CN103630941B - 长线源伪随机编码发射和阵列式接收瞬变电磁系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长线源伪随机编码发射和阵列式接收瞬变电磁系统及方法，该系统包括发射机、与发射机连接的两个接地电极A和B以及分布在整个工区中的多条测线。所述方法包括：采用伪随机编码信号作为激励场波形；将整个工区沿着测线连续分区，每个分区选择一个最佳伪随机编码信号的时钟频率；在所有观测点上阵列式同步观测大地同向电场，得到所有观测点的相干性数据；基于相干性数据和同步记录的激励场波形得到大地脉冲响应；基于大地脉冲响应得到整个工区的电阻率填图。本发明对工区进行非均匀分区，不同分区采用不同的伪随机编码时钟频率，使得所有观测点都有良好的信噪比和分辨率。本发明能够快速高效准确的进行大规模深部勘探和油气资源勘探。

Description

长线源伪随机编码发射和阵列式接收瞬变电磁系统及方法

技术领域

本发明涉及长线源瞬变电磁探测技术、阵列式接收瞬变电磁法技术领域，特别涉及一种长线源伪随机编码发射和阵列式接收瞬变电磁系统及方法。

背景技术

改革开放以来，随着国家政策的良好导向和科学技术的发展促进，我国经济得到全面快速的发展。与此同时，能源消耗更是和经济增长成比例的增加。我国作为全球最大的发展中国家，亟待解决对经济发展掣肘的能源问题。然而国际大环境给我国的能源问题的解决带来极大挑战。数次的中东战争使得国际油价被美国掌控，给我国的油气进口增加了高昂的成本；阿富汗、伊拉克和伊朗等国作为我国的主要油气进口国，要么被美国武力控制要么遭到美国的经济制裁和封锁，减少了我国能源进口的渠道。另一方面，西方等资源勘探强国盯住了我国亟需解决能源问题的迫切性，西方各国地球物理勘探公司纷纷不约而同的提高地球物理勘探设备和勘探服务的价格，提高价格达到几倍到几十倍不等，少数先进勘探技术更是对我国实行禁运封锁。

基于上述情况，在我国十二五战略规划重视下，以“地壳探测”项目为代表的资源探测项目陆续深入开展。其中，油气勘探可谓是重中之重，是关系到我国国民经济的战略问题。地震方法是有效勘探油气资源的传统方法，但对于地表及地质条件复杂的区域，却无能为力。而我国西北部等油气储量丰富的地区，多数是地质条件复杂且人迹罕至的区域，对于这些区域，电性源瞬变电磁法特别是长线源瞬变电磁法能从不同于地震方法的角度反应油气层的物理特性。目前电性源瞬变电磁法已经成为俄罗斯等国家油气勘探的主要手段。

长偏移距瞬变电磁测深法(LOTEM)是电性源瞬变电磁法的典型代表，LOTEM在设计之初就是为了油气勘探和深部地壳研究，由于采用大偏移距，导致信号较弱，信号的信噪比不够高。英国爱丁堡大学的MTEM方法在LOTEM方法的基础上，对接收方式和发射信号做了改进，可有效的进行油气勘查。然而MTEM方法在工作中，一次发射只有一条测线接收信号，在进行大规模油气探勘时，效率不够高。同时，由于受到测线几乎均匀分段的限制，MTEM方法不能兼顾众多观测点的信噪比和分辨率；另一方面，把电性源作为电偶极子近似处理，又对方法的有效性增加了限制。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的不足，提出一种长线源伪随机编码发射和阵列式接收瞬变电磁系统及方法。本发明对工区进行偏移距非均匀分区，不同分区采用不同的伪随机编码时钟频率，同时工区多条测线的所有观测点都有较好的信噪比和分辨率。本发明能够快速高效准确的进行大规模深部勘探和油气资源勘探。

本发明同步记录伪随机编码发射信号和同向电场分量电压，对二者进行反卷积处理得到大地脉冲响应值。采用长伪随机编码信号并周期重复发射，信噪比提高40dB以上；同时扩宽频带，加大了探测深度。对工区进行偏移距非均匀分区，不同分区采用不同的伪随机编码时钟频率，保证了所有观测点的信号都有较好的信噪比和分辨率，更有效的提高了工作效率，能实现整个工区的快速电阻率填图。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明的一方面，提出一种长线源伪随机编码发射-阵列式接收瞬变电磁系统，该系统包括发射模块和接收模块，其中，

所述发射模块包括发射机和与所述发射机连接的两个接地电极A和B；

所述发射机用于产生伪随机编码电流信号，并通过所述两个接地电极A、B将所述伪随机编码电流注入大地；

所述接收模块包括分布在整个工区中的多条测线，其中每条测线上设有若干个接收机，每个接收机作为一个观测点，用于通过与其连接的两个接地电极C、D来观测大地的AB向电场。

根据本发明的另一方面，提出一种长线源伪随机编码发射-阵列式接收瞬变电磁方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，周期性重复发射伪随机编码电流信号，并同步记录激励场电流波形和工区中所有观测点的接收数据；

步骤2，根据观测点的最低可分辨电平，选择一个兼顾信号的信噪比和分辨率的最佳的伪随机编码电流信号的时钟频率，具有同一时钟频率的区域作为一个分区；

步骤3，对于每个分区内的所有观测点，阵列式同步观测平行于测线方向的感应电场，得到所有观测点上与发射的所述伪随机编码电流信号具有相干性的观测数据；

步骤4，采用反卷积信号处理方法对相干性观测数据和同步记录的激励场电流波形进行数据预处理，得到具有地电信息的大地脉冲响应；

步骤5，使用所述大地脉冲响应来进行反演，得到大地的地电信息，从而得到整个工区的电阻率填图。

本发明的有益效果是：1.采用长线源伪随机编码发射，有效的提高了观测数据的信噪比，使得本发明方法在深部勘探和油气勘探方面的能力进一步提高；2.扩宽了发射信号的频带，加大勘探深度；3.整个工区的非均匀分区并采用不同的伪随机编码时钟频率，兼顾所有测线上所有观测点的信噪比和分辨率；4.阵列式同步观测，使得工区所有测点能同步进行观测，大大的提高了施工效率，节约了时间和成本。

附图说明

图1是本发明长线源伪随机编码发射-阵列式接收瞬变电磁系统布置图；

图2是本发明长线源伪随机编码发射-阵列式接收瞬变电磁方法流程图；

图3是根据本发明一实施例的伪随机编码电流信号示意图；

图4是根据本发明一实施例的伪随机编码信号频谱示意图；

图5是根据本发明一实施例的伪随机编码信号自相关函数示意图；

图6是根据本发明一实施例得到的大地脉冲响应示意图；

图7是根据本发明一实施例的阵列式接收工区非均匀分区及对应时钟频率布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明中的阵列式，与以往在其它电磁法、地震法和雷达天线等出现的阵列式方法有本质的区别。以往的阵列式方法只是一些在空间有一定规则分布的点阵，各个数据点或者观测点相互独立的进行数据采集；而本发明中的阵列式是相干性阵列式接收，数据在阵列内的各观测点具有相干性，可以在同一时间完成工区所有观测点的同向电场和激励场电流波形的数据采集。相邻观测点的数据在频率域都有相干性，这给数据处理带来很大益处，可显著提高信号质量，这是本发明采用的阵列式接收系统的数据处理方法的特点。

图1是本发明长线源伪随机编码发射-阵列式接收瞬变电磁系统布置图，如图1所示，该系统包括：发射模块和接收模块，其中，

所述发射模块包括发射机和与所述发射机连接的两个接地电极A和B；

所述发射机用于产生伪随机编码电流信号，并通过所述两个接地电极A、B将所述伪随机编码电流注入大地；

所述接收模块包括分布在整个工区中的多条(比如九条)测线，其中每条测线上设有若干个接收机，每个接收机作为一个观测点，用于通过与其连接的两个接地电极C、D来观测大地的AB向电场；

其中，相邻的接收机共用一个接地电极。另外，根据整个工区的实际地质条件，多条测线是大致平行且等间距分布的，并且以两个接地电极A、B形成的发射线为对称轴。

图2是本发明长线源伪随机编码发射-阵列式接收瞬变电磁方法流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤1，周期性重复发射伪随机编码电流信号，并同步记录激励场电流波形和工区中所有观测点的接收数据，时变的伪随机编码电流信号通过接地良好的电极注入大地，从而激励大地产生电磁感应；

所述伪随机编码电流信号的示意图如图3所示，其频谱示意图如图4所示，图4中，所述伪随机编码电流信号的时钟频率为100Hz。

步骤2，根据观测点的最低可分辨电平，选择一个兼顾信号的信噪比和分辨率的最佳的伪随机编码电流信号的时钟频率，具有同一时钟频率的区域作为一个分区，其中，该时钟频率与发射机与观测点之间的距离，即偏移距的二次方成反比；

由于不同分区采用不同的最佳时钟频率，从而能够进一步提高观测数据的信号质量和分辨率。

另外，根据伪随机编码的特性，在时钟频率固定时，增加码长，数据处理后的信噪比会增大，因此可根据实际需要选择伪随机编码的码长以增大信噪比，具体地，可通过调节编码的阶数来选择码长：若伪随机编码的阶数为N，则对应的码长为2^N-1，比如若伪随机编码阶数的调节范围是8阶到18阶，则对应的码长为256到262144。同时，在周期性重复发射伪随机编码电流信号时，还可根据实际需要选择其结尾的码元游程，所述码元游程的调节范围为1到N。

步骤3，对于每个分区内的所有观测点，阵列式同步观测平行于测线方向的感应电场，得到所有观测点上与发射的所述伪随机编码电流信号具有相干性的观测数据；

所述伪随机编码电流信号的自相关函数示意图如图5所示，其中，所述伪随机编码电流信号的码长为512。

步骤4，采用反卷积等信号处理方法对相干性观测数据和同步记录的激励场电流波形进行数据预处理，得到具有地电信息的大地脉冲响应，所述大地脉冲响应如图6所示，图中，t_p表示峰值时刻，4t_p、15t_p和30t_p分别是不同的观测结束时刻；

该步骤中，将同步记录的激励场电流(即发射的所述伪随机编码电流)信号记为i(t)，将一定偏移距处的观测电压信号记为V(t)，则通过对i(t)和V(t)数据的进行反卷积就可以获得具有地电信息的大地脉冲响应g(t)：

V(t)＝i(t)*g(t)+n(t) (1)

其中：i(t)为发射电流信号，g(t)为大地脉冲响应，V(t)是观测电压信号，n(t)为没有相关性的噪声；星号“*”表示卷积操作。

上述反卷积的步骤可描述为：

1)将(1)式转换到频域：

V＝I·G+n (2)

其中，V、I、G和n分别为V(t)、I(t)、G(t)和n(t)对应的频域信号；

2)对上式两边同时乘以所述激励场电流波形的复共轭，得到：

I*V＝I*I·G+I*n (3)

3)理论上，将I*I转换到时域上得到的是类冲激信号δ(t)，但由于接收数据的长度有限及噪声的干扰，所述类冲激信号的长度不是无限窄，而是和发射电流信号的记录长度一致，因此将类冲激信号记为 将(3)式转换到时间域，得到：

$F^{-1}(I*V)=\widetilde{\mathrm{\δ}\left(t\right)}*g\left(t\right)\text{+}{n}_1\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，F^-1(I*V)表示对于I*V进行反傅氏变换；

然后去除上式中的不相关噪声n₁(t)(I*n对应的时域噪声)，则得到的即是包含地电信息的大地脉冲响应，也就是是本发明要恢复的目标，其中，表明：时间越短，恢复得到的大地脉冲响应越接近真实值，而这是由伪随机编码的时钟频率决定的，同时也是工区分区选择伪随机编码时钟频率的下限的依据，这使得在选择伪随机编码时钟频率时，为了提高观测数据的信号质量，会降低时钟频率，但为了使大地脉冲响应接近真实值，又需要为时钟频率设置一个选择下限。

步骤5，使用所述大地脉冲响应来进行反演，得到大地的地电信息，从而得到整个工区的电阻率填图。

图7是根据本发明一实施例的阵列式接收工区非均匀分区及对应时钟频率布置示意图，在该实施例中，设置伪随机编码信号最大发射电流为70A；伪随机编码码长为4096；结尾码元游程为8；发射电极距为500m；接收电极距为200m；观测点间距为200m；预期探测深度d为2km；最大偏移距r_max为8km；最小偏移距r_min为3km；接收机最小分辨电平为0.2μV；接收阵列具有9条测线，与发射线呈对称分布，测线间距为500m；测线5与发射线同在x轴上，测线1在距离x轴2km处，测线9在另一侧距离x轴2km处；测线1-4和测线9-6的参数设置相同；测线1-4的非均匀分区如表1所示，整个工区的非均匀分区如图7所示；由于测线4和测线5在偏移距8km处的测点的接收信号低于接收机最小分辨电平，因此去除这两个测点。

表1工区分区和相应的时钟频率fs，其中，V_min是各分区接收信号最小值，分区的单位为km

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种长线源伪随机编码发射-阵列式接收瞬变电磁方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，周期性重复发射伪随机编码电流信号，并同步记录激励场电流波形和工区中所有观测点的接收数据；

步骤2，根据观测点的最低可分辨电平，选择一个兼顾信号的信噪比和分辨率的最佳的伪随机编码电流信号的时钟频率，具有同一时钟频率的区域作为一个分区；

步骤3，对于每个分区内的所有观测点，阵列式同步观测平行于测线方向的感应电场，得到所有观测点上与发射的所述伪随机编码电流信号具有相干性的观测数据；

步骤4，采用反卷积信号处理方法对相干性观测数据和同步记录的激励场电流波形进行数据预处理，得到具有地电信息的大地脉冲响应；

步骤5，使用所述大地脉冲响应来进行反演，得到大地的地电信息，从而得到整个工区的电阻率填图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时钟频率与发射机与观测点之间的距离，即偏移距的二次方成反比。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了进一步提高观测数据的信噪比，可通过调节编码的阶数来选择伪随机编码的码长：若伪随机编码的阶数为N，则对应的码长为2^N-1。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述伪随机编码的码元游程可调，其调节范围为1到N。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括：

步骤1，将V(t)＝i(t)*g(t)+n(t)转换到频域，得到V＝I·G+n，其中，V(t)为一定偏移距处的观测电压信号，i(t)为同步记录的激励场电流信号，g(t)为具有地电信息的大地脉冲响应，n(t)为没有相关性的噪声，星号“*”表示卷积操作；

步骤2，对V＝I·G+n两边同时乘以所述激励场电流波形的复共轭，得到I^*V＝I^*I·G+I^*n；

步骤3，将I^*V＝I^*I·G+I^*n转换到时间域，得到 从而得到包含地电信息的大地脉冲响应其中，F^-1(I^*V)表示对于I^*V进行反傅氏变换，n₁(t)为I^*n对应的时域噪声。