基于双极性超光滑宽带激发源的航空电磁方法与流程

本发明属于地球物理勘探技术领域，尤其是涉及一种基于双极性超光滑宽带激发源的航空电磁方法。

背景技术：

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods)又称时间域电磁方法(Time Domain Electromagnetic Methods)，简称TDEM或TEM。近年来瞬变电磁发展为航空瞬变电磁法(Airborne Transient Electromagnetics Methods，ATEM)和半航空瞬变电磁法(Semi-airborne Transient Electromagnetic Methods，SATEM)，也被称为地面电源航空瞬变电磁方法(Ground Electrical Source Airborne Transient Electromagnetics Methods，GREATEM)。其中ATEM和GREATEM，由于接收机在直升机或者无人机中，探测范围大，并且可以探测到一些地形复杂的区域，近年来被广泛应用于矿产普查、地下水探测、石油勘探等领域。

航空电磁法是基于地下岩石的差异性，如电性或磁性差异，利用电磁感应原理，以固定翼或无人机等飞行器为载体，发射时域波形，根据接收信号来分析或反演出地下情况的勘探方法，其具有高效、经济、试用性强等优点。

然而对于ATEM其发射波形为双极性的半正弦波，在实际发射过程中容易产生吉布斯效应，导致实际测量结果与发射波形之间存在误差，从而影响实际反演结果；GREATEM发射波形为双极性方波信号，由于方波信号在实际产生时难以达到理想的状态，导致其上升沿或下降沿的时间太长，准确的上升时间或下降时间要用很高的采样率才能精确记录，但是也很难达到很高的精度，从而对反演结果有很大的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于双极性超光滑宽带激发源的航空电磁方法。

本发明包括以下步骤：

(1)选择与记录实际发射波形发射，具体方法如下：

发射波形选择双极性的BHW波形，在发射机附近设有一个记录发射波形的接收机，用于确定发射信号的频谱信息，将记录得到的发射信号做快速傅里叶变换(FFT)，得到频域的增益系数；

(2)实际信号的接收与处理，具体方法如下：

接收机位于无人机或固定翼飞行器上，对无人机或固定翼飞行器的飞行姿态进项校正，对信号进行降噪处理；

在步骤(2)中，所述对无人机或固定翼飞行器的飞行姿态进项校正，对信号进行降噪处理的具体方法可为：先记录接收机的姿态，然后进行角度校正；采用多个周期累加求平均方法对信号进行降噪处理，当信号处理后，进行时频转换，得到接收信号的频谱信息和发射信号的频谱信息。

(3)计算反演算法参数，具体方法如下：

得到接收信号的频谱信息和发射信号的频谱信息后，用反演方法对地下电导率等信息进行反演，得到地下的电导率分布情况。

本发明提出了用发射超光滑宽带激发源作为一种新型的航空电磁和半航空电磁的发射波形。例如基于BHW波，其波形表达式如下：

其中a₀＝0.353222，a₁＝-0.488,a₂＝0.145,a₃＝-0.0102222；信号的特征频率为f_c＝1/T，对于零阶BHW波信号的最大频率近似为f_max≈3.351f_c。这种波形的一阶及二阶导数在开关时刻均为零，故具有良好的频谱特性，消除了传统半正弦波及方波的混叠误差。

对于上述BHW波其一阶导数表达式为：

二阶的表达式为:

由表达式可知，BHW波的一阶与二阶导数在0时刻为0，这可以避免实际应用中双极性方波在0时刻导数不为零所引起的不连续问题。并且BHW波为余弦信号按照不同的比例因子叠加而成，所以在实际应用中容易实现，且不会出现过载现象，在正演仿真时可以避免因为频率分量过高而出现的混叠现象，导致仿真结果不稳定；在实际应用中要去掉去直流分量，同时为了避免零点偏移现象，所以采用双极性BHW波作为发射波形；BHW波的波谱能量集中，带外衰减快，有利于实际接收信号在带内的信噪比提高；同时可以避免在实际应用中出现的过载现象，有利于实际接收机的应用与提高发射信号的记录精度；其双极性BHW波表达式如下：

对于T和T₀可以取不同的数值，这里取T＝0.005，T₀＝0.005；

本发明提出一种新型的航空电磁与半航空电磁的发射波形，同时利用设计的发射波形对地下分层情况进行反演。在瞬变电磁系统新型的发射波形和利用新型发射波形准确反演地层电导率的算法。本发明的最大特点是在发射波形为超光滑宽带激发源，其一阶及二阶导数在开关时刻均为零(如BHW波)，并利用发射超光滑激发波来对地下电导率参数进行反演。

本发明使用超光滑宽带激发源(其一阶及二阶导数在开关时刻均为零)，如BHW(Blackman-Harris Window)波是简化汉明窗的一种，具有频谱能量集中，带外衰减快的优点；且是宽带信号包含频率成分大，对于带内频率能量大，可以很好的提高带内频率的信噪比；在实际产生过程中由于其是由正弦信号叠加而成，所以实际电路容易产生，且可以避免其他波形的过载和混叠效应等。

附图说明

图1为BHW波形示意图。

图2为BHW波频谱衰减示意图。

图3为BHW波一阶导数示意图。

图4为BHW波二阶导数示意图。

图5为双极性BHW波的波形图。

图6为双极性BHW波频谱衰减示意图。

图7为利用BHW波反演出的一维分层模型结果。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的技术方案及其突出效果作进一步说明。

(1)实际发射波形发射选择与记录

因为实际接收机受到环境、仪器等多种情况的影响，所以一般的发射波形选择双极性的BHW波形(如图2)。这样可以减少直流分量对接收信号的影响；同时在发射机附近要有一个记录发射波形的接收机，以便与确定信号的频谱信息。将记录得到的发射信号做FFT变换得到其频域的增益系数；

(2)实际信号的接收与处理

实际接收机一般位于无人机或者固定翼飞行器上，所以就需要对其飞行的姿态进项校正和对信号进行降噪处理。这里需要记录接收机的姿态，然后对其进行角度校正；为了对接收信号进行降噪，一般采用多个周期累加求平均方法。当信号处理好后，需要对其进行时频转换，得到其频谱信息。

(3)反演算法参数的计算

得到接收信号的频谱信息和发射信号的频谱信息后，就可用反演方法对地下电导率等信息进行反演，来得到地下的电导率分布情况。

本发明不仅适用于半航空瞬变电磁系统，而且适用于全航空瞬变电磁系统。本发明从瞬变电磁的发射波出发，提出了一种新型的航空电磁发射波形：超光滑宽带激发源(其一阶及二阶导数在开关时刻均为零)，并以BHW波为例指出了光滑激发源的优点。超光滑宽带激发源波形克服现有双极性方波的下降沿信号由于混叠误差而难以准确探测的问题，同时抑制双极性方波信号正演过程中出现混叠误差现象。以BHW波为例的超光滑宽带激发源为宽带信号，包含大量的频率信息，同时在带外衰减迅速，能量集中在带内，可以使发射信号能量更集中，同时提高接收信号频带内的信噪比。最后给出1D的BHW波波形信息反演出来的结果。

本反演算法在理论上具有较高的反演精度：

图1为0阶BHW波示意图，图中的BHW波的特征频率为f_c＝200Hz，T＝0.005s。

图2为0阶BHW波频谱示意图，从图中可以看出0阶的BHW波在特征频率内的增益衰小，但在特征频率的3.351倍的最大频率下其衰减可以达到-40dB以上，说明BHW波的能量主要集中在0～fc频带内。

图3为1阶BHW波波形示意图，此波形为图1BHW波的一阶导数，也成为一阶BHW波，从图中可以看出其在0时刻时的值为0。

图4为2阶BHW波波形示意图，此波形为图1BHW波的二阶导数，也成为二阶BHW波，从图中可以看出其在0时刻时的值为0。

图5为双极性BHW波波形示意图，图中的双极性BHW波，其中单个的BHW波的特征周期为200Hz，其中T＝0.005s，中间的间隔时间T₀＝0.005s，整个双极性BHW波的周期为50Hz。

图6为双极性BHW波频谱示意图，从图中可以看出双极性BHW波在单极性波的特征频率内的增益衰减由于受周期性的影响在频带内变化比原来大，但是其双极性波没有直流分量，并且在单极性BHW波特征频率的3.0855倍的最大频率下其衰减可以达到-40dB以上，说明BHW波的波谱能量主要集中在其频带内。

图7利用BHW波反演结果图，利用特征频率为200Hz的BHW波所反演出的一维数据结果，可以看出模型为5层的分层模型，反演过程中分10层来对模型进行反演，最后得到的结果和实际的真实值结果很接近，基本上可以认为反演结果和真实结果相吻合。