張建國(guó) 武 欣 齊有政② 黃 玲 方廣有

①(中國(guó)科學(xué)院電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求量急劇加大，油氣資源勘探的攻關(guān)研究已經(jīng)迫在眉睫。油田鉆井代價(jià)高昂且只能確定鉆井附近的地質(zhì)參數(shù)，不適合大規(guī)模普查油氣資源[1,2]；對(duì)于地表及地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，電磁勘探方法能從不同于地震方法的角度反映油氣層的物理特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣藏的有效勘探。然而，由于空氣波等外界干擾，如何提高信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)已然成為電磁勘探方法的首要問題[3,4]。

長(zhǎng)偏移距瞬變電磁測(cè)深法[5](Long Offset Transient ElectroMagnetics,LOTEM)是一種典型的油氣資源電磁勘探方法，它以電偶源瞬變測(cè)深理論為基礎(chǔ)，對(duì)地下深部油氣層有較強(qiáng)的勘探能力。為了實(shí)現(xiàn)大勘探深度，LOTEM采用長(zhǎng)達(dá)幾百甚至幾千米的發(fā)射線將大功率激勵(lì)信號(hào)注入大地，并在遠(yuǎn)區(qū)(早期)觀測(cè)含有地電信息的大地電磁響應(yīng)，通過加大發(fā)射能量來提高 SNR。由于儀器設(shè)備以及地質(zhì)條件限制，加大發(fā)射能量來提高SNR有較大的局限性。

文獻(xiàn)[6]基于LOTEM方法，提出了MTEM(Multi-Transient ElectroMagnetics)方法，在實(shí)驗(yàn)后期為了提高SNR，將激勵(lì)信號(hào)由雙極性方波換成偽隨機(jī)編碼(Pseudo-Random Binary Sequences,PRBS)信號(hào)。由于 PRBS具有良好的相關(guān)性，能夠提升SNR。MTEM方法能分辨出大深度下的油氣層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。然而，MTEM方法只是在實(shí)驗(yàn)后期對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行了一次嘗試，對(duì)于編碼信號(hào)的諸多參數(shù)選擇和實(shí)驗(yàn)分析等關(guān)鍵性問題，都未進(jìn)行理論闡述和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為了抑制空氣波干擾，本文提出時(shí)間域編碼電磁勘探方法，采用偽隨機(jī)編碼作為激勵(lì)信號(hào)，基于同步記錄的編碼信號(hào)和接收電壓信號(hào)，通過時(shí)間域反卷積信號(hào)復(fù)原方法(Time-domain Deconvolution Signal Recovery,TDSR)，獲得含有地下異常體信息的大地沖激響應(yīng)，同時(shí)分析了時(shí)鐘頻率與碼元長(zhǎng)度的選擇依據(jù)，并進(jìn)行了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。PRBS編碼信號(hào)擴(kuò)展了發(fā)射信號(hào)的頻帶寬度，提高了接收數(shù)據(jù)的SNR。TDSR方法能抑制空氣波干擾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下異常體的有效勘探。

2 編碼電磁勘探原理

2.1 層狀大地模型的沖激響應(yīng)

對(duì)于電磁勘探方法，如果地下異常體為導(dǎo)電性介質(zhì)，如金屬礦產(chǎn)，采用水平磁性源發(fā)射(水平閉合線圈作為發(fā)射源)最有利于電磁勘探；如果期望探測(cè)的地下異常體呈現(xiàn)高阻特性，如油氣層，則最佳的激勵(lì)源為水平電性源(兩端接地的饋電導(dǎo)線)。針對(duì)地下高阻油氣層勘探，本文采用水平電性源作為發(fā)射源。電磁勘探方法常用的水平層狀大地模型如圖1所示，地下各層介質(zhì)的電阻率和厚度分別記為ρn和hn。由于在一般情況下發(fā)射源長(zhǎng)度小于偏移距(發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離)的1/4，因此可把發(fā)射源當(dāng)作水平電偶極子處理，如圖1中A,B所示。在距發(fā)射源一定距離(圖1中r)處，采用水平長(zhǎng)導(dǎo)線(圖1中M,N)接收來自地下的水平感應(yīng)電場(chǎng)電壓。

圖1 層狀大地模型Fig.1 Layered earth model

把圖1所示的大地模型看作一個(gè)大地系統(tǒng)，任意激勵(lì)信號(hào)的系統(tǒng)響應(yīng)均可分解為沖激響應(yīng)之和。在忽略位移電流前提下，采用諧變電流作為激勵(lì)信號(hào)，則大地沖激響應(yīng)(對(duì)應(yīng)于水平同線電場(chǎng)分量)的頻率域表達(dá)式為[7]：

J0,J1分別為 0階和 1階 Bessel函數(shù)，P=I? L為偶極矩，I=I0?ex p(?i ω?t)為諧變電流，L為發(fā)射源長(zhǎng)度，μ為真空磁導(dǎo)率，λ為空間頻率，r為偏移距，ω為角頻率，為第n層的波數(shù)，角度Φ為發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的連線與x軸的夾角，N為大地模型的總層數(shù)。

對(duì)式(1)進(jìn)行傅里葉逆變換，得到大地沖激響應(yīng)的時(shí)間域形式g(t)，其波形隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。圖中t0是空氣波到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)刻，也是數(shù)據(jù)的時(shí)間零點(diǎn)?？諝獠ㄊ侨臻g條件下發(fā)射源激勵(lì)的電磁場(chǎng)在接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)，它不帶有任何地下信息。在發(fā)射瞬間出現(xiàn)，并在偏移距較大時(shí)掩蓋來自地下的有用電磁響應(yīng)。大地沖激響應(yīng)是發(fā)射源激勵(lì)的電磁場(chǎng)[8]，經(jīng)大地系統(tǒng)作用后產(chǎn)生的電磁響應(yīng)帶有地下異常體信息，且響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其峰值時(shí)刻為。為了識(shí)別出地下異常體，必須將空氣波從大地沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)中分離，即tp和t0之間的時(shí)間間隔必須足夠大以滿足數(shù)據(jù)解釋的要求，下文將給出定量分析。

2.2 PRBS編碼信號(hào)特性

圖2 時(shí)間域大地沖激響應(yīng)波形Fig.2 The impulse response waveform of the earth in time-domain

傳統(tǒng)電磁勘探方法一般采用雙極性方波作為激勵(lì)信號(hào)，比如CSAMT (Controlled Source Audio Magneto Telluric)和CSEM (Controlled Source Electro Magnetic)，雙極性方波的特點(diǎn)為：頻譜只含有基頻和奇次諧波，且N次諧波的振幅是基頻振幅的 1/N。此特點(diǎn)表明雙極性方波的功率主要分布于3次諧波內(nèi)的3個(gè)頻點(diǎn)，其信號(hào)頻帶較窄，因此，雙極性方波不是寬頻帶信號(hào)。

為了提高電磁勘探的分辨率，采用 m 序列PRBS編碼作為發(fā)射信號(hào)來擴(kuò)展信號(hào)頻帶寬度，進(jìn)而提高信號(hào)分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量[9,10]。PRBS編碼信號(hào)的特點(diǎn)：(1)寬頻帶：信號(hào)能量在fsNP(fs為發(fā)射信號(hào)的時(shí)鐘頻率、NP為PRBS編碼的碼長(zhǎng))至頻帶內(nèi)呈現(xiàn)出近似的均勻分布(如圖3(a))，采用PRBS編碼信號(hào)作為激勵(lì)源相當(dāng)于頻率域電磁法采用多個(gè)頻點(diǎn)同時(shí)發(fā)射，可將更多信號(hào)能量注入地下；(2)良好的相關(guān)性：PRBS編碼信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)(如圖3(b))呈近似的沖激函數(shù)特性，這表明PRBS編碼信號(hào)具有良好的自相關(guān)特性。根據(jù)離散型的維納-霍夫(Wiener-Hopf)方程：

我們知道，如果輸入信號(hào)x(n)的自相關(guān)函數(shù)(式(2)中φ)是沖激函數(shù)形式，那么輸入信號(hào)x(n)和輸出信號(hào)y(n)的互相關(guān)函數(shù)是系統(tǒng)沖激響應(yīng)g?(p)的最小均方估計(jì)，即在本文方法中，如采用PRBS編碼信號(hào)作為激勵(lì)源，則大地脈沖響應(yīng)g(t)可以獲得最佳近似值；因此，基于PRBS編碼信號(hào)的良好相關(guān)性，采用PRBS編碼信號(hào)作為電磁勘探的激勵(lì)信號(hào)，同步記錄PRBS編碼信號(hào)和接收處的大地電磁響應(yīng)，可獲得精確的大地脈沖響應(yīng)。

2.3 TDSR方法

把時(shí)變的PRBS編碼電流信號(hào)注入大地，激勵(lì)大地產(chǎn)生電磁感應(yīng)，同步記錄發(fā)射電流信號(hào)i(t)和一定偏移距處的觀測(cè)電壓信號(hào)V(t)，通過i(t)和V(t)的反卷積處理，可以獲得帶有地下異常體信息的大地沖激響應(yīng)g(t)。圖 4為大地系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)示意圖，接收處的觀測(cè)電壓V(t)可表示為：

式中：i(t)為PRBS編碼發(fā)射電流，g(t)為大地沖激響應(yīng)，n(t)代表沒有相關(guān)性的噪聲，*表示卷積。

對(duì)于式(3)所示的反問題，通過反卷積方法進(jìn)行求解，其主要處理步驟為：

(a) 利用傅里葉變換，將式(3)轉(zhuǎn)換到頻率域，略去頻率域標(biāo)記，得到：

其中： I ,G ,V 和n分別是i(t),g(t),V(t)和n(t)對(duì)應(yīng)的頻率域信號(hào)。

(b) 由于在接收大地響應(yīng)時(shí)，也同步記錄了發(fā)射的PRBS編碼信號(hào)；因此，可對(duì)式(4)兩邊同時(shí)乘以PRBS編碼信號(hào)的復(fù)共軛?I：

圖3 PRBS編碼信號(hào)特點(diǎn)Fig.3 The characteristics of the PRBS signal

圖4 大地系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the impulse response of the earth system

(c) 通過傅里葉變換將I??I轉(zhuǎn)換到時(shí)間域，在理論上可得到“類沖激信號(hào)”δ(t)；但由于接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度有限及噪聲的干擾，類沖激信號(hào)的長(zhǎng)度不是無限窄，其長(zhǎng)度由發(fā)射信號(hào)決定。因此，將I??I傅里葉逆變換后的表達(dá)式記為=F?1(I??I)，則通過傅里葉逆變換得到式(5)的時(shí)間域表達(dá)式為：

去除不相關(guān)噪聲 n1(t)(I??n 對(duì)應(yīng)的時(shí)間域噪聲)，? g(t)≈g(t)即是含有地下異常體信息的大地沖激響應(yīng)，即TDSR方法的目標(biāo)。由式(6)可知，TDSR方法的核心思想是采用“類沖激信號(hào)”的近似值對(duì)大地沖激響應(yīng)進(jìn)行卷積；由于=F?1(I??I)，故的時(shí)間域長(zhǎng)度由PRBS編碼信號(hào)的時(shí)鐘頻率fs決定；fs越大，編碼信號(hào)I中的碼元間隔Δts越小，則δ～(t)的時(shí)間域波形越窄，TDSR方法獲得的大地沖激響應(yīng)越精確。

因此，對(duì)上述分析進(jìn)行總結(jié)：TDSR方法相當(dāng)于采用 PRBS編碼的碼元間隔Δts對(duì)大地沖激響應(yīng)進(jìn)行時(shí)間域采樣，以恢復(fù)大地沖激響應(yīng)的真實(shí)值；Δts越小(fs越大)，圖 2中(tp?t0)時(shí)間段內(nèi)的采樣點(diǎn)越多，則TDSR方法對(duì)空氣波的抑制能力越強(qiáng)，得到的結(jié)果越精確。

根據(jù)式(6)得到大地沖激響應(yīng)的方式即為本文的時(shí)間域編碼電磁勘探方法。

3 基于陣列式接收的編碼電磁勘探系統(tǒng)

圖5為基于陣列式接收的PRBS編碼電磁勘探系統(tǒng)布置圖。通過接地良好的發(fā)射電極，將PRBS編碼電流信號(hào)注入大地系統(tǒng)，在其激發(fā)下，地下介質(zhì)中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)(即2次場(chǎng))。在平行于發(fā)射源方向的測(cè)線上，通過多通道接收機(jī)記錄接收處的大地響應(yīng)電壓值，同時(shí)由于TDSR方法的需要，同步記錄PRBS編碼電流信號(hào)。根據(jù)獲得的大地響應(yīng)數(shù)據(jù)和PRBS編碼信號(hào)，通過2.3節(jié)所示的反卷積復(fù)原方法，即可獲得大地沖激響應(yīng)?；诖蟮貨_激響應(yīng)，通過后續(xù)的數(shù)據(jù)解釋和反演計(jì)算，可獲得地下異常體的地電特性。

圖5 基于陣列式接收的PRBS編碼電磁勘探系統(tǒng)布置圖Fig.5 The layout of the PRBS coded electromagnetic exploration system based on the array receivers

編碼電磁勘探系統(tǒng)的發(fā)射部分采用大功率激電儀，最大發(fā)射電壓達(dá)1000 V，最大工作電流為40 A。PRBS編碼的時(shí)鐘頻率在0.022～8192 Hz范圍內(nèi)可選，編碼長(zhǎng)度可根據(jù)編碼的階數(shù)n(最大階數(shù)為 15)進(jìn)行調(diào)節(jié)，碼長(zhǎng)計(jì)算公式為2n?1，時(shí)間基準(zhǔn)由GPS模塊提供。

接收部分采用陣列式接收方式，如圖5所示，接收陣列由多條測(cè)線組成(圖中為 9條測(cè)線)，每條測(cè)線均平行于發(fā)射源方向，并等間隔分布；每條測(cè)線上有一定數(shù)量的測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一個(gè)多通道接收站采集大地響應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。接收站為一個(gè)24位的多通道接收機(jī)，其動(dòng)態(tài)范圍為212 dB，最小接收電平為 ±0 .03 μ V，最大輸入電壓為 ±32 V。

控制部分主要負(fù)責(zé)發(fā)射部分的參數(shù)選擇，如PRBS編碼的時(shí)鐘頻率、編碼階數(shù)以及編碼的周期重復(fù)次數(shù)?？刂撇糠謱?shí)現(xiàn)了發(fā)射信號(hào)和接收數(shù)據(jù)的時(shí)間同步，保證大地脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)解釋的正確性。

4 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法

4.1 PRBS編碼時(shí)鐘頻率選取

如2.3節(jié)的分析，TDSR方法相當(dāng)于采用PRBS編碼的碼元間隔Δts對(duì)大地沖激響應(yīng)進(jìn)行時(shí)間域采樣，以恢復(fù)大地沖激響應(yīng)的真實(shí)值；Δts越小(fs越大)，圖 2中(tp?t0)時(shí)間段內(nèi)的采樣點(diǎn)越多，越有助于該方法去除空氣波，進(jìn)而恢復(fù)大地沖激響應(yīng)的真實(shí)值；經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，只要碼元間隔Δts達(dá)到大地沖激響應(yīng)峰值時(shí)刻與空氣波到達(dá)時(shí)刻兩者差值的1/10，

則得到的大地沖激響應(yīng)即可滿足數(shù)據(jù)解釋的需要，式(7)確定了PRBS編碼的時(shí)鐘頻率fs的下限值。從去除空氣波的角度考慮，fs越大越有利于結(jié)果的準(zhǔn)確性；但是，根據(jù)大地濾波效應(yīng)，隨著fs增大，接收處的接收電壓(式(1))會(huì)相應(yīng)降低，為了獲得接收處的大地沖激響應(yīng)，接收電壓必須大于多通道接收機(jī)的最小分辨電平，這成為PRBS編碼時(shí)鐘頻率fs的上限值。fs的下限值和上限值是時(shí)鐘頻率選擇的依據(jù)。

由式(1)所示的大地沖激響應(yīng)表達(dá)式可知，大地感應(yīng)的2次場(chǎng)信號(hào)與偏移距的5次方成反比，如果發(fā)射源只采用一個(gè)固定的時(shí)鐘頻率fs進(jìn)行PRBS編碼發(fā)射，那么各個(gè)測(cè)點(diǎn)的接收電壓值會(huì)有較大數(shù)量級(jí)的差別。以圖5中與發(fā)射線共線的測(cè)線5為例(中間位置與發(fā)射源同線的測(cè)線)，假定勘探深度為d，要分辨出深度d處目標(biāo)的頂部和底部，最大偏移距rmax=4d，最小偏移距 rmin=0.1?rmax=0.4d；那么最大偏移距和最小偏移距處的接收電壓比值Vmax/Vmin=10?5，二者相差5個(gè)數(shù)量級(jí)，不利于數(shù)據(jù)接收和實(shí)時(shí)處理。

因此，本文對(duì)偏移距進(jìn)行分段，每個(gè)偏移距段選擇一個(gè)時(shí)鐘頻率用于發(fā)射PRBS編碼信號(hào)。采用相同時(shí)鐘頻率的接收點(diǎn)屬于同一偏移距段，整個(gè)工區(qū)根據(jù)時(shí)鐘頻率劃分為多個(gè)子分區(qū)，兼顧了各接收點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量和分辨率。隨著子分區(qū)與發(fā)射源之間距離的增大，時(shí)鐘頻率會(huì)相應(yīng)降低，但每個(gè)子分區(qū)內(nèi)部的時(shí)鐘頻率保持不變。

4.2 PRBS編碼碼長(zhǎng)選取

由PRBS編碼信號(hào)的特性可知：在時(shí)鐘頻率fs固定時(shí)，其碼長(zhǎng)越大，發(fā)射信號(hào)向地下傳送的能量越多，反卷積數(shù)據(jù)處理后的SNR增益越高。確定了每個(gè)偏移距段的時(shí)鐘頻率后，選擇碼長(zhǎng)較大的PRBS編碼，有利于提高電磁勘探系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。當(dāng)時(shí)鐘頻率fs為定值時(shí)，接收電壓數(shù)據(jù)和記錄的發(fā)射電流信號(hào)進(jìn)行反卷積處理，在理論上SNR增益G1等于 PRBS編碼碼長(zhǎng)NP；但是，由于噪聲等因素干擾，實(shí)際操作中反卷積處理獲得的SNR增益G1：。

另外循環(huán)發(fā)射PRBS編碼，再對(duì)得到的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加也可以提高SNR。循環(huán)發(fā)射PRBS編碼NC次，再對(duì)反卷積后的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，帶來的SNR增益G2=。

通過增大編碼長(zhǎng)度和循環(huán)發(fā)射編碼兩個(gè)操作，可以顯著提高數(shù)據(jù)的SNR，總的SNR增益為兩個(gè)操作分別進(jìn)行時(shí)SNR提升倍數(shù)的乘積，即G= G1?G2。

4.3 PRBS編碼游程選取

基于PRBS編碼信號(hào)的接收信號(hào)，可以看作是編碼信號(hào)的各個(gè)上升沿和下降沿激勵(lì)的大地階躍響應(yīng)的組合，如圖6(a)所示。階數(shù)為n的PRBS編碼最大游程是n，最小游程是1,PRBS編碼以不同的游程結(jié)尾，其對(duì)應(yīng)的2次場(chǎng)數(shù)據(jù)SNR差別明顯，如圖6(b)所示，紅色實(shí)線和藍(lán)色虛線分別表示PRBS編碼以最大和最小游程結(jié)尾。當(dāng)以最大游程結(jié)尾時(shí)，發(fā)射信號(hào)關(guān)斷后的 2次場(chǎng)數(shù)據(jù)的 SNR最優(yōu)；當(dāng)PRBS編碼信號(hào)以最小游程結(jié)尾時(shí)，2次場(chǎng)數(shù)據(jù)的SNR最差。因此，在電磁勘探系統(tǒng)實(shí)際工作中，可視工區(qū)所需的 SNR條件，選擇以合適游程結(jié)尾的PRBS編碼信號(hào)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文編碼電磁勘探方法的有效性，在河北省涿鹿縣開展了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，如圖7和圖8所示。發(fā)射線長(zhǎng)度取500 m，發(fā)射電流10 A，接收線長(zhǎng)度取200 m，接收間距為200 m。PRBS編碼時(shí)鐘頻率根據(jù)4.1節(jié)所述的方法在32～8192 Hz之間選擇，碼元長(zhǎng)度選取4095(12階)和16383(14階)兩個(gè)較大的碼長(zhǎng)，每次編碼發(fā)射均讓PRBS編碼信號(hào)循環(huán)發(fā)射5個(gè)周期，并同步記錄編碼發(fā)射電流信號(hào)和接收處電壓信號(hào)，接收機(jī)采樣率為24 kHz。

在不同時(shí)鐘頻率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，采用偏移距1 km，碼元長(zhǎng)度16383(編碼結(jié)尾游程為8)，選擇1024 Hz和4096 Hz兩個(gè)頻點(diǎn)作為編碼信號(hào)的時(shí)鐘頻率，在其它收發(fā)參數(shù)相同條件下，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。根據(jù) 2.1節(jié)中大地沖激響應(yīng)的計(jì)算公式，可求解出偏移距1 km的大地沖激響應(yīng)的峰值時(shí)刻為11 ms，則根據(jù)式(7)，編碼時(shí)鐘頻率應(yīng)該大于910 Hz，對(duì)比實(shí)驗(yàn)選擇的1024 Hz和4096 Hz符合要求。編碼信號(hào)發(fā)射信號(hào)和相應(yīng)的接收波形分別如圖 9和圖 10所示，編碼發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量較好，能有效地抑制大地電磁噪聲等干擾，適合用于數(shù)據(jù)解釋。基于圖9和圖10所示的數(shù)據(jù)，TDSR方法得到的大地沖激響應(yīng)波形如圖 11所示，在兩個(gè)不同時(shí)鐘頻率條件下，得到的大地沖激響應(yīng)的波形曲線基本一致，均有效地抑制了空氣波干擾，且4096 Hz的大地沖激響應(yīng)的峰值接近于1024 Hz峰值的1/4，與理論計(jì)算相符。從波形曲線中，可清晰地分辨出大地沖激響應(yīng)的峰值時(shí)刻便于后續(xù)的數(shù)據(jù)解釋和反演計(jì)算。

圖7 野外實(shí)驗(yàn)的工區(qū)位置Fig.7 The surveying area location of the field experiments

圖8 野外一個(gè)接收站的現(xiàn)場(chǎng)圖 Fig.8 The figure of a receiving station in the field

圖9 PRBS編碼發(fā)射信號(hào)波形(時(shí)鐘頻率為1024 Hz)Fig.9 The transmitting waveform of the PRBS coded signal (clock frequency is 1024 Hz)

圖10 編碼發(fā)射的接收波形(時(shí)鐘頻率為1024 Hz)Fig.10 The receiving waveform corresponding to the PRBS coded signal (clock frequency is 1024 Hz)

在不同碼元長(zhǎng)度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，仍采用上述參數(shù)，固定時(shí)鐘頻率為1024 Hz，分別采用4095和16383編碼長(zhǎng)度進(jìn)行編碼信號(hào)發(fā)射，同步記錄編碼發(fā)射電流信號(hào)和接收處電壓信號(hào)，通過TDSR方法獲得大地沖激響應(yīng)波形，如圖12所示。采用兩個(gè)不同碼元長(zhǎng)度，得到的大地沖激響應(yīng)的波形曲線基本一致，均有效地抑制了空氣波干擾，從波形中可清晰地分辨出峰值時(shí)刻，且16383碼長(zhǎng)的大地沖激響應(yīng)的峰值與4095碼長(zhǎng)的峰值相比，有接近于兩倍的提升，與理論計(jì)算基本一致。

對(duì)于圖11和圖12中大地沖激響應(yīng)曲線，如果成倍增加時(shí)鐘頻率，波形將會(huì)變得光滑，但是，隨著時(shí)鐘頻率的增加，接收機(jī)采樣率也要成倍增加，這會(huì)給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理帶來諸多不便，如時(shí)鐘頻率為1024 Hz、編碼長(zhǎng)度為4095，編碼循環(huán)發(fā)射5個(gè)周期，則單點(diǎn)的接收數(shù)據(jù)量達(dá)到2.3 GByte。因此，采用目前編碼時(shí)鐘頻率和接收機(jī)采樣率，雖然恢復(fù)的大地沖激響應(yīng)曲線不是太光滑，但仍滿足數(shù)據(jù)解釋的需要，為綜合考慮各方面因素后的折衷選擇。

圖11 基于時(shí)鐘頻率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)(碼元長(zhǎng)度為16383)Fig.11 The comparative experiments based on the clock frequency (the code length is 16383)

圖12 基于碼元長(zhǎng)度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)(時(shí)鐘頻率為1024 Hz)Fig.12 The comparative experiments based on the code length (the clock frequency is 1024 Hz)

6 結(jié)論

本文針對(duì)如何抑制電磁勘探中的空氣波干擾，提出了一種時(shí)間域編碼電磁勘探方法，并進(jìn)行了外場(chǎng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。其具體方法是采用偽隨機(jī)編碼序列作為激勵(lì)信號(hào)，基于發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的相關(guān)性，通過TDSR方法，獲得含有地下異常體信息的大地沖激響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法可抑制空氣波干擾，能有效識(shí)別出地下異常體信息。對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)，降低時(shí)鐘頻率與增大編碼長(zhǎng)度可顯著提高電磁數(shù)據(jù)的信號(hào)質(zhì)量。在未來的工作中將繼續(xù)研究編碼游程對(duì)勘探結(jié)果的影響。

[1]何繼善.海洋電磁法原理[M].北京: 高等教育出版社,2012:3-4.He J S.Marine Electromagnetic Principle[M].Beijing: Higher Education Press,2012: 3-4.

[2]Kaufman A A and Keller G V.頻率域和時(shí)間域電磁測(cè)深[M].北京: 地質(zhì)出版社,1987: 144-152.Kaufman A A and Keller G V.Frequency and Transient Soundings[M].Beijing: Geological Publishing House,1987:144-152.

[3]Ziolkowski A and Carson R.Maximising signal-to-noise ratio in transient EM data[C].EAGE 69th Conference &Exhibition,London,UK,2007: E048-E053.

[4]Ziolkowski A.Optimisation of MTEM Parameters[P]:International Patent WO 2007/104949 A1,2007.

[5]Strack K M.Exploration with Deep Transient Electromagnetics[M].USA: Elsevier Science Publishers B.V.,1992:21-24.

[6]Ziolkowski A,Hobbs B A,and Wright D.Multi-transientelectromagnetic demonstration survey in France[J].Geophysics,2007,72(4): F197-F209.

[7]湯井田,羅維斌,劉長(zhǎng)生.海底油氣藏地質(zhì)模型的沖激響應(yīng)[J].地球物理學(xué)報(bào),2008,51(6): 1929-1935.Tang J T,Luo W B,and Liu C S.Impulse response of seafloor hydrocarbon reservoir model[J].Chinese Journal of Geophysics,2008,51(6): 1929-1935.

[8]牛之璉.時(shí)間域電磁法原理[M].長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)出版社,2007:1-10.Niu Z L.Theory of Transient Electromagnetic Methods[M].Changsha: Central South University,2007: 1-10.

[9]湯井田,羅維斌.基于相關(guān)辨識(shí)的逆重復(fù)m序列偽隨機(jī)電磁法[J].地球物理學(xué)報(bào),2008,51(4): 1226-1233.Tang J T and Luo W B.Pseudo-random electromagnetic exploration based on Invert-Repeated m-Sequence correlation identification[J].Chinese Journal of Geophysics,2008,51(4): 1226-1233.

[10]Streich R,Becken M,and Ritter O.Robust processing of noisy land-based controlled-source electromagnetic data[J].Geophysics,2013,78(5): E237-E247.