参与计算的数据质量的好坏起着决定性的作用,在不能确定所采集到的数据是否准确、可靠之前去追求定量反演的精确度是得不到理想效果的,甚至会得到错误的结果从而导致错误的推断解释【5】。以传统傅里叶变换为基础的时频分析方法并不能够适应于大地电磁场的信号特征,但是小波分析则能够对非平稳信号进行有效的分析。我们可以利用小波分析对EH 4信号进行分析处理,从小波变换分析过程以及处理结果中提取出更多的有效信号成分,而这些信息往往是实测信号中没有直接表现出来的( 隐含的) 或者是由于受到干扰噪声而被掩盖的,从分析处理过程中能够更好地认识EH -4时间序列信号,对其进行变换处理后能够消除信号中的干扰成分,保留、突出更多的有效信号成分。 桂林理工大学硕士学位论文1.2高频大地电磁法( EH -4) 的发展与研究现状大地电磁测深法是20世纪50年代初由苏联人A.H .吉洪诺夫( A.H .Ti khonov) 和法国人L.卡尼尔( L.Cagni rd) 分别提出的天然电磁场方法,它是一种以呈区域性分布的天然交变电磁场为场源的电磁法勘探方法,具有很宽的频率范围,穿透深度可达几十米乃至上千米[61。1996年,由美国以制造高分别率地震仪著名的Geom etri c与以研制大地电磁仪器而闻名的EM I公司联合研制出EH 4电导率成像系统,该系统遵循了大地电磁测深法的基本理论,属于部分人工源与天然场源想结合的一种大地电磁测深系统,同时支持音频大地电磁测深(Audi o.fi ' equency M agnetotel l uri cs,AM T) 和可控源音频大地电磁测深( Control l ed SourceAudi o.丘equency M agnetotel l uri cs,CSAM T) 【7J 。EH 4电导率成像系统的出现弥补了1000米范围深度电法有效勘探方法的空缺,很快就成为解决这一深度范围内的各种地质问题的有效方法。随之而来的便是该方法应用过程中信号受到干扰的问题,国内一些学者对这方面进行了研究,陈庆凯和席振铢对EH 4电磁成像系统的数据处理过程进行了研究IsJ ;化希瑞、汤井田等人利用自发研制的数据处理系统对EH 4数据进行二次处理取得了较好效果【9J ;陈锁成、罗维斌利用H H T变换对EH -4测深数据进行了时频分析【10】;化希瑞利用希尔伯特一黄(HHT)变换对高频大地电磁数据进行处理也同样取得了较好的效果111】。经历了十几年的应用和发展,EH _4在中国己成为一种稳定成熟的电磁测深方法,在中国已经得到了广泛的应用,为中国地下水的调查、环境的地下特征调查、矿产资源与地热勘探以及工程研究都做出了不少的贡献。