一种瞬变电磁信号工频及其谐波干扰消除方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电磁信号处理，具体地来讲为一种瞬变电磁信号工频及其谐波干扰消 除方法及装置。
【背景技术】
[0002] 瞬变电磁探测方法是一种基于电磁感应原理的地球物理探测方法，具有施工效率 高、分辨能力强优势，广泛应用于矿产勘探、油气探测等领域。在瞬变电磁地球物理勘探中， 经常引入各种干扰和噪声，而来自高压输送电网，供电变压器接地方式等原因产生的工频 及其谐波干扰是十分普遍的，尤其在城市附近，工频及其谐波干扰十分强烈。
[0003] 瞬变电磁探测系统接收线圈在接收瞬变电磁信号的同时，不可避免的接收到工频 及其谐波噪声，引起瞬变电磁信号信噪比降低，导致探测精度下降。并且瞬变电磁信号随时 间成指数衰减，晚期道信号十分微弱，工频及其谐波干扰严重影响晚期道数据质量，导致地 球物理深部信息反演结果可信度降低，勘探深度减小。
[0004] CN101548885A公开了一种去除电生理信号中工频干扰的方法。该发明通过将采集 到的生理信号中减去重构干扰信号的方法，得到纯净的电生理信号。由于电生理信号主要 集中在30Hz以下，50Hz附近的能量非常小，该方法在重构过程中忽略了 50Hz附近的信号，但 是瞬变电磁为宽频信号，不能忽略50Hz附近的能量，因此该方法不适用于瞬变电磁信号去 除工频干扰。
[0005] CN101666834A公开了一种抗工频干扰的信号采集方法及系统。该方法首先通过从 输入的市电交流信号中提取工频信号，并对其进行同步跟踪，产生工频同步脉冲。其次根据 工频同步信号锁定检测信号中工频干扰的过零点相位，在过零点相位对输入的检测信号进 行同步采样。该方法虽然在实现消除工频干扰的过程中，未损失有用信号，但过零点相位检 测时，过零点相位容易产生偏差，影响测量结果。
[0006] CN104702243A公开了一种基于模糊逻辑滤除工频干扰的自适应滤波器。通过数字 信号的模糊逻辑分析，构建匹配的滤波器，对信号进行滤波，实现生物信号工频干扰的消 除。该方法虽然使工频干扰得到衰减，但有用信号也遭到同样的衰减，导致测量保真度下 降。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种瞬变电磁信号工频及其谐波干扰消除 方法及装置，在不损失有用信号的前提下，去除工频及其谐波干扰对瞬变电磁数据的影响， 以提高瞬变电磁信号的信噪比，尤其对于晚期道信号的提取，提高深部反演信息的准确性。
[0008] 本发明是这样实现的，
[0009] -种瞬变电磁信号工频及其谐波干扰消除方法，该方法包括，
[0010] 步骤1，在第一时间段内接收环境噪声信号N(t)，经放大后，经低通滤波去除高频 噪声，对其信号中的工频及其谐波噪声进行建模得到工频及其谐波干扰模型，
[0011] 步骤2,从第二时间段开始，打开发射机，接收包括瞬变电磁感应电压信号和环境 噪声信号，采用所述第一时间段内的工频及其谐波干扰模型计算所述第二时间段内及后续 时间段的工频及其谐波估计值，
[0012] 步骤3,将包括瞬变电磁感应电压信号和环境噪声信号经减法器去除工频及其谐 波估计值得到去噪后的瞬变电磁信号。
[0013] 方法进一步地，步骤1包括：
[0014] 采用傅里叶级数拟合，对工频及其谐波噪声建立模型：
其中k为采样时间，AmSm次谐波分量对应的幅度，Φ Am次谐波分量对应的相位，fQ为工频 噪声频率，fs为采样频率，Μ取小于等于200，NP(k)表示工频及其谐波干扰模型函数，对式(1) 进行正交分解，写成：
[0017] 求出am上及工频噪声频率f 〇得到工频及其谐波干扰随时间变化的函数NP (k) 〇
[0018] 方法进一步地，根据工频噪声频率fo的波动区间，采用二分法进行迭代计算，逐步 减少搜索空间求取工频噪声频率fo以及知和仏。
[0019] 方法进一步地，根据工频噪声频率fQ的波动区间，采用二分法进行迭代计算，逐步 减少搜索空间求取工频噪声频率fo以及知和仏包括：
[0020] 式(2)写成：
[0022] 求解方程组(3)，得到系数Χ=[αι仇…am i3m]T，
[0023]
，其中fo/表示波动区间的上端点、表示波动区间的下 端点，f(/表示区间中点，分别计算波动区间的上端点fo/、波动区间的下端点以及区间 中点ft/对应的工频及其谐波干扰模型，分别表示为身pa(k)pb(k)、和M pQ(k);
[0024] 将得到的fo/表示波动区间的上端点、fW表示波动区间的下端点，f</表示区间中 点的工频噪声分别与环境噪声N(t)相减得到剩余的随机噪声，并计算剩余随机噪声的均方 差，分别表不为：〇0a、〇0b、和〇0 ;
[0025] 判断若〇〇a-〇()>〇()b- 〇()，则工频在[fV ]区间，令fo/ =f(/后，继续迭代，直至找 到剩余随机噪声的均方差最小值点，输出工频f(/及对应系数矩阵X' Q;否则令=fV，继 续迭代，直至找到随机噪声的均方差最小值点，此时,Χο?Χ' 0输出工频fo及对应系数 矩阵Xo;
[0026] 确定am、i3m及f〇后，将其带入式(1)，得到工频及其谐波干扰模型。
[0027] -种瞬变电磁信号工频及其谐波干扰消除装置，该装置包括，接收线圈，接收第一 时间的环境噪声信号N( t)以及第二时间的包括瞬变电磁感应电压信号和环境噪声；
[0028] 前置放大器，接收的信号进行放大处理；
[0029] 低通滤波器，将放大的信号去除高频噪声；
[0030] 减法器，其第一输入接收去除高频噪声的信号；
[0031] 处理器，存储通过第一时间计算的工频及其谐波干扰模型，根据第一时间计算的 工频及其谐波噪声模型，计算出第二时间工频及其谐波噪声估计值，噪声经DA转换，转换为 模拟量，至所述减法器的第二输入；
[0032] 减法器将两路输入经减法计算后输出。
[0033] 装置进一步地，所述处理器在所述第一时间内，采用傅里叶级数拟合，对工频及其 谐波噪声进行建立包含工频噪声信号频率的模型：
k为采样时间，Am为m次谐波分量对应的幅度，Φ "为111次谐波分量对应的相位，fo为工频噪声 频率，fs为采样频率，Μ取小于等于200，NP(k)表示工频及其谐波干扰模型函数，对式(1)进行 正交分解，写成：
[0036] 求出am、βm及工频噪声频率f 〇得到工频及其谐波干扰随时间变化的函数NP (k)。
[0037] 装置进一步地，所述处理器，根据工频噪声频率fQ的波动区间，采用二分法进行迭 代计算，逐步减少搜索空间求取工频噪声频率f〇以及~和匕。
[0038] 装置进一步地，所述处理器，根据工频噪声频率fQ的波动区间，采用二分法进行迭 代计算，逐步减少搜索空间求取工频噪声频率&以及~和匕包括：
[0039] 将式(2)写成：
[0041] 根据求解方程组(3)，得到系数X=[ai仇…am ωτ，
[0042]
，其中f Qi/表示波动区间的上端点、f Ql/表示波动 区间的下端点，表示区间中点，分别计算波动区间的上端点fo/、波动区间的下端点 以及区间中点f (/对应的工频噪声，分别表示为:Y pa( k)、g pb ( k )、和Y pQ ( k );
[0043] 将得到的foZ表示波动区间的上端点、fo^表示波动区间的下端点，f(/表示区间中 点的工频噪声分别与环境噪声N(t)相减得到剩余的随机噪声并计算剩余随机噪声的均方 差，分别表不为：〇Qa、〇〇b、和〇〇;
[0044] 判断若0〇a-(5()>(5()b-(5()，则工频在[ft/ .fW ]区间，令foZ =f(/后，继续迭代，直至找 到剩余随机噪声的均方差最小值点，输出工频及对应系数矩阵X' 〇;
[0045]否则令fo, =fV，继续迭代，直至找到随机噪声的均方差最小值点，fo = f(/，Xo = V 0输出工频f0及对应系数矩阵Xo;
[0046] 确定am、iVSfo后，将其带入式（1)，得到工频及其谐波干扰模型。
[0047] 本发明与现有技术相比，有益效果在于:本发明公开的瞬变电磁信号工频及其谐 波干扰实时消除方法及装置，通过直接对数据中的时域工频及其谐波噪声建立模型，可以 有效的去除工频及其谐波干扰对瞬变电磁信号的影响，同时不损失有用信息。本方法可去 除任意频率的工频及其谐波干扰。
[0048] 经试验，本方法对瞬变电磁数据中工频及其谐波干扰的去除效率高，准确性好，提 高了深部反演结果的可信度。
【附图说明】
[0049]图1为基于噪声模型实时去除工频及其谐波干扰原理框图；
[0050] 图2为发射电流示意图；
[0051] 图3为瞬变电磁中心回线工作示意图；
[0052] 图4为工频及其谐波干扰噪声模型效果图，（a)为环境噪声信号波形图，（b)为工频 及其谐波干扰模型波形图；
[0053] 图5为利用噪声模型去除工频及其谐波干扰效果图；
[0054] 图6为瞬变电磁数据实时去除工频及其谐波干扰的效果图。
【具体实施方式】
[0055] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0056] 本发明实施例提供的基于噪声建模的瞬变电磁信号工频及其谐波干扰消除装置， 原理框图如图1所示，本实施例采用基于中心回线的工作方式，如图3所示，发射线圈11铺设 为方形回线，边长为l〇〇m，接收线圈1为边长为lm的方形回线。
[0057] 接收线圈1接收环境噪声信号n(t)(图2中T0~T1时间段），信号经前置放大器2放 大后，通过RC低通滤波器3,去除高频噪声，输出环境噪声信号N(t)。信号N(t)经AD转换器4， 将模拟量转化为数字量N(k)