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瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods),简称为TEM。瞬变电磁法因其简单易行,在金属矿、油气田以及油田勘探等方面应用越来越广泛,在寻找地下水、地热资源方面也取得了良好的效果。瞬变电磁信号是对涡流电流产生的二次场进行观测得到的,二次场的变化将反映地下地质体的电性分布。一次场信号的发射受场地及仪器限制,发射功率有限,因此二次场信号功率小,信号弱,容易受到干扰。尤其在存在工频干扰的地区采用瞬变电磁法进行探测时,工频干扰的存在会导致瞬变电磁信号产生严重的畸变,甚至完全被“淹没”。
因此瞬变电磁法中工频噪声的压制是瞬变电磁探测工作中的一项重要又非常基础的工作,是本文的主要研究内容。TEM信号采用宽带测量,工频干扰存在于其有效频带内,信噪分离存在一定难度,测量精度受到严重影响。针对上述特点,不能单纯的采用信号叠加方法、加大发射电流方法、滤除局部噪声观测法等基于瞬变电磁仪器的措施来实现对工频噪声的压制。
本文分析了工频噪声对瞬变电磁信号的干扰机理,并查阅了大量资料,根据资料显示,工频噪声对TEM信号的影响存在两种形式,即加性干扰和乘性干扰,因此,文中提出按照干扰的类型的不同来进行分析。
加性工频干扰,是指工频噪声与TEM信号在时域中表现为直接相加的关系,频域中也表现为相加。针对加性干扰,本文主要采用了两种方法对其进行压制,一种是零极点法设计的基于IIR结构的陷波器。该陷波器可以根据所需要的系统频率响应来确定零、极点,再反向得到数字滤波器,当工频干扰存在谐波分量时,根据需要将陷波器设计成级联型。当工频干扰为单一50Hz工频噪声时,滤波效果良好,并且陷波器设计方法简单,软、硬件容易实现。另外一种方法是基于自适应的LMS(最小均方误差)滤波算法,该算法的优点在于可以不断的对滤波因子进行自动调节,使其适应输入信号的相关特性。将这两种方法应用于实际数据处理,根据其噪声引入特点和信号特性,分别具有较好的适应性和滤波效果。
乘性干扰,是指工频噪声与TEM信号在时域中表现为乘积的关系,频域为两信号频谱的卷积。由工频信号的频谱特性,两信号频谱的卷积简化为TEM信号频谱的线性搬移。在研究TEM信号属性的基础上,提出采用相干解调的方法从干扰信号中恢复原始TEM信号,当振荡器与载波相位不相同时,混频后的信号仅在幅度上发生了变化,并不影响噪声压制效果,乘性工频干扰得到了很好的抑制。
滤除噪声后的信号更加有利于地层信息属性的提取,便于将TEM信号进行反演,得到合理的地层视电阻率。将该方法应用于煤气田安全勘察,地下状态预测、评估,通过绘制视电阻率剖面图,就可准确的反映地下煤层采空情况、地下的富水情况等,为煤气田的安全开发和采掘提供决策依据。