[发明专利]基于地质探测的瞬态宽带电磁探测信号处理方法

说明书

一种基于地质探测的宽带电磁信号（20Hz‑150kHz）处理技术，包括：在原始信号添加白噪声，归一化处理，得到新信号；根据带噪信号的包络特征，应用自动移位法、波形匹配法或比例延拓法做经验模式分解，得到IMF分量和残余分量，其中自动移位法首先移出变化最快的IMF分量，并且随着IMF级别的增加，可使宽带电磁信号的IMF分量快速平滑；消除IMF分量中的白噪声，获得真实的IMF分量；计算各IMF的时域一阶差分能量、相位一阶差分能量和归一化能量占比，选取三种特征均最大的IMF，即可作为辐射信号的主要特征；将选取出的IMF频率与特定矿物质所辐射的电磁波频率对比，若一致则说明矿石种含有该矿物质元素。

技术领域

本发明涉及地质探测技术领域，具体涉及地壳中矿物质所产生的宽带磁场辐射信号提供数据处理方法。

背景技术

地下矿物质磁场信号包含矿物分布和地质结构等重要特征信息，可以为地质勘测提供重要参考保障，因此，其检测各种矿物质磁场辐射信号的技术备受重视。地壳运动中挤压矿物质，通常伴随着磁场辐射信号以波动方程规律向周围空间场辐射，该信号属于窄带宽频辐射信号，多表现为非线性、非平稳特征。宽带电磁辐射信号携带矿物种类、空间分布、地壳结构等重要信息，因此有效的检测、估计宽带电磁场辐射信号的波形、频率、相位等物理参数变化规律，是用于地质勘探矿物质的重要技术。实际矿物质中往往具有较复杂的成分，且辐射信号在传播过程中受到空间场背景辐射噪声影响，不可避免地致使接收到的目标信号出现能量衰减、形态扭曲、频率偏移、相位畸变等问题。可见，地壳中矿物质所产生的磁场辐射信号的信号形态及其参数估计，已成为矿物质检测领域面临的重要问题。

在地球深部探测领域常用的地球物理手段包括有重、磁、电、震、放射性等技术方法，在实际应用中又各有优势和不足之处。比如，电磁方法探测深度相对较大，野外仪器轻便，但分辨率和抗干扰能力较差；地震勘探分辨高、深度大，但其对地形条件要求较高，且费用昂贵。此外，传统方法以地下介质的物理差异为基础，属于间接找矿方法，大部分无法实现深部矿体的直接探测定位；发射性勘探虽属直接探测方法，但其勘探深度不足。

电磁声子探测以矿物晶体在地应力作用下的自发电磁辐射为物理基础，是一种被动源地球物理探测技术，具有分辨率高、探测深度大等特点，可实现深部地质结构的精细探测；仪器轻便，可搭载于汽车及无人机实现复杂地形的高效探测。

目前，窄带宽频辐射信号的常用检测包括以下几种方法：

(1)谱估计法

谱估计是以信号周期性和相关性为理论基础，根据谱峰位置确定信号频率。其基本思想是从观测数据估计自相关函数后，将自相关估计值乘以窗函数，最后对加窗延迟估计值做傅立叶变换得到功率谱估计。然而，谱估计法窗函数的截断与计算过程的离散化不可避免地出现能量泄露和栅栏效应，使得其频率、幅度和相位的估计都存在较大的误差，尤其在低信噪比情况下，估计精度会进一步恶化

(2)线性预测法

线性预测法是利用采样点相位的线性模型来提取信号频率的方法。其基本思想是对于含噪的辐射信号模型x(n)，可定义预测误差函数e(n)为

其中ω₀为估计频率。若代价函数最小，即可得频率函数的估计值但是，利用信号采样点线性预测模型估计频率的缺点是即使在信噪比较高时，性能也不能达到克拉美罗界，即检测准确性不高。

(3)最大熵谱估计法

最大熵谱估计法是对观测区间以外的点的自相关函数按最大熵进行外推。其基本思想是：已知p+1个相关函数r(m)(m＝0,1,…,p)，希望利用这p+1个值对m＞p时的自相关函数进行外推，其外推准则是外推后所对应的时间序列应具有最大的熵，因此要使熵率最大，即使得熵谱最大。该方法对于较短数据的信号序列，结果可以获取较高分辨率，但是较长数据会导致最大熵模型的计算量巨大，甚至无法得到结果。

(4)时频分析方法