一種在超導(dǎo)瞬變電磁應(yīng)用中的噪聲抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在超導(dǎo)瞬變電磁應(yīng)用中的噪聲抑制方法，其特征在于所述的噪聲抑制方法是將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法和環(huán)境磁場參考測量相結(jié)合；具體是首先建立TEM接收系統(tǒng)和環(huán)境磁場參考測量系統(tǒng)，分別測量TEM信號和環(huán)境磁場信號，并采用EMD模塊對這兩類信號進行高頻噪聲濾除處理，接著在接收信號中去除環(huán)境參考部分相關(guān)的低頻干擾，最后得到需要的TEM信號。所述的方法不僅能抑制高頻噪聲，而且在低頻噪聲抑制方面十分有效，而且通過DSP模塊的實時信號處理操作，有利于提高信號處理速度和節(jié)省系統(tǒng)存儲空間，對系統(tǒng)的應(yīng)用起重要的推動作用，有效提高系統(tǒng)測量精度。
【專利說明】一種在超導(dǎo)瞬變電磁應(yīng)用中的噪聲抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種在超導(dǎo)瞬變電磁應(yīng)用中的噪聲抑制方法,屬于地球物理中的瞬變電磁應(yīng)用的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)和科技的發(fā)展，人類對礦產(chǎn)資源的需求數(shù)量越來越多，也越發(fā)迫切，而埋藏于淺地層的礦產(chǎn)資源基本枯竭，因此礦產(chǎn)勘探工作逐漸向地下更深的隱伏礦和盲礦勘探發(fā)展，由此對地球物理探測的各種儀器設(shè)備性能提出了更高的要求。在地球物理探測電法勘探領(lǐng)域中，瞬變電磁方法(Transient Electromagnetic Method,簡稱TEM)在探測大深度和在高阻地區(qū)尋找低阻地質(zhì)體方面是目前最靈敏的方法，具有極大的發(fā)展?jié)摿颓熬?，為尋找更多的礦產(chǎn)資源提供了有效的途徑。
[0003]瞬變電磁方法(TEM)的原理如下，首先由發(fā)射機向發(fā)射線圈通以強大的脈沖電流，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，這個脈沖電流在周圍空間產(chǎn)生電磁場，它向周圍介質(zhì)傳播過程中，如遇到地下導(dǎo)電低阻地質(zhì)體時，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，進而產(chǎn)生二次場，如圖1所示。二次場通過接收回線觀測，在脈沖間歇期間，二次渦流場由于熱損耗而隨時間衰減，衰減過程中早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，趨膚深度小，晚期成分相當于頻率域中的低頻成分，趨膚深度大，利用電磁傳感器觀測二次渦流場隨時間的變化規(guī)律，并對觀測的數(shù)據(jù)進行分析和處理，進而可以得到地下不同深度的地質(zhì)信息和特征，如圖2中是三條衰減快慢不同的TEM曲線，分別對應(yīng)著地下的不同電阻率信息。TEM方法自從提出以來，近二十年發(fā)展迅速，在煤礦勘察、水文勘測等方面得到極大的重視。在通常情況下，TEM方法采用線圈感應(yīng)來測量磁場，根據(jù)楞次定律，線圈測量的物理量是磁場隨時間的變化率，因此經(jīng)常要將測得的感應(yīng)電動勢值進行積分以轉(zhuǎn)化為磁場值來對數(shù)據(jù)進行解釋，而積分不僅增加了數(shù)據(jù)量，而且很難實現(xiàn)，目前在數(shù)據(jù)處理中，是以犧牲精度和數(shù)據(jù)失真為代價的。根據(jù)瞬變電磁理論可以證明，由一次場在地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)上引起的二次場感應(yīng)電動勢的幅值隨時間的衰減比磁場衰減得更快。因此在TEM方法中使用磁場傳感器能夠提高探測精確度。為此，可以選擇超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)作為接收磁傳感器，它可以直接測量二次磁場，而且其靈敏度很高，是目前最靈敏的磁場傳感器，其靈敏度在fT (10 - 15T)量級，因此，基于SQUID傳感器的TEM能夠檢測二次場中的晚期衰減信號，即可以探測大深度的地質(zhì)體，是一種非常有潛力的地球物理探測方法。
[0004]由于SQUID傳感器的超高靈敏度，利用基于SQUID的瞬變電磁法從野外采集的瞬變電磁數(shù)據(jù)受各種噪聲和干擾因素的影響。首先，TEM觀測的是二次場，信號較弱，而地球環(huán)境磁場干擾水平相對較高，尤其是在航磁TEM應(yīng)用中，干擾更為嚴重，其次，SQUID傳感器雖然靈敏，但卻非常容易受到低頻干擾的影響，而這些干擾的存在對處理信號的后續(xù)工作造成很大的不利。同時，野外的各種其他頻段的干擾也會對TEM信號進行很大的影響，而且干擾頻段分布廣泛，種類復(fù)雜，如圖3所示，甚至將所需要的有用信號掩蓋，這些都會對礦產(chǎn)探測造成重大的損失。雖然這些干擾問題，可以通過數(shù)據(jù)采集的多次疊加及抗干擾裝置等手段得到一定的克服，傳統(tǒng)的干擾抑制算法是建立在傅立葉分析基礎(chǔ)上的，傅立葉變換是信號處理、圖像處理重要的應(yīng)用工具之一。傅立葉變換的實質(zhì)是把信號分解成許多不同頻率的正弦波的疊加，這樣就可以把對原信號在時域的研究轉(zhuǎn)化為對在頻域的研究。而傅立葉變換作為一種全局性的變換，只是一種純頻域的分析方法，反應(yīng)的是整個信號全部時間的整體頻域特征，而不能提供任何局部時間段上的頻域信息，不能說明其中某種頻率分量出現(xiàn)的時刻以及其相應(yīng)的變化情況，不適用于分析非平穩(wěn)信號，因此具有一定的局限性，不可能完全解決噪聲的干擾問題。只有有效地抑制信號中的干擾并提取信號的有用信息，才能進一步更好的利用瞬變電磁數(shù)據(jù)成圖以及解釋地質(zhì)狀況。
[0005]為了能夠抑制超導(dǎo)瞬變電磁信號中的噪聲干擾，需要找到一種有效的噪聲抑制方法。目前已經(jīng)發(fā)展了多種噪聲抑制方法，如Gamble T.D.等人報道的抑制低頻干擾的環(huán)境磁場參考方法(Magnetotellurics with a remote reference, Geophysics44, 53 -68 (1979))為抑制高頻干擾的頻域濾波等，但是由于噪聲信號的非平穩(wěn)性，這些處理方法抑制噪聲的效果并不理想。為改善噪聲抑制的效果，本發(fā)明擬提出一種噪聲抑制方法，首先測量TEM系統(tǒng)所處的環(huán)境磁場并將其作為參考信息，然后利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法分析環(huán)境磁場參考信息和測量系統(tǒng)的輸出信息，去除輸出信息中的環(huán)境磁場信息，得到需要的磁場信息，進而提高系統(tǒng)的測量準確性。從而引導(dǎo)出本發(fā)明的構(gòu)思。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種在超導(dǎo)瞬變電磁應(yīng)用中的噪聲抑制方法。在采用基于SQUID傳感器的瞬變電磁測量系統(tǒng)進行TE M探測時，將接收到的電磁信號變?yōu)殡S時間衰減的信號，接收信號的幅度以及衰減速度取決于地下介質(zhì)的性質(zhì)。對于良導(dǎo)電礦體而言，衰減的時間范圍一般為從100~200到10~20ms，跨度接近兩個數(shù)量級。在這段很寬的衰減時間內(nèi)，信號的變化規(guī)律為:早期信號較強，衰減迅速；晚期信號很弱，而衰減也慢的多，從早期到晚期，信號幅度動態(tài)范圍非常大。在野外環(huán)境下，SQUID瞬變電磁探測會受到地球的天然電磁場以及人為工業(yè)噪聲的干擾，這類干擾對其后期資料處理以及反演的影響非常大，因此，在野外環(huán)境中探測到的瞬變電磁信號，亟待需要進行干擾的抑制。本發(fā)明針對超導(dǎo)瞬變電磁中的噪聲干擾問題，提出將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法和環(huán)境磁場參考測量相結(jié)合的噪聲抑制方法，其主要
【發(fā)明內(nèi)容】
如下:
[0007](I)在TEM信號分析中采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解模塊來處理信號
[0008]針對傳統(tǒng)的傅立葉變換法在--Μ信號抑制干擾中的缺陷，本發(fā)明在接收系統(tǒng)中研制了基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirieal Mode Decoposition, EMD)方法的濾波處理模塊,通過濾波處理模塊以對SQUID瞬變電磁輸出信號進行分析和處理。這個處理模塊包含兩部分:軟件和硬件，軟件方法以經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)方法為主，硬件以數(shù)字信號處理器(DigitalSignal Processor, DSP)為主，如圖 4(a)所不。
[0009]EMD方法是一種自適應(yīng)信號時頻方法，特別適用于非線性非平穩(wěn)信號。該方法基于信號本身的局部特征時間尺度，把復(fù)雜的信號函數(shù)分解成了有限的本征模態(tài)函數(shù)(Inirinsic Mode Function, IMF)之和，通過對每一個本征模態(tài)函數(shù)進行Hilbert變換,可以求出每一本征模態(tài)函數(shù)伴隨時間變化的瞬時頻率和瞬時幅值，進一步的可以得到非平穩(wěn)信號完整的時頻分布。[0010]在進行TEM干擾抑制時，先將信號進行EMD分解，進行各模式分量(IMF)的分別干擾抑制或者濾波處理，接著依據(jù)信號的自身特性，對信號進行選擇重構(gòu)進而有效的進行整個信號的干擾抑制。將EMD算法應(yīng)用于SQUID TEM信號分析有如下優(yōu)勢:首先，EMD算法是處理非線性非平穩(wěn)信號的強有力工具，符合瞬變電磁信號非線性非平穩(wěn)特性的要求；其次，分解變換不需要預(yù)先選擇基函數(shù)，其分解得到的模態(tài)函數(shù)具有自適應(yīng)性，能反映原始信號的固有特性，從而使得基于EMD的TEM信號的降噪方法更具靈活性和適應(yīng)性；而且，由于瞬變電磁信號表現(xiàn)出非穩(wěn)定的特征，引起阻抗估算結(jié)果也具有時變特征，利用時頻分析從瞬時譜上統(tǒng)計估算參量比Fourier分析更有利于實現(xiàn)穩(wěn)健估計和反演。
[0011]從信號處理的角度出發(fā)，分解得到的本征模態(tài)函數(shù)MF是一個不斷從高頻濾波到低頻濾波的過程。MF頻帶從高到低，這樣它的帶寬、中心頻率的設(shè)定，和分解層數(shù)完全是來自數(shù)據(jù)本身，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解可以從濾波器的角度來理解，其物理意義是一組可自適應(yīng)變化帶寬和中心頻率的濾波器，分解出的固有模態(tài)函數(shù)分量的頻率是由高到低排列的。在TEM探測中，噪聲主要集中分布于高頻，而中低頻是信號的主要頻域，MF能量的分布是由噪聲能量由大到小再到信號能量的分布，因此可以采用最小能量選擇規(guī)律。
[0012]EMD方法應(yīng)用到仿真TEM帶噪聲信號上，如圖4所示，圖中就是仿真的原始TEM衰減曲線疊加了高頻噪聲，SNR為-10dB，將算法應(yīng)用于此信號上，得到的效果見圖4(a)，這是濾波之后的時域波形，從濾波前后時域波形對比可以明顯看出，高頻噪聲得到了很好的濾除。經(jīng)過EMD濾波之后，對其進行了頻譜分析，濾波前后的頻譜對比如圖4(b)所示，可以明顯看出信號中的高頻部分被有效濾除，高頻部分白噪聲水平降低顯著。通過計算，濾波后的SNR提高到了 20dB，SNR的顯著提高，充分驗證了 EMD方法在TEM信號分析上的特點和效果。
[0013]在利用EMD方法處理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)時，由于采集的數(shù)據(jù)量比較大，因此利用DSP模塊實時信號模塊處理操作來實現(xiàn)EMD方法，如圖5(a)所示，DSP系統(tǒng)具有實時性、靈活性、可靠性和可重復(fù)性等優(yōu)點，因此不僅能夠?qū)崟r利用EMD方法進行數(shù)據(jù)處理，提高處理速度和靈活性，而且通過存儲EMD方法處理后的MF分量，可以減少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲量。首先根據(jù)采集數(shù)據(jù)的數(shù)量和運算量選擇DSP芯片，然后設(shè)計DSP芯片的外圍電路及其他電路，如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)、存儲電路和輸出接口等，之后進行DSP的軟件設(shè)計，將EMD算法通過軟件的形式移植到DSP中。輸入信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進入DSP芯片，經(jīng)過EMD算法進行分解，之后存儲處理后的結(jié)果。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)方法應(yīng)用到TEM信號分析的步驟如圖5(b)所示，分為以下幾步:(i)按照篩選算法將TEM信號進行EMD分解成各個IMF分量；(ii)分析各個IMF分量的時頻特性；(iii)根據(jù)TEM信號自身特點以及IMF能量分布規(guī)則選擇需要的MF分量，進行信號重組，完成濾波過程。
[0014](2)環(huán)境磁場參考通道的建立及磁場測量和分析
[0015]在瞬變電磁測量中，系統(tǒng)的輸出信號中不僅包含有二次潤流場信號，還含有地球環(huán)境磁場和人文噪聲干擾。因此，系統(tǒng)獲得的實測信號具有動態(tài)的、瞬變的、干擾因素多的特點，在信號衰減過程的晚期，有用信號往往淹沒在各種噪聲干擾之中。這些干擾信息隨著測量地點和測量時間的不同而有所變化，如天電場噪聲是由大氣層釋放電荷引發(fā)的閃電產(chǎn)生的，其頻率范圍為I?1000Hz，與地區(qū)、季節(jié)等因素有關(guān)；人文噪聲包括:電網(wǎng)噪聲、礦山或工業(yè)用電噪聲、移動通訊網(wǎng)、有線廣播和無線電臺等設(shè)施產(chǎn)生的電磁噪聲，這類噪聲的幅度和頻率與時間和地點的聯(lián)系非常緊密。但是在低頻范圍，在野外環(huán)境中，環(huán)境磁場具有極大的相關(guān)性，即某處地點的磁場可以由與其相鄰一定距離處的磁場來推算，這為我們抑制低頻磁場干擾提供了一個理論基礎(chǔ)。如圖6(a)所示，在不同地點測量的環(huán)境磁場數(shù)據(jù)顯示了環(huán)境磁場具有一定的相關(guān)性。
[0016]基于此原理,本發(fā)明構(gòu)建了一個環(huán)境參考SQUID接收系統(tǒng)來用于對環(huán)境磁場的測量，并將其輸出作為區(qū)域范圍內(nèi)的環(huán)境磁場參考數(shù)值，如圖6 (b)所示，基于超導(dǎo)SQUID傳感器的TEM接收系統(tǒng)A(超導(dǎo)TEM接收系統(tǒng))設(shè)置于發(fā)射線圈中心，其輸出信號Ua是局域的二次渦流場和環(huán)境磁場的疊加。若在發(fā)射線圈之外設(shè)置另一個環(huán)境參考SQUID接收系統(tǒng)裝置B (環(huán)境參考SQUID測量接收系統(tǒng))，其輸出信號Ub也是二次渦流場和環(huán)境磁場的疊加，但是由于其遠離發(fā)射線圈，所以其輸出信號中二次渦流場信號隨著與線圈距離的延長而呈指數(shù)衰減，其幅度遠小于發(fā)射線圈中心位置二次場信號，輸出信號Ub中主要部分是環(huán)境磁場的貢獻。如前面所述，在低頻范圍內(nèi)，野外環(huán)境磁場在一定空間內(nèi)具有極大的相關(guān)性，那么U = Ua-Ci XUb中主要是發(fā)射線圈內(nèi)二次渦流場的信息，其中參數(shù)α可以由系統(tǒng)A和系統(tǒng)B在野外環(huán)境中同時測量環(huán)境磁場后確定。因此，接收系統(tǒng)B的作用主要是測量環(huán)境磁場，對它的位置設(shè)置的要求主要有(i)其位置遠離發(fā)射線圈，以使得系統(tǒng)輸出主要是環(huán)境磁場，包含很小的二次渦流場信號，(ii)其所處位置的低頻環(huán)境磁場與發(fā)射線圈中心處的磁場具有相關(guān)性。綜合上述兩個條件，通常將距離設(shè)為發(fā)射線圈尺寸的5-10倍。兩個系統(tǒng)的距離過小，環(huán)境參考系統(tǒng)的輸出信號中包含TEM信號成分,不能反應(yīng)環(huán)境磁場的信息，距離過長，兩個系統(tǒng)中包含的環(huán)境磁場成分相關(guān)性減弱。兩個系統(tǒng)距離的具體數(shù)值由實際應(yīng)用中的試驗來確定。
[0017]利用(I)中所述的EMD模塊對接收系統(tǒng)輸出信號和環(huán)境參考磁場信號進行分析，在分別濾除接收系統(tǒng)輸出信號和環(huán)境參考磁場的高頻噪聲之后，再利用U = Ua - a XUb去除環(huán)境磁場在接收系統(tǒng)輸出中的低頻信息。如此，TEM信號的低頻擾動可以得到較好的抑制，如圖6(c)所示。
[0018]綜上所述，本發(fā)明所述一種在超導(dǎo)瞬變電磁應(yīng)用中的噪聲抑制方法，其特征在于所述的噪聲抑制方法是將經(jīng)驗?zāi)┓纸夥椒ê铜h(huán)境磁場參考測量相結(jié)合；具體是首先建立TEM接收系統(tǒng)和環(huán)境磁場參考測量系統(tǒng)，分別測量TEM信號和環(huán)境磁場信號，并采用EMD模塊對這兩類信號進行高頻噪聲濾除處理，接著在接收信號中去除環(huán)境參考部分相關(guān)的低頻干擾，最后得到需要的TEM信號。其特征在于:
[0019]①所述的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法是一種自適應(yīng)信號時頻方法，通過濾波處理模塊，以對SQUID瞬變電磁輸出信號進行分析和處理，是一組可自適應(yīng)變化帶寬和中心頻率的濾波器，分解出的固有模態(tài)函數(shù)分量的頻率是由高到低排列的。
[0020]②所述的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法是基于信號本身的局部特征時間尺度，把復(fù)雜的信號函數(shù)分解成了有限的本征模態(tài)函數(shù)之和，通過對每一個本征模態(tài)函數(shù)進行Hilbert變換，求出本征模態(tài)函數(shù)伴隨時間變化的瞬時頻率和瞬時幅值，從而得到非平穩(wěn)信號完整的時頻分布。
[0021]③利用EMD方法處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時是利用DSP模塊的實時信號模塊處理操作實施的。
[0022]④所述的環(huán)境磁場參考測量系統(tǒng)包含二次渦流場信號，地球環(huán)境磁場和人文噪聲干擾，有用信號淹沒在各種噪聲干擾之中。[0023]⑤基于超導(dǎo)SQUID傳感器的TEM接收系統(tǒng)設(shè)置于發(fā)射線圈中心輸出信號Ua是局域的二次渦流場和環(huán)境磁場的疊加；在發(fā)射線圈之外設(shè)備一個環(huán)境參考SQUID接收系統(tǒng)，輸出信號Ub雖也是二次渦流場和環(huán)境磁場的疊加，但主要是環(huán)境磁場，在低頻范圍內(nèi)，野外環(huán)境磁場在空間內(nèi)具有極大相關(guān)性，U = Ua - a XUb。
[0024]由此可見，綜合上述兩種方法對TEM系統(tǒng)進行噪聲抑制處理，如圖7所示，首先建立TEM接收系統(tǒng)和環(huán)境磁場參考系統(tǒng)，分別測量TEM信號和環(huán)境磁場信號，并采用EMD模塊對這兩類信號進行高頻噪聲濾除處理，之后在接收信號中去除環(huán)境參考部分相關(guān)的低頻干擾，最后得到需要的TEM信號。上述這種方法不僅能夠抑制高頻噪聲，而且在低頻噪聲抑制方面也有效果，而且通過DSP模塊的實時信號處理操作，有利于提高信號處理速度和節(jié)省系統(tǒng)存儲空間，對于系統(tǒng)應(yīng)用起著重要的推動作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1瞬變電磁(TEM)探測原理圖；
[0026]圖2理想TEM衰減曲線；
[0027]圖3TEM信號干擾頻譜；
[0028]圖4仿真TEM信號經(jīng)EMD濾波前后對比；其中，(a)信號濾波前后的時域?qū)Ρ葓D，(b)信號濾波前后的頻譜對比圖；
[0029]圖5基于EMD方法的DSP處理；其中，(a)DSP信號處理框圖，(b)EMD抑制噪聲算法步驟圖；
[0030]圖6環(huán)境磁場參考通道的設(shè)計與實驗結(jié)果；其中，(a)在不同地點測量的環(huán)境磁場數(shù)據(jù)顯示環(huán)境磁場具有空間相關(guān)性，(b)環(huán)境磁場參考通道的設(shè)計示意圖，(C)TEM應(yīng)用中去除參考通道環(huán)境噪聲后的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果；
[0031]圖7超導(dǎo)TEM中的噪聲抑制方法。
【具體實施方式】
[0032]根據(jù)上述的方法對超導(dǎo)TEM接收系統(tǒng)進行改進，以抑制系統(tǒng)中的低頻和高頻噪聲，提高系統(tǒng)的測量準確度。具體的改進實施如下:
[0033](I)超導(dǎo)TEM系統(tǒng)建立和標定
[0034]制造兩套超導(dǎo)TEM接收系統(tǒng)，如圖6(b)所示，每套系統(tǒng)包括杜瓦、SQUID傳感器、讀出電路和信號處理電路等組件，并在實驗室內(nèi)對每套系統(tǒng)進行性能標定，確定超導(dǎo)系統(tǒng)的磁場-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)、量程、頻帶、噪聲性能等參數(shù)。
[0035](2)野外TEM系統(tǒng)和環(huán)境磁場參考系統(tǒng)設(shè)置
[0036]在野外進行TEM實驗時，在布設(shè)完TEM發(fā)射線圈之后，利用兩套超導(dǎo)SQUID系統(tǒng)進行發(fā)射線圈內(nèi)外不同位置的環(huán)境磁場測量，研究不同地點之間的磁場相關(guān)性，確定相關(guān)系數(shù)。之后選定發(fā)射線圈外的某一點作為環(huán)境磁場測量的參考位置。
[0037](3)接收數(shù)據(jù)的高頻噪聲抑制
[0038]利用基于EMD方法的DSP模塊處理超導(dǎo)TEM系統(tǒng)和環(huán)境參考系統(tǒng)的輸出信號，分別濾除信號中的高頻噪聲，因為這些高頻噪聲是非相關(guān)的或者相關(guān)性非常小，相互之間沒有影響。在將數(shù)據(jù)處理之后，將處理結(jié)果存儲在系統(tǒng)中。[0039](4) TEM信號的低頻噪聲抑制
[0040]以環(huán)境磁場參考通道的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將TEM接收信號數(shù)據(jù)中的低頻環(huán)境磁場消去，TEM信號中的低頻部分得到明顯的改善，如圖6(c)中所示。
[0041]超導(dǎo)TEM原始信號經(jīng)過上述噪聲抑制方法的處理之后，得到不含噪聲的二次渦流磁場數(shù)據(jù)，獲得更加準確的磁場探測信號，為下一步的地球物理數(shù)據(jù)正演提供準確的數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種在超導(dǎo)瞬變電磁應(yīng)用中的噪聲抑制方法，其特征在于所述的噪聲抑制方法是將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法和環(huán)境磁場參考測量相結(jié)合；具體是首先建立TEM接收系統(tǒng)和環(huán)境磁場參考測量系統(tǒng)，分別測量TEM信號和環(huán)境磁場信號，并采用EMD模塊對這兩類信號進行高頻噪聲濾除處理，接著在接收信號中去除環(huán)境參考部分相關(guān)的低頻干擾，最后得到需要的TEM信號。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法是一中自適應(yīng)信號時頻方法，通過濾波處理模塊，以對SQUID瞬變電磁輸出信號進行分析和處理,是一組可自適應(yīng)變化帶寬和中心頻率的濾波器，分解出的固有模態(tài)函數(shù)分量的頻率是由高到低排列的。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法是基于信號本身的局部特征時間尺度，把復(fù)雜的信號函數(shù)分解成了有限的本征模態(tài)函數(shù)之和，通過對每一個本征模態(tài)函數(shù)進行Hilbert變換，求出本征模態(tài)函數(shù)伴隨時間變化的瞬時頻率和瞬時幅值，從而得到非平穩(wěn)信號完整的時頻分布。
4.按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于利用EMD方法處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時是利用DSP模塊的實時信號模塊處理操作實施的；具體是: a)首先根據(jù)采集數(shù)據(jù)的數(shù)量和運算量選擇DSP芯片，然后設(shè)計DSP芯片的外圍電路及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器A/D、存儲電路和輸出接口，之后進行DSP的軟件設(shè)計，將EMD算法通過軟件的形式移植到DSP中；輸入信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進入DSP芯片，經(jīng)過EMD算法進行分解，之后存儲處理后的結(jié)果； b)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法應(yīng)用到TEM信號分析的步驟是: (i)按照篩選算法將TEM信號進行EMD分解成各個IMF分量； (?)分析各個IMF分量的時頻特性； (iii)根據(jù)TEM信號自身特點以及MF能量分布規(guī)則選擇需要的MF分量，進行信號重組，完成濾波過程。
5.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法是基于信號本身的局部特征時間尺度，把復(fù)雜的信號函數(shù)分解成了有限的本征模態(tài)函數(shù)之和，通過對每一個本征模態(tài)函數(shù)進行Hilbert變換，求出本征模態(tài)函數(shù)伴隨時間變化的瞬時頻率和瞬時幅值，從而得到非平穩(wěn)信號完整的時頻分布。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的環(huán)境磁場參考測量系統(tǒng)包含二次渦流場信號，地球環(huán)境磁場和人文噪聲干擾，有用信號淹沒在各種噪聲干擾之中。
7.按權(quán)利要求3、5或6任一項所述的方法，其特征在于基于超導(dǎo)SQUID傳感器的TEM接收系統(tǒng)設(shè)置于發(fā)射線圈中心輸出信號Ua是局域的二次渦流場和環(huán)境磁場的疊加；在發(fā)射線圈之外設(shè)置一個環(huán)境參考SQUID接收系統(tǒng),輸出信號Ub雖也是二次潤流場和環(huán)境磁場的疊加，但主要是環(huán)境磁場，在低頻范圍內(nèi)，野外環(huán)境磁場在空間內(nèi)具有極大相關(guān)性，U =Ua - a XUb0
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于輸出信號Ub遠離發(fā)射線圈，其輸出信號中二次渦流信號隨著與線圈距離的延長而呈指數(shù)衰減，其幅度遠小于發(fā)射線圈中位置的二次場信號。
9.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于具體測量步驟是:(1)超導(dǎo)TEM系統(tǒng)建立和標定 制造兩套超導(dǎo)TEM接收系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包括杜瓦、SQUID傳感器、讀出電路和信號處理電路組件，并在實驗室內(nèi)對每套系統(tǒng)進行性能標定，確定超導(dǎo)系統(tǒng)的磁場-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)、量程、頻帶、噪聲性能參數(shù)； (2)野外TEM系統(tǒng)和環(huán)境磁場參考系統(tǒng)設(shè)置 在野外進行TEM實驗時，在布設(shè)完TEM發(fā)射線圈之后，利用兩套超導(dǎo)SQUID系統(tǒng)進行發(fā)射線圈內(nèi)外不同位置的環(huán)境磁場測量，研究不同地點之間的磁場相關(guān)性，確定相關(guān)系數(shù)；之后選定發(fā)射線圈外的某一點作為環(huán)境磁場測量的參考位置； (3)接收數(shù)據(jù)的高頻噪聲抑制 利用基于EMD方法的DSP模塊處理超導(dǎo)TEM系統(tǒng)和環(huán)境參考系統(tǒng)的輸出信號，分別濾除信號中的高頻噪聲，因為這些高頻噪聲是非相關(guān)的或者相關(guān)性非常小，相互之間沒有影響；在將數(shù)據(jù)處理之后，將處理結(jié)果存儲在系統(tǒng)中； (4)TEM信號的低頻噪聲抑制 ①以環(huán)境磁場參考通道的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將TEM接收信號數(shù)據(jù)中的低頻環(huán)境磁場消去，TEM信號中的低頻部分得到明顯的改善； ②超導(dǎo)TEM原始信號經(jīng)過上述噪聲抑制方法的處理之后，得到不含噪聲的二次渦流磁場數(shù)據(jù)，獲得更加準確的磁場探測信號，為下一步的地球物理數(shù)據(jù)正演提供準確的數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01V3/10GK103955003SQ201410195796
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】徐婷, 王會武, 榮亮亮, 常凱, 邱隆清, 伍俊, 侍文, 蔣坤, 謝曉明 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所