瞬变电磁信号

瞬变电磁信号（精选十篇）

瞬变电磁信号 篇1

关键词：TEM信号,三点指数逼近非线性平滑去噪,ICA,小波分析

0 引言

在瞬变电磁法中,采样获得的实测信号往往具有动态、瞬变、干扰因素多的特征,这直接影响了瞬变电磁信号的质量以及后期的数据处理和反演计算等。电磁噪声的干扰可分为两部分:天然电磁场噪声和人文噪声[1],为TEM信号提取带来一定的困难。由此可见,获取纯二次电磁场信号是瞬变电磁法的关键所在,采用合适的去噪方法提取瞬变电磁含噪信号中的有用信息,才能进一步更好的利用瞬变电磁数据成图以及解释地质状况。

近年来,出现了很多针对瞬变电磁信号数据处理的方法。传统的去噪方法基本上是基于时域的逆推、统计算法和傅里叶变换,包括三点滤波、函数拟合法、三点指数逼近非线性去噪法、独立成分分析等。这些方法一般建立在傅里叶分析基础上,而傅里叶变换作为一种全局性的变换,只是一种纯频域的分析方法,反映的是整个信号全部时间的整体频域特征,而不能提供任何局部时间段上的频域信息,因此具有一定的局限性。逆推和统计算法有条件的限制,有时计算相对复杂。基于TEM信号在早、中、晚期的衰变速度差别相当大的特点,传统的去噪方法并不能满足实际需要,因此,需要更加有效的去噪方法。

小波变换是一种信号的时间-尺度分析方法,具有多分辨分析的特点。在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率;在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。这正符合低频信号变化缓慢而高频信号变化迅速的特点,适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象,并展示其成分。这也正是小波变换优于传统去噪方法的地方。

本文采用三点非线性平滑去噪法、独立成分分析法和小波分析法分别对理论模拟曲线和实测数据进行消噪处理,通过对比和分析去噪结果,得出针对模拟TEM信号,小波分析方法去噪效果很好的结论;针对实测数据,小波方法也取得了满意的效果,降低了晚期数据的振荡。

1 三种去噪方法对瞬变电磁信号的去噪原理

1.1 三点非线性去噪原理

在TEM信号中常用的去噪方法是三点指数逼近非线性平滑去噪法[1]。瞬变电磁信号具有单向衰减特性,而且有限导电地质体在晚期按指数规律衰减,这两个特点成为此滤波方法重要的依据。三点指数逼近非线性平滑去噪方法的算法如下:

(1)对ti时刻的感应电动势进行三点滤波:

(2)计算第i点的斜率:

(3)假设ξi+1(t)>ξi′(t),则:

计算第i+1点沿第i点的斜率衰减值ξi+1′(t),列出:

由于等时间采样,可化简得:

计算ξi+1′(t)、ξi(t)两点夹角:

计算夹角1/2处的值:

计算ξi+1″(t)的值:

(4)否则当ξi+1(t)<ξi′(t)时,有:

1.2 ICA去噪原理

独立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)是信号处理领域在20世纪90年代后期发展起来的一项新处理方法。它是一种基于统计的方法,对于一组相关的混合观测信号,寻求一个数据的非奇异变换,使得变换后的数据分量之间相互独立。

假设观测到n个随机变量x1,x2,...,xn,这些变量是由另外n个相互独立的随机变量s1,s2,...,sn线性组合而成:

这是基本的ICA模型。用向量和矩阵表示形式如下:

式中:X=(x1,x2,...,xn)T是观测的n维随机向量;S=(s1,s2,...,sn)T是n维独立的源信号向量;A为n×n的混合矩阵。独立成分分析的目的就是在源信号S和混合矩阵A均未知,而只知道观测信号X并假定源信号S的各分量相互独立的情况下,求解分离矩阵W和源信号的最优估计Y,这里:

式中W为混合矩阵A的逆矩阵。式(10)为ICA的生成模型,式(11)为ICA的求解模型。

根据中心极限定理,在一定的条件下,独立随机变量之和的分布趋向于高斯分布。那么通常多个独立随机变量之和比原始的随机变量更接近于高斯分布,所以极大化非高斯性即可分离出独立源信号。非高斯性的度量有峭度和负熵两种,高斯随机变量的峭度和负熵为零,非高斯性越大则峭度绝对值越大,负熵越大。由于峭度对野值敏感,所以通常都采用鲁棒性更好的负熵作为非高斯性的度量。Aapo Hyvarinen等提出了一种基于负熵的快速不动点算法,简称Fast ICA算法。本文ICA方法降噪采用Fast ICA算法,详见文献[2]。

1.3 小波变换去噪原理

一个含噪声的一维信号的模型可以表示成如下的形式:

式中:f(i)为真实信号;n为噪声;s(i)为含噪声的信号。在实际的工程应用中,有用信号通常表现为低频信号或是一些比较平稳的信号,而噪声信号通常表现为高频信号。对信号进行小波分解时,属于Besov空间的信号在小波域内其能量主要集中在一些大的系数中,噪声的能量分布集中在一些小的系数中,因此,经小波分解后,信号的小波变换系数要大于噪声的小波变换系数。应用门限阈值等形式对小波系数进行处理,然后对信号进行重构即可以达到消噪的目的。

信号的形状和小波的形态越相近,去噪的效果越好。结合瞬变电磁信号的特点,本文选取Sym6小波作为TEM信号去噪的基本小波函数。Symlet小波是对Debauchies小波的修改,提高了对称性,保持了近似对称的形式,它具有紧支撑正交性,可进行正交和双正交分析,能够实现精确重构。

一般情况下,一维信号的消噪过程可按照下面三个步骤进行:

(1)一维信号的小波分解。选择一个小波并确定一个分解层次N,然后对信号进行N层分解;

(2)小波分解高频系数的阈值量化。对第一层到第N层的每一层高频系数,选择一个阈值进行软阈值或硬阈值量化处理;

(3)一维小波的重构。根据小波分解的第N层的系数和经过量化处理后的第一层到第N层的高频系数,进行一维小波的重构。

在这三个步骤中,最关键的就是如何选取阈值和如何进行阈值量化,它直接关系到消噪信号的质量。阈值选取有四种,分别是自适应阈值、固定式阈值、启发式阈值和极大极小值阈值;常用的阈值函数主要是硬阈值函数和软阈值函数。

2 模拟信号仿真实验

2.1 三种去噪方法比较

根据上述思路,采用大定源回线装置均匀半空间的瞬变电磁场的表达公式,详见文献[3]。计算参数为:发射线圈960 m×960 m,接收线圈面积100 m2,发射电流20 A,均匀半空间电阻率150Ω·m,观测点坐标(50,20)。图1为正演模拟三点指数逼近非线性平滑去噪、ICA降噪和小波降噪三种方法的去噪结果。经过计算得出信噪比,结果见表1。由图1可以看出,三点指数逼近非线性方法和ICA降噪后的曲线虽然能保留原始信号的基本特征,但依然存在大量的噪声,而小波去噪处理效果明显优于前两种方法,它基本上消除了噪声成分,比较好的保留了有用信号。

2.2 阈值量化类型对去噪效果的影响

图2为硬阈值和软阈值的去噪效果的比较结果,其中对原始含噪信号进行小波分解时,均采用sym6小波和五层分解。去噪后的信噪比如表2所示。从仿真结果可以看出,针对TEM仿真信号,硬阈值去噪效果比软阈值更光滑一些,信噪比提高的更多。

2.3 不同阈值估计方法对去噪效果的影响

为了研究四种阈值估计方法对TEM信号去噪的有效性、合理性,分别采用这四种方法对TEM正演模拟曲线进行处理分析。借助Matlab仿真,小波去噪均采用Sym6小波和五层分解,各种方法的去噪结果如图3所示。经过计算得出信噪比,结果见表3。

从仿真结果图3和表3可以看出,四种阈值选取方法都比较好的去除了噪声,使信噪比明显提高。通过大量实验,如果希望去噪后的信号尽可能的稳定且光滑,可以采用固定阈值(sqtwolog)处理,如果希望信噪比更大可以采用启发式阈值(heursure)处理。

2.4 尺度系数对去噪效果的影响

为了研究尺度系数对TEM信号去噪效果的影响,分别对含噪信号进行3、4、5、6及7层分解去噪处理,采用启发式阈值对信号进行阈值估计,去噪后的信噪比如表4所示。通过分析多尺度小波分解去噪结果,可以得出3、4次分解仍然存在很大的噪声成分,从5次分解起噪声成分明显减少,去噪曲线变得很光滑,去噪曲线较为平滑。但随着分解层数的增大,去噪后信噪比提高反而减小,说明5层分解去噪效果更好。

3 野外实测数据处理

借助Matlab编程语言,用上述三种方法分别对山西沁水盆地实测瞬变电磁数据进行消噪处理。由于实测数据早期和晚期电压跨越近三个级次,所以晚期数据振荡的情况需要在对数坐标下分析对比,在直角坐标下晚期噪声不明显。选取任意测点的30道数据进行消噪处理,为了更好的分析对晚期数据的消噪结果,结果如图4所示,图中只显示后10道数据。通过大量的数据处理,可以得出三点非线性平滑法对实测数据每个测点晚期数据的去噪效果并不稳定,时好时坏;ICA去噪方法需要在去噪后加上一些平滑处理,否则去噪效果也不稳定;在小波去噪法的过程中,阈值设定需小一些,以消除晚期信号的高频噪声,去噪效果较好。

4 结论

(1)针对TEM模拟信号,三点非线性平滑去噪效果不太好,尤其是在瞬变电磁信号衰变晚期,信号噪声依然很明显。但是这种方法能够保持瞬变电磁信号的较多特征,从而避免信号出现失真。针对实测数据,三点非线性去噪法还是能消除一部分噪声,但去噪效果不稳定。

(2)ICA降噪方法由于模拟TEM信号噪声干扰大,用牛顿算法迭代计算时不容易确定每个点的大小,所以对模拟信号去噪效果不理想。随着野外测量装置发射功率和线圈匝数的增大,虽然晚期数据振荡已经不是特别剧烈,但是经ICA降噪后,去噪效果并不稳定,还需再经过一些特殊的平滑处理。

(3)瞬变电磁信号具有非平稳特征,小波变换作为一种时频分析方法,非常适合瞬变电磁信号中通常夹带瞬变反常干扰信号的消噪处理。本文针对大定源回线装置均匀半空间下瞬变电磁信号的特点,用Sym6小波对正演曲线和野外实测数据分别进行小波分解去噪,取得了较好的效果。同时对仿真信号的小波降噪进行了不同阈值函数、不同阈值量化类型、不同尺度系数的研究。通过大量的实验,得出对TEM仿真信号采用Sym6小波、硬阈值函数、启发式阈值、5层分解能达到较好的去噪效果;在实测信号去噪后的晚期数据可能存在一些奇异细节,判断是地下电性特征的反应还是噪声,需要结合勘探区情况和其他种种因素分析进行综合考虑。对实测数据,阈值选取不应过大,利用适当小波阈值去噪处理可以对资料处理工作带来有益的帮助。

参考文献

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瞬变电磁优缺点 篇2

瞬变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。中文名 瞬变电磁法 外文名

Time domain electromagnetic methods 简 称 TEM 优 点

施工效率高 目录

1原理

2优点

3应用

▪ 概述

▪ 装置及原理

▪ 局限性及解决办法 ▪ 测量结果表达

1原理编辑

瞬变电磁法也称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。2优点编辑

瞬变电磁法探测具有如下优点 ⑴由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法； ⑵瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响；

⑶采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强；

⑷剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。3应用编辑 概述

根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，将其用于煤矿井下水文勘查还是近几年的事情。瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。瞬变电磁法在提高探测深度和在高阻地区寻找低阻地质体是最灵敏的方法，具有自动消除主要噪声源，且无地形影响，同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强等优点。装置及原理

瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。当磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场或着遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。

当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量。以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时，均以磁场的形式释放能量所获的能量。利用接收线圈测量接收到的感应电动势v2。该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段（一维反演，视电阻率等）得出地下岩层的结构。由于采用线圈接收V2，故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感，也就是通常所说的干扰。为了减少此类干扰，采用尽量的发射大的电流，以获取最大的激励磁场，增加信噪比，压制干扰。

接收装置通常分为分离回线，中心回线和重叠回线3类，以重叠回线得到的信息最为完整，其它次之。局限性及解决办法

瞬变电磁法的工作效率高，但也不能取代其它电法勘探手段，当遇到周边有大的金属结构时地面或空间的金属结构时，所测到的数据不可使用，此时应补充直流电法或其它物探方法（见金属结构物对测量的影响一文）。同时在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时（例如在陕西南部某地铅锌矿区，地层表面充满石墨层）瞬变电磁法也不能可靠的测量，因此在选择测量时要考虑地质结构。

在测量过程中，要随时记录地表可见的岩石特征，装置的倾角以及高程，以便在后续的解释中，准确的划分地层构造.同时在一个工区工作之前，要做实验，选择合理的装置以及供电电流，一经确定，不能在测量中变更装置和供电电流，否则对解释造成影响。在进入工区前尽量寻找已知地层的基准点对仪器进行校准（类似于重力或磁法测量的基点校正和仪器一致性试验）。以确保测量的准确性（以后将有专题论述）。测量结果表达

瞬变电磁法的解释，通常分为2种：定性解释和定量解释。定性解释一般是观察测线多道剖面，通过多道剖面可以定性的看出地层的分布情况（参见供5000A电流 EMPS-1电磁勘探仪一文中给出的地层多道剖面对比图），同时应排除晚期道的干扰假象.对双峰异常要多加关注（参见瞬变电磁法寻找地下热水实例和瞬变电磁法金属矿探测实例）。

定量解释：一维反演是目前解释中最为准确的手段之一，但是要求输入初始模型。对初始模型的求取，通常有以下几种手段。1在矿区已有的地质资料（电测井）或者区域地质资料。2用直流电法在工区作一个电测深,以该测点的电测深电阻率作为初始模型。3也可用视电阻率和其它全域电阻率计算方法得出初始模型，但要保证其计算的结果的正确性。当计算出地层电阻率后，要进行地形改正和倾角校正，用测量时记录的高程和倾角改正（参见瞬变电磁法金属矿探测实例）。最后做出地质拟断面图。

当进行井下或坑道测量时，要考虑全空间的响应（和地面半空间有很大的区别），解释方法需要用全空间的解释算法，而不能简单的利用地面半空间解释方法。

其它方面：在工程勘探时，寻找地下空洞时，会有两种情况，一是充水空洞呈现低阻特征，二是未充水，呈高阻特征。如有钢筋水泥结构支撑或回填塌陷后空洞的则情况比较复杂需要仔细判断。同时要排除地下供水管暖气管的影响。

瞬变电磁信号 篇3

关键词：矿井瞬变电磁 物理模拟实验 纵向响应特征

1 概述

近年来，凭借自身在探测方向性强、体积效应小、横向分辨率高等方面的优势，矿井瞬变电磁法得到快速的发展，并且广泛应用到矿井工作面、巷道超前探测、回采面顶底板等方面[1]。在探查矿井内隐伏的含水断层、导水通道，以及岩溶陷落柱效果方面，矿井瞬变电磁法勘探技术特别明显，在一定程度上能够为煤矿巷道开挖和工作面回采快速准确地提供相应的地质水文资料。

2 矿井瞬变电磁原理

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。借助所接收的瞬变电磁信号对其变化情况展开分析，以便掌握沿地层介质探测方向的变化规律[2，3]。矿井瞬变电磁法适用于采深几百米的煤层或岩层巷道。除此之外，它与地面瞬变电磁的工作原理无明显差异。在煤、岩巷道内使用矿井瞬变电磁法时，必须使用边长小于3m的多匝小回线装置，要在狭窄的巷道内使用大回线探测装置总归不现实。[2，6]此外，矿井瞬变电磁法采用来自于回线平面上下（或两侧） 地层的全空间瞬变响应，我们通常称之为烟圈效应。[4，5]这也是该模式不同于半空间地层响应的地面瞬变电磁法的一大特点。地面瞬变电磁法从地表以下的半空间地层接收响应，详见图1。另外，鉴于矿井顺便电磁法是从巷道周围空间有效探测范围内所有介质岩层接收电性特征的综合响应来形成感应电动势，矿井瞬变电磁法全空间岩层电性特征的综合响应——视电阻率，须按以下公式计算：

ρτ=B×C■（■）■=B×C×6.32×10-12×（S×N）■×（s×n）■×（V/I）■×t■（1）

其中：

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3 矿井瞬变电磁法物理模拟实验设计

在野外环境进行电磁法勘探，可通过物理模拟实验了解电磁响应特征。处于野外环境中的岩（矿）石的质地和性质会有很大的变化，研究者无法通过数字解析式来表示目的物的响应。研究者借助性能卓越的电子计算机使用了有限元、有限差分等近似数值解法，的确扩大了解析范围，但是不可否认还有一部分问题无法解决。此外，所得近似解因缺少一套严格的解析解进行对比，研究者不得不对所得近似解进行物力模拟[4，5]来检验其近似程度和准确性。

物理模型及线圈参数设计。水平层状矿井是比较典型的研究案例。处于顶板与底板之间的煤层就相当于高电阻率介质。掘进巷道设在煤层之中（详见图2）。采煤工作面掘进巷道断面通常高2～4m，宽约3～5m。探测者此次针对综掘面顶（底）板处高发型水害的瞬变电磁响应特征进行物理模拟。因此，假设顶底板和煤层的电阻率相同，即巷道处于均匀全空间介质中。

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图2 矿井地质模型示意图

进行模拟实验时，用铜棒对柱状低阻异常情况（如含水陷落柱、直立导水通道等）进行模拟；用紫铜板对片状低阻异常情况（如富水裂隙、断层等）进行模拟；用以模拟围岩介质的黄沙必须是含不同盐水成分的黄沙。在实验中，应基于线圈发射功率及相似性原则选择适合物理模拟实验的线圈组合。绕制接收线圈的漆包线直径0.1mm；绕制发射线圈的漆包线直径0.15mm，用等边矩形塑料框架作回线支架，并且采用重叠回线式线圈组合装置进行物理模拟。表1给出了具体参数。

4 纵向多个异常响应模拟实验

纵向多个异常响应模拟实验是针对井下瞬变电磁法沿探测深度方向存在的多个低阻体影响或浅层存在的低阻屏蔽影响情形下的异常响应特征开展模拟试验。两铜棒沿探测深度方向呈不同距离分布时的响应特征模拟实验规划详见图3。在图中，铜棒1与测线相距10cm（即d=10cm）。铜棒2到铜棒1之间的距离r设定为四种情形，即r=0、r=5、r=10、r=20，使两铜棒在同一条垂直于测线的直线上同侧移动，并且两铜棒也和回线同处于一平面上。探测方向存在浅层低阻屏蔽的异常响应特征模拟实验见图4。图中，铜棒1紧邻铜板靠在其后，铜板到测线的水平距离d为5cm，铜板与铜棒之间的连线垂直于测线。图5所示感应电位多测道剖面图与图3的实验对应，图6所示感应电位多测道剖面图与图4实验对应。通过算术坐标显示横轴来表示测点，测点之间相距5cm；通过对数坐标显示纵轴来表示感应电位（即感应电动势与感应电流的比值），单位uV。

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图3 双铜棒在探测深度方向上的响应特征模拟实验设计示意图

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图 4 探测方向存在低阻屏蔽的异常响应特征模拟实验设计示意图

由图5得知，所有感应电位剖面曲线均为“拱形”，各曲线的变化情况以及感应电位幅值极为相似，由此可推断，其瞬变电磁响应基本一致。其中，图（a）为铜棒1所对应的感应电位曲线，感应电位极大值大值为3.0×103uV；相较于图（a）来说，图（b）所示铜棒1与铜棒2共同呈现的曲线变化情况，除了电位最大值有增大的趋势以外，其他部分变化不明显。而且图（c）、（d）、（e）、（f）的曲线变化趋势也基本类似于图（b）。也就是说，最终的响应结果与铜棒2之间不存在必然的联系。由此初步判定，探测装置在铜棒1所产生的低阻屏蔽效应的影响下无法对铜棒2的感应场作出明显的响应。

基于上述结论对图6进行分析。其中，（a）不放铜棒时感应点位曲线所呈现的形态及变化情况基本类似于图（b）放铜棒时的情况，并且二者的感应电位极大值近似。这表明，浅层有铜板存在时，深层的铜棒基本不影响瞬变电磁响应。

基于瞬变电磁理论和电磁感应原理作进一步探索[7-10]：假设矿井瞬变电磁法探测进程中存在浅层存在低阻薄层或其他良导体影响探测方向及探测深度，探测天线所产生的一次电磁场从浅层低阻体穿过时，仅有少量一次电磁波能量透射或反射出去，余下的则以热损耗的形式衰减。一次透射电磁波从浅层低阻穿过时能量明显弱化，当其达到浅层低阻背后深层低阻体时所呈现的二次感应场也是相当弱的。由浅层低阻体产生的二次场源固然能激发深层低阻的二次感应，但在良导体之间反复振荡消失的这部分电磁波能量就无法穿越浅层低阻体返回接受天线，这是深层低阻体的响应特征无法通过感应电位剖面图得出观测结果的主要原因。

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5 结论

本文基于沿探测深度方向上的矿井瞬变电磁法在受多个低阻体影响或浅层存在低阻屏蔽影响时所呈现的异常响应特征实施了物理模拟实验，结论如下：

①实施矿井瞬变电磁探测的过程中，假设若干个物性参数基本一致的低阻体分布于深度的方向上，浅层低阻体屏蔽深部低阻体的瞬变电磁响应而使之被掩盖或被压制，则在感应电位多测道剖面图中会呈现单一低阻体的响应形态及规律。②实施矿井瞬变电磁探测的过程中，假设低阻薄层分布于围岩表层产生屏蔽效应，会弱化隐伏于低阻干扰体背后的目标异常响应，并可能使之不易分辨。

在这种情况下，要求探测人员对测深频率、天线组合类型进行调整，细致分析该区域的地质水文、钻探、物探等情况，或借助其他办法进行进一步验证，由此获得比较客观的地质结果，从而确保探测结果科学实用。

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直流偏移对瞬变电磁信号影响的分析 篇4

关键词：直流偏移,浮点放大技术,瞬变信号,畸变,奇异点

0 引言

瞬变电磁方法是一种主要的地球物理勘探方法。它接收的瞬变信号为0 Hz到N KHz的宽频时域信号,其幅值变化范围很广,小到μV级,甚至更小;大到N V,甚至更大。瞬变信号在早、中、晚期的特性差别很大,早期信号衰减快,幅度大;中、晚期信号衰减慢,幅度小。通过分析、对比和计算不同测点瞬变信号的这种衰减特征,可定性地判断地下地质体的特性。因此接收电路中的任何干扰都可能导致瞬变信号波形的畸变,降低数据质量和数据解释的精确度。而整个电路中不可避免的存在芯片本身的直流偏移、正负供电电压及其输出功率的不对称问题,那么对于这种需要接收0Hz信号的电路,直流偏移会对测量的瞬变电磁信号产生怎样的影响呢?

1 接收机主要原理

为了在很宽的时间范围内不失真地获取瞬变信号,接收系统必须保证系统有足够高的采样率,以及足够大的动态范围。由于24位A/D出现的早期,其采样率偏低,价格昂贵,所以国内外大部分地震和电法方法的接收系统均采用浮点数据采集电路来实现高精度和高采样率。

接收机主要由网络匹配电路、前置分段放大电路、低通滤波、浮点数据采集电路和主控单元PC104组成。

浮点数据采集电路由浮点放大器(IFP)、A/D转换器组成。其中,浮点放大器实现了不同的转换点其放大倍数不同,把这个浮动的放大倍数称为“阶码”,把A/D的转换结果称为“尾码”,这样一个转换点的数值就可由“阶码”“尾码”表示。在浮点数据采集系统中,若A/D器件的转换位数是N,数据的浮点放大器倍数范围为K0,K1,…KL(K1

若K=2,则此时的动态范围为:

具体的浮点数据采集的原理框图如图一所示。其中,“阶码”由高速8位AD7821加译码电路产生,表一给出了译码电路中正的输入信号范围及其对应的放大倍数值,其中信号改变的步长是由AD7821的分辨率决定的。浮点放大器采用BB公司的PGA202和PGA203,实现1~100的放大,同时为了确保输入到后级A/D的信号不超出极限输入2.5V,在浮点放大电路的输出端加了限幅电路。“尾码”由16位AD7805实现。根据浮点放大和前置放大器的增益可以计算出L为10,那么根据公式(2)得出系统的动态范围为156dB。

由此推出:利用浮点数据采集系统扩大动态范围的同时,又保证了进入A/D器件的模拟信号幅度总是处于半量程范围内,因而量化的信噪比将近似保持一致。

2 直流偏移对瞬变信号的影响及分析

信号累加和双极性同步采样是瞬变电磁系统提高信噪比的主要检测手段。即发射机采用双极性发射,接收机中采用软件计算的方法进行N次正负极性信号的叠加。这样,既可消除白噪声和外部缓慢变化的噪声,也可消除仪器中各器件带来的直流失调信号对测量的影响。

如果图一中的浮点放大电路部分存在直流偏移,根据表一的放大倍数可知放大后的部分信号会超出后级A/D(AD7815)的输入范围,从而被限幅电路限幅,造成此段数据无法还原,不可用。也就是说浮点放大电路的直流偏移对整个信号的影响无法用双极性叠加的方法来消除。据此,计算了各段输入信号对应的直流偏移限制范围,见表一。

如果给定发射电流I,发射线圈的边长b,接收线圈的有效面积AR,即可根据这些参数仿真出任意时间段均匀大地的瞬变电磁感应,如图二中粗实线所示(时间:0.5ms~1.5ms;幅度:0.0019381V~0.030211V;时间间隔5μs)。如果把此瞬变信号当作浮点数据采集电路的输入信号S,并且为浮点放大电路给定一可能的直流偏移值0.1V,编程仿真得出直流偏移影响的瞬变信号如图二中细实线所示。这里为了突出畸变形态,数据多次叠加时保留畸变处直流偏移。很明显,波形出现了畸变,一种是以奇异点的形式出现,另一种是以平顶形式出现。这种奇异点和外界天电噪声引起的畸变相同,那么是否直流偏移引起的真正奇异点和天电噪声引起的无法区分呢?见图二中虚线所示,按照正常的处理程序处理后的波形其畸变方向正好相反,也就是说如果实测曲线出现了向下的奇异,那么说明可能是直流偏移导致的。

根据瞬变信号的特点可以得出理论上直流偏移对早晚期数据的影响点数不同,早期数据容易只影响一个点以奇异点的形式出现;晚期数据容易影响多个点以平顶饱和的形式出现。但这并不代表奇异点只出现在早期,饱和只出现在中晚期,图二中奇异和饱和同时出现在了中期。由于瞬变信号是地下地质体特征(如体积、导电性和埋深等)的反映,不同的测点对应的地下地质体特性不同时其幅值和衰减速率也不同,那么受影响的不同瞬变曲线其畸变分布也不尽相同;或者采用的发射和接收参数或装置不同,比如发射电流、发射磁矩、接收线圈等效面积,中心还是重叠回线等,均会导致出现不同的畸变分布。变均匀大地为导电球体,重新仿真,见图三。图中同样出现了奇异点和饱和,但是从早期开始就有,而且出现畸变的幅值均在“阶码”改变附近。

但有时,由于野外测量时存在很大的地质或天电噪声,以及系统本底噪声的存在,当晚期的数据受噪声影响大时,畸变形态常以奇异点出现而不是平顶饱和,而奇异点被噪声淹没,不会引起测量者的注意。另外需要注意的是,由于后级A/D分辨率的影响,有时即使在A/D之前的模拟信号受直流偏移的影响已经产生了畸变,经A/D采集后也不一定会体现这种畸变特征。野外测量中常见的畸变波形如图四所示。原来我们会认为是大的天电噪声的影响,经过分析之后知道直流偏移也是一个影响因素。

那么直流偏移都是从哪里产生的呢?浮点部分可编程放大芯片(PGA202和PGA203)的直流偏移的规格为:0.013V(最大值,25℃,G=1),当然增益、温度、时间和供电电压不同其大小也会不同。另外浮点放大电路部分供电电压为12V,由DC-DC供电,一般的DC-DC稳压源模块精度都在1%左右,正负电压输出容易不对称,尤其当外部负载不对称时。表二给出了用于海洋的接收机中浮点放大部分实测的直流偏移值,从表中可以看出正负供电部分偏移较大。

3 降低直流偏移影响的方法

由上文可知,接收机中“阶码”产生电路中低的A/D分辨率造成:当较大直流偏移存在时容易引起波形畸变。据此,提出几种方法以供参考。

(1)降低直流偏移值。对于购买的芯片,首先要测其直流偏移是否在芯片规格给出范围之内,否则采用直流偏移的调节方法进行调节。如PGA202芯片,可根据如图五所示的电路事先对其直流偏移进行调节。其次,对DC-DC供电模块进行调节尽量降低正负电源输出的不对称,特别是加载时电压的输出调节。如果电路对输出电流要求不高,可以考虑采用线性稳压芯片。

(2)“阶码”电路的改进。对译码电路的放大倍数范围进行适当的压缩可以降低波形畸变的几率,但这种方法同时也降低了系统的分辨率和系统的动态范围,这不是我们期望看到的。如果使用分辨率高的A/D重新译码,对直流偏移的要求就会降低。

(3)采集电路的改进。目前很多公司都推出了价格可接受的高采样率24位A/D,如CS5361、AD7762等,如果存在一种适合瞬变信号采样的A/D,那么降低采集电路波形畸变的同时,或许可以解决很多问题,如功耗、系统体积、噪声、复杂性和稳定性等。

4 结束语

经分析得出:

(1)目前浮点放大瞬变电磁接收机中,低分辨率的“阶码”产生电路中的直流偏移容易造成瞬变信号的畸变;

(2)由直流偏移导致的畸变一般以平顶饱和和奇异点的形式出现,直流偏移相同时,不同瞬变曲线上畸变的分布和探测目标、测量参数等有关;

(3)实测曲线中饱和畸变不常见,一般以奇异点出现,所以应重视直流偏移的影响,对接收系统进行相应的改进避免直流偏移带来这种畸变。

参考文献

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[6]K G McCracken and M L Oristaglio1986A comparison of electromagnetic exploration systems Geophysics51:810-818.

瞬变电磁信号 篇5

一 总 则

第一条 为贯彻落实安徽省政府安委会办公室皖安办明电„2013‟12号文件和《安徽省煤矿防治水与水资源化利用管理办法》（皖经信煤炭„2013‟128号）规定要求，根据《煤矿防治水规定》和公司《关于淮北矿业水文物探队伍建设及物探装备配臵的通知》（淮矿地测﹝2013﹞235号）文件的相关规定，有效防范陷落柱水害事故，特制定本办法。

第二条 矿井应坚持“物探超前、递进掩护；有掘必探、有疑必钻”的陷落柱水害防治原则，严格落实“三级水害隐患筛查”防范措施，提高地质预报的时效性和准确性。

第三条 矿井应根据采掘计划，制定超前物探计划，超前安排物探查疑、钻探验证及注浆加固工作，保证矿井生产正常接替。第四条 超前物探的范围：井下所有煤岩巷掘进工作面（沿空送巷、6（10）煤保护区范围除外）。

第五条 加强物探作业人员培训。物探仪器生产厂家派驻2名技术人员对试用矿井所有物探作业人员进行培训，采取地面集中轮训和井下现场操作实训的方式。培训由矿总工程师负责组织，培训内容包括：陷落柱的形成机理、赋存形态、对矿井安全生产的危害、突水前兆和基本防治方法等；瞬变电磁勘探基本原理、仪器操作、现场数据采集、数据处理与资料解释和典型探测案例等。确保参训人员能了解陷落柱的形成机理，充分认识到陷落柱对矿

井安全生产的危害及探查与防治的重要性，能够熟练操作仪器进行现场数据采集，正确进行数据处理与资料解释，并能够解决探测过程中的常见问题。

二 组织领导

第六条 公司总工程师是物探工作的分管领导，地测处是物探工作的业务主管部门，负责组织物探技术的考察与引进推广，负责物探仪器的选型和分配，负责组织物探工作的检查和考核。

第七条 矿井成立物探工作领导小组和物探工作小组。矿井物探工作领导小组：矿应成立由矿长任组长，矿总工程师任副组长，地测副总工程师负责日常工作的的瞬变电磁仪试用工作领导小组，按淮矿地测[2013]235号文要求，落实试用地点、人员配备与培训，建立岗位责任制和工作程序，制定瞬变电磁仪试用实施计划，并严格落实。

物探工作小组：由矿总工程师任组长，地测、掘进副总工程师任副组长，地质（副）科长、生产技术科长、生产技术科分管掘进技术负责人、水文物探技术员、地质技术人员、掘进区队负责人为成员。负责每月制定工作计划、按计划完成物探工作、及时分析解释物探数据、及时发放物探成果通知书、管理与维护物探仪器、管理物探成果资料、每月进行一次物探工作总结与对比分析、对物探技术的引进和仪器选型提出建议意见。物探工作组成员应相对稳定。

第八条 矿井应根据井型配备至少2名专（兼）职物探技术人员；采掘区长为物探具体实施主要负责人，负责现场物探环境 的准备，监督探测实施情况，区队跟带班干部负责现场数据采集，物探作业人员不得随意调整。承担瞬变电磁仪试用工作的掘进区队，应重新修订掘进正规循环作业图表，将超前物探纳入开工准备的内容，并制定补充安全技术措施，经审批后执行。

第九条 物探作业人员必须按第五条规定经过培训后才能上岗，且每年要进行至少一次物探学习培训。各矿地测副总程师、分管地质副科长、水文物探及地质技术员、区队管技人员均要掌握物探技术。

第十条 物探工作组到井下探测采集数据时，应提前通知施工队,施工队应按物探所要求的现场环境进行准备,施工队现场作业人员必须无条件配合，以减少干扰信号；现场施工队的跟班队干负责落实人员清理物探点的浮渣浮矸和其它干扰物质。

三 物探管理流程

第十一条 掘进工作面按照循环超前探查的方式进行超前物探，管理流程为：申报→物探→资料上报→具体分析→制定方案→反馈。即各采掘区队依据上次物探距离和本队施工进度，在确保物探超前距30m的前提下，申报物探工程。申报后到地测科领取物探仪器，现场具体实施物探工程，现场根据仪器显示的物探结果，判断前方异常体的位臵，初步确定巷道正常施工、暂停再探等处臵方案，再提交物探成果，交回物探仪器。地测科根据上报的物探资料，具体分析、资料管理和必要时进一步的处理解释（对不能排除的疑点联系地测处物探科安排复查、复验），制定方案。各采掘区队收集井下现场物探段施工的具体情况，并反馈

地测科，由地测科存档入库。

第十二条 物探的频次，岩巷每周进行一次超前物探，煤巷根据施工进度安排，不少于每周一次。物探仪器试用期间为提高物探仪器效能、工作效率和测试的准确度，加强物探作业人员培训，按照每天一次进行物探测试，测试结果要与常规仪器测试成果对比分析，结果不一致的要分析原因，并提出改进措施。

四 现场数据采集

第十三条 每次采集数据前，必须提前足够的时间对仪器进行充电；检查仪器及其附件的完好情况，发现问题应及时处理；明确仪器及其附件搬运分工；明确探测目的和方法。

第十四条 工作组到达现场后，由现场负责人向小组成员详细介绍施测方法，明确现场人员分工。

第十五条 探测前，应将迎头附近的浮渣浮矸清理干净，综掘机等大型金属设备退后迎头不少于10m，机电运输设备停电、排除积水等，做好现场地质及干扰因素描述记录，控制探测点位臵。

第十六条 按照现场确定的施测方法初步设臵采样频率、采样道数、时间等仪器参数，按照设计方向进行探测，并做好现场记录。

第十七条 现场采样前，要对底板进行采样试验，获取无金属干扰原始数据2组，作为后期数据处理时进行U型钢等金属干扰校正的背景值。

第十八条 掘进工作面必须先物探后掘进，并保持30m的物

探超前距，严格执行允许掘进通知单制度。每次物探后在探测点附近设臵物探标记线，设立物探管理牌板，严格掌握掘进进度，现场物探管理牌板、调度进尺台帐、掘进队进尺台帐和地测部门的物探工作台帐必须实现“四统一”。物探牌板悬挂在指定位臵，由区队负责管理，每次物探结束后，由物探操作员在该牌板上用醒目字体标明“由此向里允许掘进×m” 进行下次物探，施工区队按照安全距离进行施工，严禁超掘。

物探结束后，24小时内提交物探报告并经地测副总、总工程师审批，确保巷道前方无水害威胁，方可安全掘进。

第十九条 预计掘进工作面邻近相邻巷道已揭露的地质构造或地质异常时,应提前采用物探进行超前探测,并作好分析验证工作。

五 仪器管理与维护

第二十条 物探仪器是精密电子仪器，每一台物探仪必须明确一名物探工作组成员负责保管，不用时存放于仪器柜中。

第二十一条 不得野蛮搬运物探仪器，因搬运或操作不当,造成损坏物探仪器的，视情节轻重由矿确定赔偿比例。

第二十二条 现场探测操作时，必须爱护仪器和电线电缆。电线电缆铺设要规范，不能打结成团，注意敲帮问顶，避免浮矸砸伤人和砸坏仪器设备。

第二十三条 现场采集结束，仪器交回地测科前，保管人员必须将仪器、电线电缆擦拭干净，检查电线电缆有无破损。

第二十四条 每季度要在地面对物探仪器进行一次性能检

测，如果发现物探仪器有故障，必须查找原因，进行处理。如果不能处理，及时报告并联系厂家进行修理。

六 物探资料管理

第二十五条 现场物探采集完成后，应在8小时内将物探仪采集的数据传输到办公室电脑内，采用专门的计算机硬盘目录进行管理，一种仪器数据单独存放一个目录，目录名：“XX物探仪现场采集数据”。矿井应按照巷道分类或者探测目的建立子目录。

第二十六条 经地质部门研究后确定采用的物探分析成果资料必须建立一个专门的计算机硬盘目录进行管理，目录名：“XX物探仪分析成果资料”。各矿还应按照巷道分类或者探测目的建立子目录。

第二十七条 个人分析的物探阶段资料，必须每人单独建立一个计算机硬盘目录进行管理，各存各的目录，目录名：“XX物探仪XXX人分析资料”。

第二十八条 计算机内存放的物探采集数据、成果资料、个人中间分析资料达到一定量后，必须及时刻录光盘保存。每年至少刻录光盘一张。

第二十九条 每一个地点的物探分析成果资料至少保存纸质原件一份，集中保存。必须经主要分析人、地质技术负责人、地测科长、地测副总、总工程师审签。

第三十条 矿井应采用统一的《物探成果通知书》格式，《物探成果通知书》必须经主要分析人、地质技术负责人、地测科科长、地测副总工程师、总工程师审签。

第三十一条 物探探测后，必须在24小时内发放《物探成果通知书》。探测到危及安全的隐患时，必须先停止采掘活动，出井后立即分析解释、发放《物探成果通知书》。

第三十二条 每一个采区必须选择已知情况进行条件试验。包括穿层探测试验、顺层探测试验、可采煤层顺层探测试验。试验数据集中保存到“XX物探仪条件试验资料”目录中。矿井还应按照巷道分类或者试验目的建立子目录。

第三十三条 物探成果有其它实测资料或者钻探资料印证，有地质综合分析成果时，则发放《地质预报通知书》，不再发放《物探成果预报书》。

七 物探资料分析总结

第三十四条 每次现场物探完成后，必须在8小时内，利用专门的处理软件进行资料解释分析，形成物探成果。

第三十五条 物探解释分析应先由两个技术人员分别独立进行，然后再一起研究，形成基本一致的物探成果。

第三十六条 矿井每月至少召开一次物探工作总结会，总结前期的工作，研究和解决工作中存在的问题，制订或调整物探总体规划和实施计划。

八 责任与奖罚

第三十七条 矿井各施工单位要高度重视物探工作，由各单位主要负责人负责此项工作，若发现故意拖延、阻挠物探工作，每发现一次罚区队2000元，负责人500元，主管队长500元，跟班队长200元。

第三十八条 在物探施工中，各相关区队必须做好配合工作，因私自开动绞车或工作面机电设备造成物探仪器损坏的照价赔偿，并视情节严重给予500-5000元罚款。

第三十九条 出现弄虚作假现象，每发现一次对责任人罚款200元。

第四十条 在煤岩巷工作面允许掘进范围内施工，不准超掘，每超掘1m，对施工区队处以2000元罚款，超掘距离为无效进尺。

瞬变电磁信号 篇6

【关键词】富水区；煤层采空区积水；顺层切片

煤层附近的富水区及煤层采空区积水严重威胁着煤矿的安全生产，矿井水灾已成为仅次于瓦斯的煤矿第二大灾害。为了保证煤层的安全开采，在煤层开采之前对煤矿的拟开采区进行水文物探勘查工作，查明煤层顶板、底板围岩的富水情况，采空区积水情况和主要断层、陷落柱构造的富水性及导水性具有十分重要的意义。

1.理论基础

1.1瞬变电磁勘探的基本原理。瞬变电磁法也称时间域电磁法（Timedomainelectromagneticmethods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。瞬变电磁法发射的瞬态过程及信号向下传递如图1、图2。磁变电磁衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因而异常更直接、探测效果更明显、原始数据的保真度更高。

瞬变电磁信号 篇7

地空瞬变电磁法[1,2]以其受地形影响小、探测深度大、信噪比更高、空间分辨率更好等优点成为近几年来瞬变电磁研究领域的重点研究对象。而实测的电磁信号具有如下特点[3]：动态范围大；中晚期信号幅值较小，几乎淹没在噪声中；线圈运动噪声幅值较大，分布范围广；工频干扰和飞机的电磁噪声也是主要噪声来源。若不对这些干扰进行剔除，将直接影响后期反演成像的质量。为了选择合适的滤波方法，需对信号进行分析处理，而传统的傅里叶变换要么全时域，要么全频域，适合分析平稳信号；针对非平稳信号，采用将时域和频域联合分析的时频分析法，它能分辨正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，比较适合动态、瞬态的信号处理，而在瞬变电磁法中得到的就是动态、瞬态的信号[4,5]。所以本文提出了在Lab VIEW平台上采用时频分析法对地空瞬变电磁信号进行分析，不仅为滤波方法的选择提供了依据，而且对滤波效果进行了及时评估。

1 短时傅里叶变换

1.1 工作原理

目前应用较多的三种时频分析方法为：短时傅里叶变换（STFT）、Wigner-Ville分布（WVD）和小波变换。WVD处理多频率分量的信号时存在严重的交叉干扰现象，影响频谱的物理解释；小波变换中小波基的不同选择将会有不同的效果，甚至差别很大。所以本文使用STFT对瞬变信号进行分析。

STFT的思想是[6,7]：假定某个时间窗内的信号是平稳的，然后通过傅里叶变换确定时间窗内信号的频率特性，再移动窗函数分析下一个时间窗内的信号，最终获得整个信号的时频特性。其定义为：

式中：上标“*”表示复共轭。当窗函数g(t)=1时，STFT即为传统的傅里叶变换。图1(b）和图1(c）对应的频率分别为100 Hz,200 Hz,300 Hz，采样率为1 000，采样数为300的正弦信号STFT时频图与FFT幅频特性图，从时频图中可明确判断时间、频率、幅度三者的关系，而FFT变换无法将时域的瞬变信息在频域中表现出来。

在Matlab中可使用spectrogram函数对信号进行STFT变换，图1(d）为上述正弦仿真信号的STFT时频图，由图可得信号的时频特性与LabVIEW所得结果相同，但是Matlab时频分析需编写相应的代码，而且需人工对指定区域的信号进行截取，不能得到信号整体的时频特性。所以本文使用Lab VIEW对指定长度的信号进行周期性STFT变换，从而分析信号的整体时频特性。

1.2 窗函数的选择

进行STFT时，关键要考虑窗函数对STFT变换的影响。不同的窗函数会影响信号的主频分布，选择窗函数时遵循的准则是：使窗函数的主瓣包含更多的能量，相应旁瓣没有多少能量；选择窗函数时，不但需要分析窗函数的不同性质，还需根据信号的不同性质选择合适的窗，如：矩形窗主瓣集中，旁瓣较高，有负旁瓣，对于频率分辨率要求很高，谱估计精度要求不是很高的信号，处理时可选用矩形窗；高斯窗谱的主瓣较宽，故而频率分辨率低，适合用来截断一些非周期信号；如果要分析窄带信号且具有较强的干扰噪声时，则应选用旁瓣幅度较小的窗函数，如Hamming窗等[8,9]。图2所示为分别使用矩形窗、Hanning窗、Hamming窗和Blackman对正弦信号进行分析的时频图，由图2可知，不同窗的时间和频率分辨率不同。结合瞬变电磁信号频谱分量较多，频谱表现复杂，而且更多关注频率点进行滤波的目的，所以选用Hanning窗处理数据。

由STFT的不确定性原理[10,11]（∆t·∆f≥1 4π，∆t，∆f分别为时间和频率分辨率）可知，STFT的时频表示在时间分辨率和频率分辨率之间是矛盾的，若要提高时间分辨率，则应用短的时间窗函数；若要提高频率分辨率，则应选用长的时间窗函数。所以在实际分析过程中，需对时间分辨率与频率分辨率进行折中，以求两者都相对较高。图3为使用1 8,1 4,1 2数据长度的Hanning窗对正弦信号进行STFT的时频分析图，1 8数据长度的时间分辨率高，但频率分辨率低，而1 2数据长度则相反。在时间分辨率与频谱分辨率间进行折中，选择窗长为1 4数据长度对瞬变信号进行时频分析。

2 数据的分析处理

对瞬变电磁信号进行分析处理首先需读取信号，并对其做时频分析，得到主要频段范围；然后对主要频段范围的噪声进行滤波处理，可通过“双通道谱测量VI”计算滤波前后的信号响应和相干情况，选择合适的滤波器；最后与滤波前后的谱分析图进行比较，分析滤波效果。本文需要的数据分析处理主要包括：图4所示的读取数据、STFT时频分析、滤波处理、显示及存储。

2.1 读取数据

数据采集中存储格式的选择需与数据格式和采样率等因素相匹配。TDMS文件是NI公司最新推出的数据管理系统。使用这种格式的数据可以在测试结果中存储大量的数据，并可以将测量数据导入Excel中，所以本文也使用TDMS格式存储采集数据，并使用读取测量文件VI读取已存储的瞬变信号，方便后期分析处理。

2.2 STFT时频分析

读取得到的瞬变信号需进行STFT时频分析得到噪声的主要频段范围和出现的时间，为后期的滤波和分析异常体的地点提供依据。通过调用STFT时频图.VI对信号进行STFT时频分析，根据前面的分析，选择窗长为1 4频率区间的Hanning窗进行分析，并根据实际采样率设置STFT时频图的横、纵坐标显示范围。本文通过调用时频图的色码表属性设置幅值强度表示的颜色，为了使显示美丽直观，本文将强度设置为类似彩虹的颜色，具体实现如图5所示。本文还调用了自功率.VI分析指定频率区间内信号幅值和频率的相互关系。

2.3 滤波处理

使用STFT时频分析得到信号噪声的主要频段范围后需要进行滤波处理，本文主要对指定频段范围的信号进行陷波处理，所以本文使用条件结构控制带阻滤波器的启动与关闭。选择滤波器时可通过使用双通道谱测量VI将原始信号与滤波后信号分别输入A和B通道中，通过对各通道中的信号有序对的分析，计算滤波信号与未滤波信号的信号响应和相干情况，从而得到适合的滤波器。本文使用10阶Butterworth带阻滤波器进行滤波处理，为后期硬件设计时滤波器的选择提供了依据，具有方便、快捷、节约资源等优点。

2.4 显示与存储

显示与存储部分主要是对原始信号与滤波信号进行显示比较，并可通过条件结构的调用选择是否对滤波后的信号进行存储，方便后期做进一步分析处理，程序会在原信号文件的路径下自动创建一个TDMS文件保存滤波后的信号。

3 实验测试

2015年1月15日在成都市高威公园，采用成都理工大学自主研发的微功率发射仪以20 A,25 Hz的电流进行发射，空中通过无人机搭载接收系统进行电磁信号采集分析实验。接收系统采用24位同步采集模块NI 9239，以25 k Hz采样率，全波段连续采集，并通过c DAQ-9191无线机箱以Wi Fi形式进行地面实时监控。当线圈距离地面20 m，放大100倍时采集到的信号如图6(a）所示。使用1 4频率区间的Hanning窗对指定长度的信号进行周期性STFT变换得到的时频图，如图6(b）所示，对应的频率区间为25 000×0.03=750。由图6可知，信号的主要能量集中在100～200 Hz内，使用10阶的Butterworth带阻滤波器进行处理后的时域信号和时频图如图6(c）所示，由图可知100～200 Hz信号的幅值趋于0，表明滤波已达到指定要求，滤波后信号如图6(d）所示。

4 结语

实验结果表明，时频分析克服了传统快速傅里叶变换分析瞬变信号的不足，准确知道各频率及幅值随时间的变化，而Lab VIEW相较于Matlab可实时对采集的信号进行分析，也可对保存的数据的指定长度进行周期性分析。而本文设计的基于Lab VIEW的地空瞬变电磁信号STFT分析处理软件综合了两者的优势，既能有效确定干扰信号，为滤波处理提供依据，又大大减少了开发时间，具有方便、快捷、直观显示等优点，适合需要快速评估实验成效的野外作业。

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[10]吕东伟.吊舱式时间域直升机航空电磁数据处理方法研究[D].成都:成都理工大学,2011.

矿用瞬变电磁仪 篇8

天地 (常州) 自动化股份有限公司和中国矿业大学合作, 成功研制推出了独具特色的轻便、大功率发射、用于深部地质勘探的矿用瞬变电磁仪。该仪器采用非接触式、多匝小回线天线装置, 可在有限的巷道空间内进行全方位的测量, 观测方式灵活多变, 具有施工效率高的特点。该仪器主要应用领域: (1) 巷道掘进工作面前方的突水构造预测; (2) 顶、底板煤岩层内部富水异常区勘查; (3) 陷落柱等水文地质问题勘查; (4) 采空区及废弃的充水小煤窑水的突水水源勘查; (5) 板采矿扰动诱发的导水破裂带导通勘查。

掘进巷道水害井下瞬变电磁超前探测 篇9

矿井瞬变电磁法是近年来发展起来的在煤矿井下巷道内探查其周围空间不同位置, 不同形态含水构造的矿井物探方法之一, 其凭借体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感等一些优点, 已成为煤矿水害探测的最佳选择方法[1]。

祈南矿断层的力学性质多数为压性, 属于阻水断层。根据14-18孔和补22-3孔对F8断层 (正断层) 和F9断层 (正断层) 抽水试验, q=0.0007~0.0005l/s.m, K=0.00299~0.000208m/d。说明自然状态下断层的导水性较差, 富水性弱。从多处揭露断层的情况看, 断层中部仅以断层面的形式存在, 而未形成破碎带, 并且断层附近挤压、扭动痕迹明显是正断层不导水的主要原因之一。

1 施工技术及测点布置

超前探测主要是在掘进巷道迎头利用直接或间接的方法向巷道掘进方向进行探测, 探测前方是否存在地质构造或富水体及导水通道, 为巷道的安全掘进提供详细的地质资料。祈南矿在掘进过程中利用瞬变电磁法对掘进头前方进行探测。

由于受巷道迎头空间的限制, 矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈的几何尺寸受到的一定的制约, 只能采用多匝小回线的发射和接收装置形式, 即边长为2~3 m。测点布置在巷道迎头空间位置, 即从巷道迎头左侧开始, 首先使发射、接收天线的法线垂直巷道左侧面进行测量, 然后旋转天线, 使天线的法线方向与巷道的左侧形成一定夹角进行探测;当天线的法线方向与巷道迎头界面垂直时, 根据其主迎头断面的宽度布置1~2个测点;到巷道迎头右侧时再旋转天线, 使法线方向与巷道右侧形成一定夹角进行探测, 同时调整天线的法线与巷道底板的夹角大小, 以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情况, 其探测方向如图1所示, 测点间距2~5m, 共布置个物理点。

2 应用实例

图2为迎头位置矿井瞬变电磁超前探测视电阻率拟断面图:横坐标在0~150之间对应巷道左侧帮, 150~250之间对应巷道迎头位置, 250~400之间对应巷道右侧帮, 纵坐标为沿探测方向距离, 单位均为m。左图为向顶板方向探测结果, 中图为顺巷道掘进方向探测结果, 右图为向前方底板探测结果。

分析顶板探测结果中视电阻率等值线变化规律可以看出, 纵坐标小于40m、横坐标在0~40范围, 对应迎头前方及两侧帮顶板范围, 视电阻率等值线横向变化差异小, 等值线分布均匀, 横向基本呈平行分布, 等值线数值大于6Ω•m, 为明显高阻反映, 说明迎头顶板对应探测范围内赋水性弱。横坐标在0~10之间和25~40之间位置、纵坐在40~125m之间范围, 对应迎头位置左右两侧帮顶板, 视电阻率等值线横向变化差异大, 纵向变化小, 视电阻率等值线值在4Ω•m左右。横坐标在15~25之间、纵坐在40~95m之间范围, 视电阻率等值线横向变化差异大, 视电阻率等值线值小于3Ω•m, 比两测帮低, 为明显低阻异常反映, 说明迎头前方顶板对应探测范围局部赋水性较强, 纵坐标在95~125m之间, 等值线数值大于4Ω•m, 说明顶板对应探测范围赋水性较弱。

分析顺掘进方向探测结果中视电阻率等值线变化规律可以看出, 纵坐标小于35m、横坐标在0~40范围, 等值线数值大于5Ω•m, 为明显高阻反映, 说明迎头前方对应探测范围内赋水性弱。纵坐标在35~70m之间, 等值线横向变化较大, 等值线数值小于3Ω•m, 为相对低阻异常反映, 特别是右侧帮反映最明显, 说明迎头右侧帮对应探测范围局部赋水裂隙发育。分析视电阻率等值线沿探测方向变化特征, 纵坐标在35m左右位置, 等值线出现明显扭曲现象, 等值线数值由高阻突然减小到低阻, 为构造发育反映, 局部赋水裂隙发育。

分析向底板探测结果, 纵坐标小于35m、横坐标在0~40范围等值线数值大于5Ω•m, 为明显高阻反映, 说明迎头前方底板对应探测范围内赋水性弱。纵坐标在35~70m之间, 等值线横向变化较大, 等值线数值小于3Ω•m, 为相对低阻异常反映, 特别是右测帮底板反映最明显, 迎头右侧帮底板对应探测范围局部赋水裂隙发育。分析视电阻率等值线沿探测方向变化特征, 纵坐标在35m左右位置等值线出现明显扭曲现象, 等值线数值由高阻突然减小到低阻, 同样为为构造发育反映, 与顺层方向探测有联系, 局部赋水裂隙发育。

3 结论

通过利用瞬变电磁法对掘进头前方进行探测, 得出如下结论:迎头位置侧帮外30m左右位置构造发育, 前方25~45m之间、顶板上15~35m之间局部富水裂隙发育, 底板赋水性相对弱, 通过综合矿井地质和水文地质资料分析, 探测准确, 具有很高的可行性。因此, 采用瞬变电磁法能够准确、快速的探测矿井巷道水害。

摘要：瞬变电磁法是矿井防治水害的主要技术手段之一, 本文介绍了瞬变电磁法的基本原理和该方法在巷道超前探测上的方法技术, 论述了矿井瞬变电磁技术在探测巷道掘进头前方水的有效性, 并结合实例证明该方法可以准确反映巷道前方地质体的空间特征, 为防治掘进巷道水害提供了依据, 很好地满足矿井巷道超前探测预报的要求。

关键词：矿井瞬变电磁法,煤矿水害,超前探测,防治水

参考文献

浅谈瞬变电磁法的发展 篇10

关键词：瞬变电磁,二次场,勘探深度

1引言

瞬变电磁法[1,2,3,5]即时间域电磁方法, 是建立在电磁感应原理基础上的时间域电磁的一种探测方法。它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次场, 在一次场的激发下, 地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的二次场。但是, 它不是单纯的二次场, 而是夹杂了接收线圈固有的暂态过程[6]。换言之瞬变电磁法就是通过回线中供入稳定电流产生的一次磁场, 断电后导体中产生电流的二次磁场随时间变化的衰减特性, 从而达到解决地质问题的目的。

2国内外研究进展与现状

2.1 国外研究进展与现况

瞬变电磁法在西方始于上世纪50年代, 地球物理学家在基础理论上、应用技术等方面进行深入的研究, 在通过大量实验数据结果, 50～60年代成功的完成了瞬变电磁法的一维正、反演。特别是前苏联在上世纪70～80年代开展过大规模的测量工作, 重点在在二、三维正演方面。进入80年代后, 瞬变电磁法得到了快速的发展, 前苏联学者吸取了“偏移成像”的广义概念, 提出了电磁波拟地震波的偏移方法, 此后正则偏移和解析延拓偏移两种方法也纳入了电磁法。80年代末, 前苏联在激发极化现象理论基础上, 研究了时间域瞬变电磁法的激电响应的变号现象, 更进一步拓宽了其应用空间, 在矿产勘查、油气勘探、环境调查、工程勘查、军事探测、考古探测等多方面, 得到更好的应用。20世纪中叶瞬变电磁法 (TEM) 的解释理论和野外工作方法得到了肯定之后, 瞬变电磁法才慢慢进入实用阶段。之后, 瞬变电磁法广泛应用于世界各国。

现在瞬变电磁法中的一维正、反演计算理论比较成熟, 但是二、三维问题的正、反演计算有待于进一步研究。早期西方生产的瞬变电磁仪是一种使用单一方法用的仪器, 近年来电磁阀一起趋向于集成化, 各种多功能电测系统。

直流电法作为发展最早、最成熟的方法之一, 早在1971年, Roy和Apparao就发表了有关直流电法探测深度的全面论述[7]。在时变电磁法方面, 1989年Spies发表了电磁测深方法探测深度的论文, 分别给出了频率域时谐场的趋肤深度公式和时间域瞬变场的扩散深度公式[8]。目前, 瞬变电磁 (TEM) 法的应用日趋广泛, 对其探测能力的评估已成为勘探工程设计与施工中迫切需要解决的问题。

2.2 国内研究进展与现况

我国早在20世纪70年代初就开始研究瞬变电磁法, 其中原长春地质学院的朴华荣、曾孝箴、王延良等人, 通过这项研究推出了均匀大地上空时间与电磁响应, 并将脉冲式航电以用于地质填图和找矿。1977年脉冲电磁法用于勘探良导体金属矿。脉冲电磁法于1985年用于金属矿勘探, 并取得了明显的效果。经过二十多年的努力, 结合大量的应用实例研究成果, 使得TEM在我国的应用和发展有了更一步的拓展。在我国最早在20世纪30年代就提出了瞬变电磁法 (TEM) , 到50～60年代, 成功地完成了瞬变电磁法的一维正演、一维反演, 建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后, 瞬变电磁法才开始进入实用阶段, 此后, 瞬变电磁法在世界范围内得到了广泛的研究和应用, 70年代初我国开始引进和研究TEM, 使其在石油勘探、地下水寻找、地热勘探引、工程勘探矿产调查等诸多领域得到了广泛的应用。

3结论

随着社会经济和城市建设的发展, 瞬变电磁法 (TEM) 是近年来国内外发展速度较快、应用效果较好的一种电磁方法, 由于其施工便利、成本低廉、工作效率高、应用效果明显等优点, 已广泛应用于金属、煤炭、地下水等矿藏勘查, 但是由于瞬变电磁法固有的技术难点, 探测盲区问题至今没有根本解决, 这有待于进一步研究。

参考文献

[1]方文藻, 李予国, 李貅.瞬变电磁测深法原理[M].西安:西北工业大学出版社, 1999

[2]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用.西安:陕西科学技术出版社, 2002

[3]彭仲秋.瞬变电磁场.北京:高等教育出版社, 1989

[4]薛国强.论瞬变电磁测深法的探测深度.石油地球物理勘探, 2004, 39 (5) :575～578

[5]牛之琏, 1992, 时间域电磁法原理, 中南工业大学出版社。

[6]党瑞荣, 赵文涛, 任志平.瞬变电磁法中接收线圈过渡过程分析.石油仪器.2009, (23) 2

[7]Roy A Apparao A.Depth of investigation in direct current methods.Geophysics, 1971, 36 (5) :943～959