[发明专利]一种时空阵列差分电磁勘探方法

摘要

本发明提供了一种时空阵列差分电磁勘探方法，包括以下步骤(1)在空间多个测点及远参考点处进行多时窗的同步阵列数据采集；(2)根据观测数据构建测点信号时空数据矩阵X、天然电磁场信号时空数据矩阵Xr，以及相关噪声场信号时空数据矩阵Y；(3)对Xr和Y分别进行矩阵分解求解天然电磁场源极化参数α和相关噪声场源极化参数β，再利用α、β以及X求解测点对应于天然场源的空间模数U和对应于相关噪声场源的空间模数V；(4)利用U和V求解各个测点的天然场张量阻抗与相关噪声场张量阻抗。本发明数据采集方式灵活，根据场源信号的特征实现信噪分离，一次处理获得所有测点的天然场张量阻抗与相关噪声场张量阻抗。

主权项

一种时空阵列差分电磁勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、观测设计：确定探测目标及勘探深度范围，在测区内设置J个同步观测测点，J≥2；同时设置J'个远参考点，J'≥1；根据勘探深度范围及测区大地背景电导率确定观测频率范围，并根据所需观测频率确定测点的同步观测时间长度及信号采样率；对于各个观测频率，根据时频转换计算单个频谱所需的时间域采样点数，确定时窗宽度，利用观测时长除以时窗宽度得到各频率对应的观测时窗个数；步骤2、装置布设：在每个测点处布设2道相互垂直的水平磁场测道、以及2道相互垂直的水平电场测道；各测点之间的两个观测方向均为水平x方向和水平y方向；需分析地下介质倾子矢量参数时，增加1道竖直磁场测道；在每个远参考点处布设2道相互垂直的水平磁场测道，条件允许时可增加布设2道相互垂直的水平电场测道；步骤3、数据采集：同步采集各个测点及远参考点处的电场及磁场分量数据，进行时频转换后，得到各观测频率对应的频域观测数据；对其中任一观测频率，设其对应的观测时窗个数为I，对应的观测数据包括测点观测数据、远参考点观测数据、测点间水平磁场差分数据三个部分的数据；第一部分、测点观测数据：包括测区内J个测点所有测道所记录的数据；设第j个测点的测道数为κj，所有测点的总测道数为根据测点观测数据构建测点信号时空数据矩阵X：X=X11X12..X1IX21X22..X2I........XK1XK2..XKI---(1)]]>其中，Xki为第k个测道第i个时窗的观测数据，k＝1,2,...,K，i＝1,2,...,I；第二部分、远参考点观测数据：包括J'个远参考点所有K'个测道所记录的数据；设第j个远参考点的测道数为κj'，总测道数为根据远参考点观测数据构建天然电磁场信号时空数据矩阵Xr：Xr=X11rX12r..X1IrX21rX22r..X2Ir........XK′1rXK′2r..XK′Ir---(2)]]>其中，为第k个远参考测道第i个时窗的观测数据，k＝1,2,...,K'，i＝1,2,...,I；第三部分、测点间水平磁场差分数据：以两测点间同一方向的水平磁场差值作为差分磁场测道；对J个测点，在每个方向上进行空间两两差分，共可获得差分磁场测道K＝J·(J‑1)个；根据各差分磁场测道所记录的数据，即测点间水平磁场差分数据构建相关噪声场信号时空数据矩阵Y：Y=Y11Y12..Y1IY21Y22..Y2I........YK‾1YK‾2..YK‾I.---(3)]]>其中，Yki为第k个差分磁场测道第i个时窗的观测数据，k＝1,2,...,K，i＝1,2,...,I；步骤4、数据处理，包括以下步骤：第一步，对天然电磁场信号时空数据矩阵Xr进行矩阵分解求解天然电磁场源极化参数α：设天然场源的个数为M，将Xr写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式：Xr＝Urα+εr,   (4)其中各参数展开式为：α=α11α12..α1Iα21α22..α2I........αM1αM2..αMI,Ur=U11rU12r..U1MrU21rU22r..U2Mr........UK′1rUK′2r..UK′Mr---(5)]]>其中，M×I阶矩阵α为天然场源极化参数，仅与天然场源个数及观测时窗有关，αmi为其元素，表示第m个天然场源第i个时窗的极化参数，m＝1,2,...,M；i＝1,2,...,I；K'×M阶矩阵Ur为Xr对应于天然场源极化参数α的空间模数，仅与天然场源个数及空间各测道有关，为其元素，表示第k个测道对应于第m个天然场源的空间模数，k＝1,2,...,K'；m＝1,2,...,M；εr为Xr中的不相关噪声；通过对Xr进行矩阵分解获得α的估计值；第二步，通过对相关噪声场信号时空数据矩阵Y进行矩阵分解求解相关噪声场源极化参数β：设相关噪声场源的个数为N，将Y写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式：Y＝Vcβ+εY,   (6)其中各参数展开式为：β=β11β12..β1Iβ21β22..β2I........βN1βN2..βNI,Vc=V11cV12c..V1NcV21cV22c..V2Nc........VK‾1cVK‾2c..VK‾Nc---(7)]]>其中，N×I阶矩阵β为相关噪声场源极化参数，仅与相关噪声场源个数及观测时窗有关，βni为其元素，表示第n个相关噪声场源第i个时窗的极化参数；K×N阶矩阵Vc为Y对应于相关噪声场源极化参数β的空间模数，仅与相关噪声场源个数及空间各测道有关，为其元素，表示第k个测道对应于第n个相关噪声场源的空间模数；k＝1,2,...,K；n＝1,2,...,N；i＝1,2,...,I；εY为Y中的不相关噪声；通过对Y进行矩阵分解获得β的估计值；第三步，利用已获取的α、β估计值以及测点信号时空数据矩阵X，求解测点对应于天然场源的空间模数U和对应于相关噪声场源的空间模数V：测点观测数据由天然场响应和相关噪声场响应两部分叠加组成，将X写为空间矩阵与时间矩阵的乘积形式，X=Uα+Vβ+ϵ=UVαβ+ϵ=Wγ+ϵ,---(8)]]>其中，W＝[U V]为总空间模数，γ＝[α β]*为总场源极化参数，ε为X中的不相关噪声；γ表示为：γ=αβ*=α11α12..α1Iα21α22..α2I........αM1αM2..αMIβ11β12..β1Iβ21β22..β2I........βN1βN2..βNI---(9)]]>由(8)式求得W以及U、V的估计值为：[U V]＝W   (11)上角标表示共轭转置矩阵，上角标‑1表示矩阵的逆；W的展开式为：W=UV=U11U12..U1MV11V12..V1NU21U22..U2MV21V22..V2N................UK1UK2..UKMVK1VK2..VKN.---(12)]]>U=U11U12..U1MU21U22..U2M........UK1UK2..UKM,V=V11V12..V1NV21V22..V2N........VK1VK2..VKN]]>其中，Ukm为U的元素，表示第k个测道对应于第m个天然场源的空间模数；Vkn为V的元素；k＝1,2,...,K；m＝1,2,...,M；n＝1,2,...,N；对第j个测点，设其各测道对应的标号分别为k+1,k+2,...,k+κj，j＝1,2,...,J，k＝κ1+...+κj‑1，则在空间模数矩阵U和V中，与第j个测点对应的空间模数U(j)、V(j)为：U(j)=U(k+1)1U(k+1)2..U(k+1)MU(k+2)1U(k+2)2..U(k+2)M........U(k+κj)1U(k+κj)2..U(k+κj)MV(j)=V(k+1)1V(k+1)2..V(k+1)NV(k+2)1V(k+2)2..V(k+2)N........V(k+κj)1V(k+κj)2..V(k+κj)N,---(13)]]>最后，利用求得的空间模数U和V计算各个测点的天然场阻抗张量与相关噪声场阻抗张量；对第j个测点，j＝1,2,...,J，记天然场阻抗张量为相关噪声场阻抗张量为则其中，分别为空间模数U(j)、V(j)中对应于水平磁场测道的部分，分别为空间模数U(j)、V(j)中对应于水平电场测道及竖直磁场测道的部分；具体的，对于(1)式所示的测点信号时空数据矩阵，U(j)H=U(k+1)1U(k+1)2..U(k+1)MU(k+2)1U(k+2)2..U(k+2)M,V(j)H=V(k+1)1V(k+1)2..V(k+1)NV(k+2)1V(k+2)2..V(k+2)N,---(16)]]>U(j)E=U(k+3)1U(k+3)2..U(k+3)MU(k+4)1U(k+4)2..U(k+4)M........U(k+κj)1U(k+κj)2..U(k+κj)M,V(j)E=V(k+3)1V(k+3)2..V(k+3)NV(k+4)1V(k+4)2..V(k+4)N........V(k+κj)1V(k+κj)2..V(k+κj)N.---(17)]]>