黃威，賁放，李軍峰，殷長春，胥值禮，劉俊杰

(1.自然資源部 地球物理電磁法探測技術(shù)重點實驗室，河北 廊坊 065000； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000； 3.國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065000； 4.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026)

0 引言

時間域航空電磁法是航空物探測量的常用方法之一[1-2]，已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘查、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域。該方法是通過飛機(jī)平臺搭載電磁勘探設(shè)備對地下目標(biāo)體進(jìn)行探測，分為時間域和頻率域兩大類，可以快速高效地對復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行大面積勘探，特別適合湖泊沼澤、沙漠、高山、森林覆蓋等地形復(fù)雜地區(qū)。該方法通過電磁感應(yīng)原理，利用發(fā)射源向地下發(fā)射脈沖磁場，經(jīng)過地下介質(zhì)激發(fā)產(chǎn)生渦流場，接收線圈接收來自地下返回的二次場信號的同時，接收從空氣中直接傳回的一次場信號[3-8]。理想情況下，直接從接收線圈中去除一次場信號即可得到反映地下介質(zhì)信息的二次場響應(yīng)，但實際工作中，還需考慮飛機(jī)及儀器對信號的影響[9-11]。我們將一次場信號和飛機(jī)及儀器本身感應(yīng)出的信號及飛機(jī)金屬表皮輕微顫動引起的附加噪聲信號總和稱為背景場。由于航空電磁測量收發(fā)距較小，導(dǎo)致背景場信號幅值遠(yuǎn)高于二次場信號，且背景場信號中不含有地下介質(zhì)信息，所以必須對接收線圈內(nèi)的背景場信號進(jìn)行去除，從而得到包含地下介質(zhì)信息的二次場響應(yīng)。

背景場由于包含移動情況下飛機(jī)和儀器的噪聲，達(dá)到精準(zhǔn)去除難度較高[12]。Smith[13]利用時間域航空電磁響應(yīng)的同向分量和垂向分量對一次場的去除進(jìn)行了研究，表明在電阻體介質(zhì)中假設(shè)同向分量只含有一次場信息，那么接收傳感器的位置可由同向分量確定，但導(dǎo)體介質(zhì)不適用于上述情況；如果接收傳感器位置測量準(zhǔn)確，則可以精準(zhǔn)地算出自由空間中一次場值，即可對其在總場中進(jìn)行去除從而得到二次場；但由于飛機(jī)測量中處于移動狀態(tài)，因此對傳感器測量的精準(zhǔn)度要求較高。為此本文提出一種高效、快速的線性插值方法來去除背景場對時間域航空電磁數(shù)據(jù)的影響。

為快速對海量時間域航空電磁實測數(shù)據(jù)進(jìn)行背景場去除，本文詳述如何利用線性插值技術(shù)獲得測線中每個采集數(shù)據(jù)的背景場信號，通過相關(guān)的計算對背景場進(jìn)行有效去除，并根據(jù)現(xiàn)有實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了去除背景場后的效果展示。

1 背景場去除原理

當(dāng)飛機(jī)在遠(yuǎn)離地面一定高度(>1 000 m)進(jìn)行飛行測量時，接收線圈得到的信號為一次場信號和飛機(jī)及儀器的相關(guān)信號，此時地下渦流場極弱可將其忽略，認(rèn)為此時接收線圈的信號即為背景場。

1.1 背景場數(shù)據(jù)采集

在時間域航空電磁野外實測數(shù)據(jù)采集前后，均需要進(jìn)行高空飛行來獲得背景場數(shù)據(jù)?？蓪⒁巴鉁y量分為前高空飛行、測線低空飛行、后高空飛行，前后高空飛行時間各不少于90 s。如圖1所示，飛機(jī)需飛行到一定高度進(jìn)行前高空飛行測量，測區(qū)飛行(圖中藍(lán)色實線)結(jié)束后，飛機(jī)仍需飛到一定高度進(jìn)行后高空飛行，從而分別得到前、后高空背景場數(shù)據(jù)(圖中紅色實線)，為數(shù)據(jù)預(yù)處理中背景場去除環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。

圖1 時間域航空電磁野外飛行示意Fig.1 The diagram of time-domain AEM actual flight

1.2 背景場線性插值

假設(shè)在時間域航空電磁測量過程中，飛機(jī)及儀器等產(chǎn)生的信號隨著時間是呈線性變化的，那么我們采用線性插值的方法來得到測線上每點各時間道的背景場值。

首先，計算前、后高空飛行的背景場數(shù)據(jù)每周期內(nèi)各時間道的疊加平均值。設(shè)N1、N2分別是前、后高空背景場數(shù)據(jù)的周期數(shù)，n為周期采樣點數(shù)，sum1(i)、sum2(i)分別為前、后高空背景場數(shù)據(jù)中第i個時間道值總和，B1(i)、B2(i)分別為前、后高空背景場數(shù)據(jù)中第i個時間道的平均值，則有

(1)

(i=1,2,…,n;m=1,2)

其次，計算飛行前、后高空時間參數(shù)。設(shè)前高空飛行的第一個時間道為時間起點，每個時間道之間的時間間隔為Δt，后高空數(shù)據(jù)的第一個時間道距起點的時間間隔為tp，則前、后高空疊加周期內(nèi)各時間道距時間起點的時刻t1(i)、t2(i)分別為：

t1(i)=(i-1)Δt， (i=1,2,…,n)

(2)

t2(i)=(i-1)Δt+tp。 (i=1,2,…,n)

(3)

然后，確定線性插值函數(shù)。根據(jù)前、后高空背景場數(shù)據(jù)疊加周期內(nèi)相同時間道的兩個點為基準(zhǔn)，建立插值函數(shù)。確定第i個時間道所在直線的斜率k(i)和截距b(i)，則有

(4)

(5)

從而得到相同時間道的插值函數(shù)，根據(jù)插值函數(shù)可以計算每條測線第i個時間道的背景場值y(i)。

最后，對時間域航空電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行背景場去除。R(i)和Rres(i)分別為第i個時間道背景場去除前后的響應(yīng)，則根據(jù)以上計算所得插值函數(shù)，可得到去除背景場的響應(yīng)為：

Rres(i)=R(i)-y(i), (i=1,2,…,n)。

(6)

具體原理如圖2所示，通過插值計算得到每條測線的背景場值。計算過程中要明確每條線開始測量的時間，已備計算使用。

圖2 背景場線性插值示意Fig.2 The diagram of background field linear interpolation

2 背景場去除示例分析

算例來自哈爾濱某地區(qū)進(jìn)行的飛行測量，抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行演示。數(shù)據(jù)采集采用自主研發(fā)的固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)(iFTEM)，基頻為25 Hz，數(shù)據(jù)采樣率為100 kHz，發(fā)射波形采用半正弦波，供電時間為4 ms。

時間域航空電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理流程較復(fù)雜，涉及多種方法對不同噪聲進(jìn)行去除，處理數(shù)據(jù)過程中方法的循序性可能對數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響，如果背景場去除置于較后的步驟，則需要提前對背景場進(jìn)行疊加處理、抽道處理等步驟。直接飛行測量得到的背景場數(shù)據(jù)被天電噪聲、運動噪聲等噪聲影響，在對測線進(jìn)行背景場去除前，需要考慮將以上噪聲先進(jìn)行去除。本文使用的實測數(shù)據(jù)已進(jìn)行了天電噪聲去除和運動噪聲去除處理。

通過對前、后高空飛行所有周期信號按照采樣時間道進(jìn)行疊加后平均，得到疊加周期內(nèi)各時間道的背景場值，利用線性插值方法得到測線各時間道的背景場值。通過得到的各時間道背景場值，最后利用實測數(shù)據(jù)(real data)減去各時間道的背景場值，得到含有地下介質(zhì)信息的二次場信號。

圖3給出了實測數(shù)據(jù)背景場去除前后的對比情況。從圖中可以清晰地看出背景場場值對實測數(shù)據(jù)影響非常大，如不進(jìn)行正確的去除，二次場信息會淹沒在背景場信號中，同時由于背景場不含有地下介質(zhì)信息，因此也必須予以去除。

圖3 背景場去除前后效果比較Fig.3 The comparison of effect before and after background field removal

圖4給出了實測數(shù)據(jù)和背景場在剖面情況下的數(shù)據(jù)對比。從圖中不能明確看出地下介質(zhì)分布的大體情況，通過去除背景場，可以對測線下介質(zhì)電阻率高低進(jìn)行一個簡單的判斷(文中數(shù)據(jù)為有代表性的階段性數(shù)據(jù)，非數(shù)據(jù)預(yù)處理后的完整數(shù)據(jù))。

圖5給出了去除背景場后的二次場剖面數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以較為清晰的判斷異常出現(xiàn)的大體位置(377350～377550，379000～3794000)，處理結(jié)果再一次說明去除背景場的必要性。正確的去除背景場可以為后期數(shù)據(jù)處理奠定了較好的基礎(chǔ)。

圖4 實測數(shù)據(jù)與背景場數(shù)據(jù)不同時間道剖面對比Fig.4 The profile comparison diagram of real data and background field data

圖5 二次場數(shù)據(jù)剖面Fig.5 The profile diagram of secondary field

3 結(jié)論

本文利用線性插值方法對時間域航空電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行背景場去除，首先將前、后高空背景場數(shù)據(jù)周期內(nèi)每個時間道進(jìn)行累加，求得疊加周期內(nèi)每個時間道的均值，將前、后高空疊加周期內(nèi)同一時間道作為插值的首尾端，通過測線數(shù)據(jù)采集時間與前、后高空背景場數(shù)據(jù)的時間間隔作為已知參數(shù)，來計算每條測線對應(yīng)數(shù)據(jù)的背景場值，然后對相應(yīng)時間道的背景場進(jìn)行有效去除。從實測數(shù)據(jù)去除效果可以看出，該方法可以較好地應(yīng)用于實測數(shù)據(jù)處理中，經(jīng)過背景場去除的二次場數(shù)據(jù)可以較好顯示出地下異常出現(xiàn)的位置。該方法的提出，為數(shù)據(jù)預(yù)處理增加了可靠的處理方法，更為數(shù)據(jù)解釋提供了良好的基礎(chǔ)。

致謝：感謝審稿人和編輯對本文提出的意見。感謝吉林大學(xué)航空電磁研究團(tuán)隊提供的幫助。