一种频率域可控源电磁测量时序快速模拟方法

1.本发明属于电磁模拟技术领域，具体涉及一种频率域可控源电磁测量时序快速模拟方法。


背景技术：

2.频率域海洋可控源电磁(csem)方法常使用海底固定观测和移动激发的观测方式，通常使用拖曳在离海底上方几十米处的水平电偶极子作为发射源，并在被拖曳过程中向位于海底的电磁采集站发射特定频率的电磁信号，电磁信号在海水和海底媒质中传播，最终由位于海底的采集站接收到电磁感应信号，其振幅和相位依赖于海底介质的电阻率。由于海水和海底媒质的电性特征，发射源激发的电磁信号在传播过程中振幅会不断衰减，相位也会随着收发距的变化而变化。
3.在进行海洋csem施工时，发射源通过通讯缆线与考察船实验室相连，能够实现gps实时授时，然而由于接收站在海底观测，无法接收gps信号实现实时授时。当长时间观测导致接收系统断电，使得接收站无法回收后进行gps对时和时漂校正，则发射系统和接收系统则可能存在时差。在浅水海域中观测电磁场，由于海水运动引起的感应电磁噪声非常强烈，存在与发射源同频和非同频的噪声信号，以及较为强烈的白噪声等，这些信号对海洋电磁测量时序信号的影响规律还未非常明确。利用处理技术对海洋csem数据的处理效果和噪声压制效果需进行有效评判和检验，然而实测电磁信号中有效信号和噪声信号成分未知，无法实现处理技术的检验，因此需要利用与实际数据接近的模拟数据来开展这些工作。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种频率域可控源电磁测量时序快速模拟方法，该方法利用频率域正演响应替代电磁场振幅衰减常数和相移常数，实现频率域可控源电磁观测时序的快速模拟，合成的数据可包括各类噪声，能够分析特定噪声对有效时序信号的影响规律，并为处理技术的评判和检验提供途径。
5.为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案：
6.1.一种频率域可控源电磁测量时序快速模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.s1、构建频率域可控源电磁时序函数：
[0008][0009]
其中，t0为发射源的时间，f为可控源发射的电磁场分量，f
s0
为该分量的发射源振幅；α为电磁场振幅衰减常数，β为相移常数；ω为具发射源的角频率，δt为接收站与发射源的时漂长度，φs为发射源的初相；fn和φn分别为具有与发射源相同频率ω噪声的振幅和初相位，k表示频率为ω的噪声信号由k类不同振幅和初相的噪声组合而成；fn和ωn分别为具有频率特征噪声的振幅和角频率，ew为其他噪声；
[0010]
s2、设置模拟参数，参数包括测量时间长度、采样率、信噪比、地电模型、观测系统、
与发射源同频噪声和非同频噪声的数量、振幅和相位信息、其他噪声信息等；
[0011]
s3、基于根据采样频率和测量时间长度生成数据点对应的时间序列；
[0012]
s4、基于观测系统和地电模型计算电磁场分量的实部和虚部，并计算振幅与收发距数据(mvo)和相位与收发距数据(pvo)；
[0013]
s5、基于观测系统转换时间轴，利用三次样条插值方法补全所有时间序列上的振幅和相位响应；
[0014]
s6、利用振幅和相位响应分别替换电磁场振幅衰减常数和相移常数，从而更新时序函数；
[0015]
s7、计算不带噪声情况下的测量时序；
[0016]
s8、利用傅里叶变换从时间域转换至频率域，与计算的mvo数据和pvo数据进行比对，若不满足精度则转向s2并加密观测系统，满足精度则转向s9；
[0017]
s9、根据模拟参数设置加入所设定信噪比的噪声成分，所述噪声包括时漂噪声、与发射源同频噪声、与发射源非同频噪声、白噪、实测噪声等；
[0018]
s10、合成模拟数据并输出。
[0019]
2.如权利要求1所述的频率域可控源电磁测量时序快速模拟方法，其特征在于，s1中所述的可控源发射的电磁场为频率域可控源电磁的总场分量，具体包括电场的正交三分量(e
x
,ey,ez)和磁场的正交三分量(h
x
,hy,hz)。
[0020]
3.如权利要求1所述的频率域可控源电磁测量时序快速模拟方法，其特征在于，s2中所述的地电模型包括一维、二维和三维模型。
[0021]
4.如权利要求1所述的频率域可控源电磁测量时序快速模拟方法，其特征在于，s5中所述的基于观测系统转换时间轴是基于发射源的初始位置r
s0
＝(x
s0
,y
s0
,z
s0
)、运动速度v＝(v
x
,vy,vz)，通过计算不同时刻发射源与接收站位置rr＝(xr,yr,zr)之间的距离实现时间轴到收发距轴的转换。
[0022]
较现有技术相比，本发明一些实施例中，提供的方法的有益效果在于：
[0023]
本发明主要针对如何快速模拟可控源电磁测量时序，提出了一种频率域可控源电磁测量时序快速模拟方法。该方法通过构建频率域可控源电磁时序函数，基于观测系统和地电模型计算电磁场分量的实部和虚部，并计算振幅与收发距数据(mvo)和相位与收发距数据(pvo)；基于发射源的初始位置、运动速度，通过计算不同时刻发射源与接收站位置之间的距离实现时间轴到收发距轴的转换；利用三次样条插值方法补全所有时间序列上的振幅和相位响应，并将频率域正演响应替代电磁场振幅衰减常数和相移常数，避免直接计算振幅衰减常数α和相移常数β的复杂过程，从而实现频率域可控源电磁测量时序快速模拟。本方法能够实现时漂噪声、与发射源同频噪声、与发射源非同频噪声、白噪、实测噪声等信号的模拟，相比于传统的时序合成方法，其方法简单且效率更高，且能够模拟传统方法很难模拟的噪声，如时漂引起的噪声等。本发明为能够分析特定噪声对有效时序信号的影响规律，并为处理技术的评判和检验提供技术途径，具有实际的应用价值。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述
中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1为本发明方法的程序流程框图；
[0026]
图2为合成观测时序的地电模型；
[0027]
图3为合成的水平电场ey分量；
[0028]
图4为合成的垂直电场ez分量；
[0029]
图5为合成的水平磁场hx分量；
[0030]
图6为合成的测量电磁场分量处理得到的振幅和对比结果；
[0031]
图7为合成的测量电磁场分量处理得到的相位和对比结果；
具体实施方式
[0032]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]
本发明主要针对如何模拟可控源电磁测量时序，提出了一种频率域可控源电磁测量时序快速模拟。该方法通过构建频率域可控源电磁时序函数，基于观测系统和地电模型计算电磁场分量的实部和虚部，并计算振幅与收发距数据(mvo)和相位与收发距数据(pvo)；基于发射源的初始位置、运动速度，通过计算不同时刻发射源与接收站位置之间的距离实现时间轴到收发距轴的转换；利用三次样条插值方法补全所有时间序列上的振幅和相位响应，并将频率域正演响应替代电磁场振幅衰减常数和相移常数，从而实现频率域可控源电磁测量时序快速模拟。本方法能够实现时漂噪声、与发射源同频噪声、与发射源非同频噪声、白噪、实测噪声等信号的模拟，相比于传统的时序合成方法，其效率更高，且能够模拟传统方法很难模拟的噪声，如时漂引起的噪声等。本发明为能够分析特定噪声对有效时序信号的影响规律，并为处理技术的评判和检验提供技术途径，具有实际的应用价值。
[0034]
本发明提供一种频率域可控源电磁测量时序快速模拟方法，具体计算流程图参见图1。具体步骤包括：
[0035]
s1、首先根据设计需求构建频率域可控源电磁时序函数：
[0036][0037]
其中，t0为发射源的时间，f为可控源发射的电磁场分量，该分量为频率域可控源电磁的总场分量，具体包括电场的正交三分量(e
x
，ey，ez)和磁场的正交三分量(h
x
，hy，hz)；f
s0
为该分量的发射源振幅；α为电磁场振幅衰减常数，β为相移常数；ω为具发射源的角频率，δt为接收站与发射源的时漂长度，φs为发射源的初相；fn和φn分别为具有与发射源相同频率ω噪声的振幅和初相位，k表示频率为ω的噪声信号由k类不同振幅和初相的噪声组合而成；fn和ωn分别为具有频率特征噪声的振幅和角频率，ew为其他噪声。
[0038]
s2、根据设计需求设置模拟参数，参数涉及测量数据参数、模型参数和噪声参数，其中测量数据参数包括测量时间总长度、测量设备采样率、信噪比；观测位置的模型参数，包括海洋地电模型、观测系统，其中观测系统具体涉及到发射源的初始位置、拖曳速度、发
射频率和接收站的位置等信息；噪声参数包括与发射源同频噪声和非同频噪声的数量、振幅和相位信息、其他噪声信息等。
[0039]
s3、基于根据采样频率和测量时间长度生成数据点对应的时间序列；
[0040]
s4、假设发射源从初始位置r
s0
＝(x
s0
，y
s0
，z
s0
)以速度v＝(v
x
，vy，vz)移动，因此发射源的位置rs＝(xs，ys，zs)可表示为
[0041]rs
＝(xs，ys，zs)＝r
s0
+vt＝(x
s0
+v
x
t，y
s0
+vyt，z
s0
+vzt)
[0042]
假设接收站位于rr＝(xr，yr，zr)，收发距d可表示为
[0043][0044]
由于复杂模型的振幅衰减常数α和相移常数β是很难得到的，本方法通过频率域可控源电磁正演算法直接计算获得特定模型的振幅ξ和相位θ数据关于收发距的变化曲线，并将振幅ξ和相位θ数据替换振幅衰减常数α和相移常数β，由此避免直接计算复杂的振幅衰减常数α和相移常数β。基于观测系统和地电模型，所述的地电模型包括一维、二维和三维模型，随后利用可控源电磁模拟算法计算频率域电磁场分量的实部和虚部，并进一步计算振幅与收发距数据(mvo)和相位与收发距数据(pvo)。
[0045]
s5、根据采样频率和测量时间长度生成数据点对应的时间序列。由于时间序列的横轴为时间轴，而mvo和pvo数据的横轴为收发距，无法直接对应关系。因此，根据上式，将时间轴转换为收发距。由于观测系统中发射源通常是经过多次叠加后获得相隔一定距离的发射源信息，而测量时序则是连续的密集采样，因此需将二者数据量统一，本方法利用三次样条插值方法补全所有时间序列上的振幅和相位响应。
[0046]
s6、利用振幅和相位响应分别替换电磁场振幅衰减常数和相移常数，从而更新时序函数。
[0047]
s7、基于更新的时间函数计算不带噪声情况下的测量时序。
[0048]
s8、利用傅里叶变换从时间域转换至频率域，与计算的mvo数据和pvo数据进行比对，若不满足精度则加密观测系统，并重新生成新的测量时序。若满足精度则根据模拟参数设置加入所设定信噪比的噪声成分。
[0049]
s9、根据模拟参数设置加入所设定信噪比的噪声成分，所述噪声包括时漂噪声、与发射源同频噪声、与发射源非同频噪声、白噪、实测噪声等。
[0050]
s10、最后合成模拟数据并输出。
[0051]
参见图2，为一维典型地电模型示意图，为验证算法的正确性，在设定参数时，暂不设置噪声参数，并将获得的测量时序经傅里叶变换后的结果与真实频率域电磁响应做对比，以验证算法的正确性。假设电阻率各向同性海水层深度为1km，电阻率为0.3ωm。厚度为100m的高阻薄层的埋深为1km，电阻率为ρ＝100ωm。覆盖层和基岩电阻率均为ρ＝1ωm。假设测线与y轴重合，发射源位于海底正上方50m处,初始位置为(0,-15000,950)m，以v＝(0,0,950)m/s的速度移动至终点(0,15000,950)m，发射频率为0.25hz，接收站坐落于海底，坐标为(0,0,1000)m。设定采样频率为100hz，采样时长为30000s。由于发射源方向与测线方向一致，且接收站位于发射源拖曳线上，因此接收站仅能接收到水平电场ey分量、垂直电场ez分量和水平磁场hx分量。
[0052]
参见图3至图5，分别为利用图1所示步骤计算得到水平电场ey分量、垂直电场ez分
量和水平磁场hx分量在的观测时序。由图可见，三个分量数据都在15000s处场值最大，即发射源经过接收站正上方时获得最大值，并随着发射源远离迅速衰减；对比图3、4和5发现，电场分量ez幅值最小，而水平磁场分量hx幅值最大。
[0053]
参见图6至图7，分别为将图3至图5所示的观测时序经过傅里叶变换至频率域，并转换时间轴后的结果。为了验证本算法的正确性，将真实的水平电场ey分量、垂直电场ez分量和水平磁场hx分量的频率域响应也一并绘出，其中点线为合成观测时序得到的结果，实线为真实计算的频率域结果。由图可见，二者结果完全一致，由此而说明了本发明所提出算法能够获得与频率域一致的观测时序，同时也验证了算法的正确性。
[0054]
在此基础上，可根据需求添加响应噪声成分，从而进一步获得含噪的观测时序。通过添加不同性质的噪声，从而分析特定噪声对有效时序信号的影响规律；通过对已知噪声成分的数据进行处理，则可实现特定方法处理效果的评判和检验。
[0055]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。