一种补偿瞬变电磁信号负值的方法与流程

本发明涉及地质勘探技术领域，特别是涉及一种补偿瞬变电磁信号负值的方法。

背景技术：

磁性源瞬变电磁法(Transient electromagnetic method，简称TEM法)是一种有效的物探方法，TEM法属于时间域人工源电磁方法，是以大地中岩石(矿石)的导电性和导磁性为物性前提，根据电磁感应原理观测、研究电磁场空间和时间分布规律，以寻找地下良导矿体或解决相关地质问题的一种勘查方法。

TEM法的基本原理如下：以不接地回线或接地长导线供以双极性脉冲电流产生激发电磁场，在该电磁场的激励下，导电地质体受感应而产生涡旋电流。由于导电地质体是非线性的，所以脉冲电流从峰值跃变到零，一次电磁场立即消失，而涡流并不立即消失，有一个瞬变过程，这个过程的快慢与导体的电性参数有关。地质体的导电性越好，涡流的热耗损越小，瞬变过程则越长。这种涡流瞬变过程，在空间形成相应的瞬变磁场，脉冲电流关断期间在地面观测瞬变磁场，即观测二次电磁场，就可发现地下异常地质体的存在，从而确定地下导体的电性结构和空间分布状态。

由于TEM法测量的是导体内涡流的过渡过程，观测是在脉冲间歇期间进行的，不存在一次电磁场源的干扰，观测参数为纯二次电磁场，是电磁法中唯一可采用同点装置的方法，探测目标耦合最紧，获得的响应最强。并且，磁性源激发，不受接地条件限制。

TEM法测量得到的瞬变电磁信号一般为随时间变化的一条近似e指数衰减的正值曲线，然而在越来越多的测量数据中发现信号反转现象，即部分瞬变电磁信号表现为负值。现有的处理方法可以归结为两种：

1、直接忽略掉负值，用剩余的正值进行电阻率解释，造成有效数据时间短、地质探测深度浅、电阻率偏高的问题，是一种没有科学依据的解释方法。

2、人们认为激发极化效应是造成瞬变电磁信号发生反转的主要原因，并且将cole-cole模型引入到TEM法正演计算当中，将大地等效成为电阻与电容并联构成的系统。该理论建立在发射场关断后，二次电磁场对可极化大地进行充电，晚期放电，理论上出现的负值都很小，很难在实际中观测到，用带Cole-Cole模型解释出来的电阻率与实际情况相差很大，并且由于cole-cole模型参数较多，反演难度很大，还未能应用于实测数据解释。

基于以上问题，现在亟需一种能够有效处理瞬变电磁信号负值的方法，从而能得到较长时间的有效数据，提高地质探测深度，并能提高电阻率解释的准确性。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种补偿瞬变电磁信号负值的方法，用于解决现有技术中对瞬变电磁信号负值的处理方法存在缺陷的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种补偿瞬变电磁信号负值的方法，其中，所述补偿瞬变电磁信号负值的方法至少包括如下步骤：

根据瞬变电磁信号的测量数据曲线，选取负值段作为拟合段；

对所述拟合段进行e指数拟合，以得到拟合数据；

将所述测量数据与所述拟合数据作差，以补偿所述瞬变电磁信号负值。

优选地，选取所述负值段的最大负值处作为所述拟合段的开始位置。

优选地，选取所述负值段内位于所述最大负值后且在噪声水平之前任意时间点的负值处作为所述拟合段的关断位置。

优选地，根据瞬变电磁信号的测量数据曲线，选取负值段作为拟合段，具体方法为：

通过线圈向大地发射一次电磁场，然后接收反馈的二次电磁场信号，以得到所述瞬变电磁信号的测量数据曲线；其中，将所述大地等效为电阻与电容串联的电路系统，以使所述二次电磁场的总体磁场变化曲线与所述电容的充、放电过程曲线具有相同的趋势；

选取所述二次电磁场的感应电流小于所述电容的放电电流时所对应的测量数据的曲线段作为拟合段；其中，在所述二次电磁场的感应电流小于所述电容的放电电流时，所对应的测量数据的曲线段为所述瞬变电磁信号的测量数据曲线的负值段。

优选地，选取所述电容的放电电流最大时所对应的测量数据处作为所述拟合段的开始位置；其中，在所述电容的放电电流最大时，所对应的测量数据为所述负值段的最大负值。

优选地，选取从所述电容出现最大放电电流后且在噪声水平之前的任意时间点所对应的测量数据处作为所述拟合段的关断位置。

优选地，所述电容的放电电流产生的放电磁场变化曲线适于通过对所述拟合段进行e指数拟合得到的拟合数据来得到，其中，所述拟合数据为所述电容放电时的电动势衰减系数。

优选地，所述瞬变电磁信号适于通过将所述测量数据与所述拟合数据作差，以实现所述二次电磁场的总体磁场变化曲线与所述电容的放电电流产生的放电磁场变化曲线作差，从而补偿负值。

优选地，对所述拟合段进行e指数拟合，以得到拟合数据，具体方法为：

对所述拟合段数据以e为底取对数，得到公式Y＝lny；其中，Y为对数数据，y为所述拟合段数据；

采用最小二乘法通过公式Y＝a+bx对所述对数数据进行直线拟合，得到a和b；其中，a、b均为常数，x为自变量；

通过公式y＝ea·ebx得到拟合数据。

如上所述，本发明的补偿瞬变电磁信号负值的方法，具有以下有益效果：采用本发明的方法，能够有效处理瞬变电磁信号的负值，从而得到较长时间的有效数据，有效提高地质探测深度。经过补偿后的瞬变电磁信号，就可以通过传统成熟的TEM数据处理解释方法对其进行解释，提高了电阻率解释的准确性。

附图说明

图1显示为本发明实施例的补偿瞬变电磁信号负值的方法的流程示意图。

图2显示为本发明实施例的补偿瞬变电磁信号负值的方法中大地的等效电路图。

图3显示为图2中电容的充、放电过程曲线。

图4显示为本发明实施例的补偿瞬变电磁信号负值的方法中发射的一次电磁场的电流波形图。

图5显示为本发明实施例的补偿瞬变电磁信号负值的方法中线圈中心采集到的二次电磁场的总体磁场变化曲线图，其中，内插图①为(I)段的线性放大图，内插图②为(III)段的线性放大图。

图6显示为本发明实施例的补偿瞬变电磁信号负值的方法的处理前后对比图。

元件标号说明

S1～S3 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

鉴于本发明背景技术中对于瞬变电磁信号负值处理解释的种种缺陷，发明人深入分析研究了极化地区大地等效电容充放电的原理，对瞬变电磁信号出现的负值现象有了新的发现：

大地等效电容实际上在一次电磁场关断期间就已经完成了充电，并开始放电；由于一次电磁场关断引起的电动势很大，对电容的充电起到主导作用，电容在二次电磁场期间放电，并且放电电流在瞬变电磁信号晚期占主导作用，衰减曲线呈现反转。并且，电容的充、放电行为发生在一次电磁场期间，但是与一次电磁场关断速率无关。

基于上述发现，发明人创造出了本发明，通过拟合衰减曲线晚期负的响应，从测量数据中减去该负响应，得到真正大地的响应，从而实现对瞬变电磁信号负值的补偿。

请参阅图1～图6，本发明的实施例涉及一种补偿瞬变电磁信号负值的方法。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例的补偿瞬变电磁信号负值的方法至少包括如下步骤：

步骤S1，根据瞬变电磁信号的测量数据曲线，选取负值段作为拟合段。

在步骤S1中，选取负值段的最大负值处作为拟合段的开始位置，选取负值段内位于最大负值后且在噪声水平之前任意时间点的负值处作为拟合段的关断位置。其中，在噪声水平之前是指系统未开始采集噪声。

步骤S2，对拟合段进行e指数拟合，以得到拟合数据。

其中，步骤S2的具体方法为：

步骤S201，对拟合段数据以e为底取对数，得到公式Y＝lny；其中，Y为对数数据，y为拟合段数据。

步骤S202，采用最小二乘法通过公式Y＝a+bx对对数数据进行直线拟合，得到a和b；其中，a、b均为常数，x为自变量。

步骤S203，通过公式y＝ea·ebx得到拟合数据。

步骤S3，将测量数据与拟合数据作差，以补偿瞬变电磁信号负值。

此外，在本实施例中，步骤S1的具体方法为：

步骤S101，通过线圈向大地发射一次电磁场，然后接收反馈的二次电磁场信号，以得到瞬变电磁信号的测量数据曲线；其中，将大地等效为电阻与电容串联的电路系统，以使二次电磁场的总体磁场变化曲线与电容的充、放电过程曲线具有相同的趋势。

步骤S102，选取二次电磁场的感应电流小于电容的放电电流时所对应的测量数据的曲线段作为拟合段；其中，在二次电磁场的感应电流小于电容的放电电流时，所对应的测量数据的曲线段为瞬变电磁信号的测量数据曲线的负值段。

作为一个优选方案，选取电容的放电电流最大时所对应的测量数据处作为拟合段的开始位置；其中，在电容的放电电流最大时，所对应的测量数据为负值段的最大负值。并且，选取从电容出现最大放电电流后且在噪声水平之前任意时间点所对应的测量数据处作为拟合段的关断位置，其中，在噪声水平之前是指电容仍处于放电阶段且系统未开始采集噪声。根据该优选方案对拟合段的开始位置和关断位置进行设定，能够实现更精确的瞬变电磁信号负值补偿，得到更长时间的有效数据，从而提高地质探测深度。

其中，在步骤S101，将大地等效为电阻R与电容C串联的电路系统，如图2所示，以使二次电磁场的总体磁场变化曲线与电容的充、放电过程曲线具有相同的趋势。其原理如下：

首先，对该等效电路进行模拟电路分析，主要分析该等效电路中电容的电流行为。

如图3所示，a曲线为恒定电动势下的电容电流，b曲线为电动势为的电容电流。

当电动势恒定时，其电流表达式为：

其中τ_c＝RC，A为常数系数。

如图3的a曲线所示，通过电容的电流为一条e指数衰减曲线，直到充电结束，电流为零。

当电动势为时，通过电容的电流为一条随时间衰减的e指数曲线，其电流表达式为：

其中τ为电动势的衰减系数，A、B均为常数系数。

如图3的b曲线所示，通过电容的电流在衰减过程中出现反转现象(即b曲线的虚线段，该虚线段的数据实际均为负值，为了便于在图示中表达，将该虚线段的数据取绝对值表达，实际上，该虚线段曲线应为相对于X轴对称的曲线)。其中，电流为正值表示为电容的充电过程，一开始电源电动势ε(0)大于电容电压，此时开始为电容充电，随着电源电动势的减小和电容电量的累计，充电电流逐渐减小。直到电源电动势与电容电动势相等，完成充电过程，电流为零。随着电源电动势的进一步减小，电容开始放电，因为方向相反，电流表现为负值(如图3的b曲线的虚线段)，当电源电动势衰减趋近于零，电容的放电电流达到最大值，随后电容继续放电，随着电容电量的减小，电容的放电电流趋向于零。

其次，使用该等效电路分析实测情况。以内蒙古自治区某矿区的极化大地为例，在对其进行瞬变电磁探测时，发现所有探测点的数据都存在负值现象，从测量数据出发分析电容的充、放电过程。

如图4所示是实际发射的一次电磁场的电流波形图，该实际发射的一次电磁场具有80ms的开电时间和920ms的关断时间，以及实际约宽2ms的下降沿。图中，(I)段为线性关断，(II)段为缓慢关断，(III)段为完全关断。而电容的充、放电过程曲线的变化趋势依然如图2所示。如图5所示为线圈中心采集到的二次电磁场的总体磁场变化曲线图，图中的(I)(II)(III)段分别对应图4中的(I)(II)(III)段。

请继续参阅图5，(I)段是1ms内的一次电磁场的行为，其线性放大图见内插图①，该部分磁场均匀线性变化，产生恒定的电动势，该部分与图3中的a曲线过程相同，同时和b曲线前半段也相同，为充电过程。(II)段是1ms到2ms，这是由于发射线圈中的残余电流产生的磁场，其衰减过程为近似e指数，该部分与图3中的b曲线过程相同，为先充电后放电过程。(III)段是2ms之后，即图5中的加粗曲线段，该加粗曲线段的数据实际均为负值，为了便于在图示中表达，将该虚线段的数据取绝对值表达，实际上，该加粗曲线段应为相对于X轴对称的曲线，其线性放大图见内插图②；该部分是电容放电过程，与二次电磁场的感应电流方向相反，当二次电磁场的感应电流大于电容的放电电流时，磁场值B(即磁感应强度)表现为正值，随着二次电磁场的感应电流逐渐减弱，并且小于电容的放电电流，此时磁场值B出现负值，接下来随着二次电磁场的感应电流衰减到很小水平，使得二次电磁场的该段磁场变化曲线呈现出与电容放电过程曲线相同的趋势。

通过上述分析及图3和图5可知，将大地等效为电阻R与电容C串联的电路系统，可以得到与电容的充、放电过程曲线具有相同趋势的二次电磁场的总体磁场变化曲线。

另外，根据步骤S102中的优选方案，选取电容的放电电流最大时所对应的测量数据处作为拟合段的开始位置；其中，在电容的放电电流最大时，所对应的测量数据为负值段的最大负值。同时，选取从电容出现最大放电电流后且在噪声水平之前任意时间点所对应的测量数据处作为拟合段的关断位置。继续以内蒙古自治区某矿区的极化大地为例，由图3、图4和图5可见，电容的放电电流最大时所对应的测量数据(即负值段的最大负值)处为5ms时的磁场值B，因此，拟合段的开始位置为5ms时的磁场值B；同时，从5ms之后到噪声水平之前仍然有100ms以上的测量数据，为了保证补偿负值更准备，选取5ms后的20ms～100ms内任意时间点的磁场值B处作为拟合段的关断位置。

另外，在本实施例中，电容的放电电流产生的放电磁场变化曲线适于通过对拟合段进行e指数拟合得到的拟合数据来得到，其中，拟合数据为电容放电时的电动势衰减系数。并且，瞬变电磁信号适于通过将测量数据与拟合数据作差，以实现二次电磁场的总体磁场变化曲线与电容的放电电流产生的放电磁场变化曲线作差，从而补偿负值。需要说明的是，请继续参阅图5，在(III)段5ms后，电容的放电电流占主导地位，于是可以对这段时间的曲线进行e指数拟合出电容放电时的τ值，从而根据上述公式(1)和(2)推断出整个(III)段过程中电容的放电电流产生的放电磁场。这样通过总的磁场减去该拟合的放电磁场，就可以推断出来纯电阻电路系统下大地的磁场响应，然后就可以通过传统成熟的TEM数据处理解释方法对其进行解释。

仍然以内蒙古自治区某矿区的极化大地为例，采用本实施例的补偿瞬变电磁信号负值的方法获得的处理效果如图6所示，图中，实线表示将实际测得的瞬变电磁信号的测量数据曲线采用传统截断负值的方法截断后的数据曲线，虚线表示将实际测得的瞬变电磁信号的测量数据曲线经过本实施例的方法补偿校正后的数据曲线。可见，采用传统的截断负值的方法，实线曲线只有3ms的数据可以利用，对应地下深度仅约为400米；而采用本实施例的方法补偿校正后，虚线曲线可以利用的数据达到10ms左右，对应地下深度约为800米。因此，本实施例的补偿瞬变电磁信号负值的方法可以有效提高探测深度。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

综上所述，本发明的补偿瞬变电磁信号负值的方法，具有以下有益效果：采用本发明的方法，能够有效处理瞬变电磁信号的负值，从而得到较长时间的有效数据，有效提高地质探测深度。经过补偿后的瞬变电磁信号，就可以通过传统成熟的TEM数据处理解释方法对其进行解释，提高了电阻率解释的准确性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。