劉鏡竹，羅國(guó)平，齊朝華

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)和發(fā)展，電磁法勘探得到廣泛應(yīng)用，限制方法使用的因素也逐漸增多［1-5］。隨著電磁頻率測(cè)深勘探區(qū)人文活動(dòng)增多，高壓線、通訊光纖和動(dòng)力電等引起的電磁干擾加大，嚴(yán)重影響野外采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對(duì)電磁頻率測(cè)深數(shù)據(jù)和處理成果的干擾嚴(yán)重影響了電磁頻率測(cè)深方法的推廣和應(yīng)用［6-8］。

電磁頻率測(cè)深勘探可同時(shí)采集水平電場(chǎng)和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，如可控源音頻大地電磁法［9］；可以單獨(dú)采集垂直磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，如垂直磁偶極子電磁頻率測(cè)深法［10］；可以只采集水平電場(chǎng)數(shù)據(jù)，如廣域電磁法［11］。由于廣域電磁法具有施工簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)信噪比高、探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在油氣、頁(yè)巖氣、深部地?zé)崮芸辈楹兔旱V水害探測(cè)中得到廣泛應(yīng)用［6，12-15］，但在城市區(qū)及其周邊開(kāi)展這種電磁頻率測(cè)深勘探時(shí)，電磁頻率測(cè)深采集的水平電場(chǎng)分量易受高壓線、通訊電纜等人文電磁干擾，而高壓線及其諧波引起的電磁干擾最為嚴(yán)重，從儀器設(shè)計(jì)制造、野外數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)處理等方面專(zhuān)家學(xué)者提出了相應(yīng)的壓制技術(shù)?？偨Y(jié)起來(lái)壓制電性源（電偶子）頻率測(cè)深中電磁干擾的方法如下：

1）儀器使用工業(yè)電頻率的多次級(jí)陷波器，陷波不限于奇次諧波，還對(duì)偶次諧波，通過(guò)設(shè)備內(nèi)部濾波壓制電磁干擾［16］。在廣域電磁設(shè)備中，通過(guò)發(fā)射2n序列偽隨機(jī)信號(hào)作為場(chǎng)源，也可以達(dá)到壓制電磁干擾信號(hào)的目的。

2）施工中通過(guò)加大發(fā)射電流或AB極距的距離增強(qiáng)發(fā)射電偶極距，提高信噪比的方式壓制電磁干擾［17］。

3）室內(nèi)通過(guò)多次重復(fù)采集數(shù)據(jù)的平均或數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)處理技術(shù)壓制電磁干擾［16-18］。

本文針對(duì)高壓線對(duì)電磁頻率測(cè)深數(shù)據(jù)影響嚴(yán)重的現(xiàn)狀，基于理論分析和實(shí)測(cè)資料，開(kāi)展了電磁頻率測(cè)深中野外電磁干擾的分析和識(shí)別。首先從理論上分析了高壓線的電磁干擾特征，然后對(duì)線性電磁干擾區(qū)附近的水平電場(chǎng)數(shù)據(jù)，從電場(chǎng)-頻率散點(diǎn)圖、均方根誤差分析兩個(gè)維度進(jìn)行了電磁干擾的特征分析，在此基礎(chǔ)上，提出了一種應(yīng)用干擾估算濾波技術(shù)來(lái)壓制電磁干擾的方法，以期達(dá)到提高電磁探測(cè)數(shù)據(jù)信噪比和成像質(zhì)量的目的。

1 高壓線中電流引起的電磁干擾

高壓線中除了高壓在輸電線表面電荷形成靜電場(chǎng)外，高壓線輸電線中的電流還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，而且其感應(yīng)電場(chǎng)遠(yuǎn)大于靜電場(chǎng)。輸變電站由多組輸電線向外送電，實(shí)際在一組高壓輸電線中的電流為幾十到幾百安，一般不超過(guò)500A。高壓輸電線可以用一根載有交變電流的長(zhǎng)直導(dǎo)線模型模擬產(chǎn)生的變變電場(chǎng)，載流長(zhǎng)直導(dǎo)線產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)可以用首尾相連的一系列電偶子產(chǎn)生的電場(chǎng)計(jì)算。

由于電偶子產(chǎn)生電場(chǎng)的x、y分量中cosθ項(xiàng)的存在［13］，對(duì)于載流無(wú)限長(zhǎng)直高壓線周邊的任意一點(diǎn)，或有限長(zhǎng)直高壓線中心垂直平面內(nèi)的任意一點(diǎn)，總存在一對(duì)電偶子產(chǎn)生的Ex、Ey分量抵消，也就說(shuō)Ex、Ey值為零。對(duì)于載流有限長(zhǎng)直高壓線周邊任意一點(diǎn)的感應(yīng)電場(chǎng)，建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系。

圖1 載流有限長(zhǎng)高壓線產(chǎn)生的電場(chǎng)示意Figure 1 Schematic diagram of electric field generated by a current-carrying finite length high voltage line

xoy平面垂直高壓線且過(guò)地面上的點(diǎn)R2，z軸沿高壓線，高壓線段范圍為z1—z2，由于地面點(diǎn)R2離高壓線近，可忽略電偶子產(chǎn)生電磁場(chǎng)的遠(yuǎn)區(qū)項(xiàng)，那么可以用下面的積分表示它產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)：

式中：式中ε 為空氣的介電常數(shù)；D為測(cè)點(diǎn)到高壓線的距離。由上式可以看出，對(duì)于載流無(wú)限長(zhǎng)直高壓線周邊的任意一點(diǎn)的Ex、Ey的值為零，當(dāng)z1、z2絕對(duì)值相等時(shí)Ex、Ey的值也為零，驗(yàn)證了上面的初步分析。另外，電場(chǎng)表達(dá)式都有一個(gè)虛分量i，說(shuō)明感應(yīng)電場(chǎng)與電流I相位差為。取高壓線離地面距離為8m，地面點(diǎn)離高壓線水平距離50m，那么地面點(diǎn)離高壓線距離D=50.636m，cosφ=0.158，cosφ=0.987。電壓線輸電線電流取300A，z1=-500，z2=1 500，代入上式（1）-（3），有垂直高壓線平面的電場(chǎng)Exy=-3 256.97V/m，Ez=1 907 382.367 V/m。

分析上面高壓線引起的感應(yīng)電場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，Ez比垂直高壓線平面的電場(chǎng)分量高3 個(gè)數(shù)量級(jí)，高壓線引起的電場(chǎng)干擾主要沿平行高壓線的方向Ez，說(shuō)明電磁頻率測(cè)深的電磁干擾主要來(lái)自平行高壓線方向。

上述為理論計(jì)算結(jié)果，實(shí)際電磁頻率測(cè)深中電場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自接地電極，由于大氣、植物和建筑物的阻擋屏蔽，大地的導(dǎo)電作用，實(shí)際數(shù)值要小得多［19］，但Ez、Ex、Ey的比例關(guān)系不會(huì)改變，高壓線引起的電磁干擾主要來(lái)自平行高壓線方向的結(jié)論不會(huì)改變，這也為壓制高壓線、光纖等線狀載流體引起的電磁干擾提供了思路——測(cè)線（MN測(cè)量電極）布置方向垂直線狀載流干擾源。

2 電磁干擾的識(shí)別及應(yīng)對(duì)方法

圖2 是山西某地頻率測(cè)深實(shí)測(cè)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)涵蓋了0.625～8 192Hz 共56 個(gè)頻率的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集中對(duì)每個(gè)頻率都進(jìn)行了重復(fù)數(shù)據(jù)采集，低頻段由于信噪比高，重復(fù)次數(shù)較少；高頻段信噪比低，重復(fù)次數(shù)高，最高達(dá)30次。圖2a中的測(cè)點(diǎn)位于高壓線和天然氣管道（內(nèi)有泄漏檢測(cè)的光纖傳感器）間，距離20～40m，頻率450Hz以上的數(shù)據(jù)基本受電磁干擾（其中448、1 280、3 072、3 584、6 144、7 160Hz 受干擾最嚴(yán)重），50Hz 附近兩個(gè)頻率的數(shù)據(jù)受電磁干擾嚴(yán)重。

圖2 山西某地電磁頻率測(cè)深電場(chǎng)-頻率散點(diǎn)圖Figure 2 Electric field-frequency scatter plot of electromagnetic frequency sounding in Shanxi Province

圖2b是受電磁干擾影響較小的電場(chǎng)-頻率散點(diǎn)圖，表現(xiàn)為單頻點(diǎn)48、448、1 280、2 048Hz 受電磁干擾影響?？傮w上看，頻率電磁測(cè)深電場(chǎng)數(shù)據(jù)受電磁干擾的影響表現(xiàn)為數(shù)據(jù)明顯高于正常數(shù)據(jù)，受干擾影響嚴(yán)重的數(shù)據(jù)表現(xiàn)為連續(xù)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)高于正常數(shù)據(jù)，電場(chǎng)-頻率曲線有明顯脫節(jié)點(diǎn)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述特征，對(duì)安徽某地工區(qū)的電磁頻率測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。圖3是高壓線與測(cè)點(diǎn)位置關(guān)系圖，4820 線4510 點(diǎn)MN 電極與高壓線近于平行，4820 線4650 點(diǎn)MN 電極位于高壓線交叉點(diǎn)附近，5380線4550點(diǎn)和4690點(diǎn)的MN 電極與高壓線近于垂直。

圖3 安徽某地測(cè)點(diǎn)與高壓線位置關(guān)系示意Figure 3 Position relation between a measuring point and a high voltage line in Anhui province

圖4 是用發(fā)射電流歸一化后的電場(chǎng)，圖中4820線4510點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)的電場(chǎng)受高壓線干擾，在高頻段較為分散，但仍可以看出電場(chǎng)曲線的變化規(guī)律。4820 線4650 點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)電場(chǎng)受交叉分布高壓線干擾，在整個(gè)頻段都較為分散，甚至影響了電場(chǎng)變化曲線規(guī)律。接收電場(chǎng)的MN 電極近于垂直高壓線的5380 線4550 點(diǎn)和4690 點(diǎn)，重復(fù)觀測(cè)電場(chǎng)數(shù)據(jù)較為集中，基本不受高壓線的干擾影響。

圖4 測(cè)點(diǎn)與高壓線不同位置關(guān)系的實(shí)測(cè)電場(chǎng)-頻率散點(diǎn)圖Figure 4 Field frequency scatter diagram between measuring point and the high voltage lines at different positions

電流歸一化電場(chǎng)的均方根相對(duì)差Erms可用來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的離散程度，也可以間接反映出數(shù)據(jù)受干擾的程度。對(duì)于電磁頻率電流歸一化電場(chǎng)E用下式計(jì)算均方根相對(duì)差。

式中：Ei，j為頻點(diǎn)i第j采集得到的電流歸一化電場(chǎng)，E?i為頻點(diǎn)i各次測(cè)量電流歸一化電場(chǎng)的均值。表1為電流歸一化電場(chǎng)分析結(jié)果，4820線4510點(diǎn)電流歸一化電場(chǎng)總均方根相對(duì)差為24.3%，5380 線4550 點(diǎn)為14.3%，受高壓線影響電磁數(shù)據(jù)的總均方根相對(duì)差明顯增大。

由均方根誤差分析和電場(chǎng)-頻率散點(diǎn)圖可以得出下面結(jié)論：

1）接收電極MN 平行高壓線方向的電場(chǎng)比垂直高壓線方向的電場(chǎng)受干擾影響大，即高壓線等線狀電磁干擾源主要影響接收電極與線狀干擾源平行測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)。

2）高壓線對(duì)電磁測(cè)深數(shù)據(jù)干擾大的頻率主要集中高頻段（大于48Hz），對(duì)低頻數(shù)據(jù)干擾較小，即對(duì)深部探測(cè)數(shù)據(jù)影響小。

3）在僅測(cè)量電場(chǎng)振幅的電磁頻率測(cè)深勘探中，電磁干擾表現(xiàn)為多次測(cè)量得到的電場(chǎng)數(shù)據(jù)分散，數(shù)據(jù)中心向高值偏移，即受干擾電場(chǎng)數(shù)據(jù)明顯大于正常數(shù)據(jù)，造成電場(chǎng)-頻率曲線向上脫節(jié)。

3 電磁干擾的數(shù)字壓制技術(shù)

壓制電磁干擾方法分為三類(lèi)：一是通過(guò)儀器設(shè)計(jì)壓制電磁干擾，針對(duì)干擾頻率設(shè)計(jì)陷波器；二是野外施工中通過(guò)增大發(fā)射電流、加大場(chǎng)源AB極距、減小收發(fā)距離等增強(qiáng)有用信號(hào)，提高信噪比；三是多次采集數(shù)據(jù)的后期處理來(lái)壓制電磁干擾。

多次采集數(shù)據(jù)的后期處理主要是數(shù)據(jù)濾波，一般是將多次采集數(shù)據(jù)的平均值作為最終數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種數(shù)據(jù)處理是建立在干擾為隨機(jī)噪聲的前提下，這與高壓線、光纖等線狀干擾源不符，多次數(shù)據(jù)的平均達(dá)不到壓制干擾的目的。前人提出利用信息熵進(jìn)行有理函數(shù)濾波處理多次測(cè)量的電場(chǎng)數(shù)據(jù)［18-19］，其實(shí)際上是一種中值濾波，與平均值一樣達(dá)不到壓制高壓線、光纖等引起的電磁干擾。因此本文基于高壓線的電磁干擾分析與電磁干擾特征識(shí)別，提出一種干擾估算的濾波技術(shù)。

干擾估算濾波基于兩個(gè)基本假設(shè)：一是每個(gè)頻點(diǎn)多次重復(fù)測(cè)量的電場(chǎng)數(shù)據(jù)信噪比是不同的，但總有一個(gè)真實(shí)電場(chǎng)值。設(shè)置頻點(diǎn)初始電場(chǎng)值，根據(jù)每次測(cè)量數(shù)據(jù)與初始電場(chǎng)值的差異求取每次測(cè)量數(shù)據(jù)的濾波系數(shù)，迭代更新初始電場(chǎng)值，得到相對(duì)更接近真實(shí)電場(chǎng)值的數(shù)據(jù)。二是每個(gè)頻點(diǎn)的電場(chǎng)值與它接近的其它頻點(diǎn)電場(chǎng)具有連續(xù)性和相關(guān)性，濾波處理中加入周邊頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。干擾估值濾波用下式表示：

式中：n為參與濾波計(jì)算的頻點(diǎn)數(shù)；mi為每個(gè)頻點(diǎn)重復(fù)測(cè)量電場(chǎng)的次數(shù)；wi，j為濾波系數(shù)；Ei，j為第i個(gè)頻點(diǎn)第j次的測(cè)量電場(chǎng)。

圖5 是對(duì)圖2 中的電場(chǎng)數(shù)據(jù)采用不同方法壓制干擾效果對(duì)比圖，采用多次平均（青色）和普通方法（黑色）得到的結(jié)果都不理想。圖中紅色是通過(guò)估算數(shù)據(jù)中干擾大小選擇加權(quán)濾波系數(shù)進(jìn)行濾波的結(jié)果，50Hz 工頻干擾基本壓制，高頻數(shù)據(jù)盡管仍受干擾，但曲線較為圓滑，能基本反映數(shù)據(jù)本身的特性。

圖5 采用不同方法壓制干擾效果對(duì)比Figure 5 Comparison of jamming effect by different methods

4 應(yīng)用實(shí)例

山西某煤礦井田煤系地層基底為奧陶系中統(tǒng)，主要由石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾石膏層組成。含煤地層為上古生界石炭系太原組、二疊系山西組，太原組平均厚107.08m，可采15 號(hào)煤層；山西組平均厚為46.10m，可采3 號(hào)煤層。井田主要含水層有奧陶系巖溶裂隙含水層、石炭系太原組巖溶裂隙含水層、下二疊統(tǒng)山西組及上覆碎屑巖裂隙含水層、基巖風(fēng)化殼裂隙含水層、新生界松散巖孔隙含水層。3 號(hào)煤層埋深約550m，地表水通過(guò)基巖含水層滲透補(bǔ)給的水量較弱，本身對(duì)煤層開(kāi)采影響?。坏?，隨著煤層的開(kāi)采，上部覆巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成地面塌陷、地裂縫，溝通地表水，影響煤層開(kāi)采，形成煤礦水害因素。井田斷層多為張性正斷層，具有一定的導(dǎo)水性，可能會(huì)溝通奧陶系、石炭系巖溶裂隙水，影響煤層開(kāi)采，形成另一個(gè)水害因素。

為了探查周邊采空區(qū)和隱伏斷層等水害因素，開(kāi)展了地面三維地震、瞬變電磁、廣域電磁勘探?？碧絽^(qū)地層走向北東、傾向北西、傾角5°左右，斷層走向北東—正南北，在勘探區(qū)南部可能存在采空區(qū)。本次廣域電磁法勘探測(cè)線近東西向布置，區(qū)內(nèi)有高壓線3 條、輸氣管路（帶檢測(cè)光纖）1 條，采集的電場(chǎng)數(shù)據(jù)受高壓線、光纖影響較大，數(shù)據(jù)處理中采用傳統(tǒng)多次平均、干擾估算濾波等干擾抑制技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析研究。

圖6 是電磁頻率測(cè)深測(cè)線視電阻率-頻率擬斷面圖，左圖是多次采集電場(chǎng)數(shù)據(jù)平均后計(jì)算的全期視電阻率，右圖是電場(chǎng)干擾估算濾波后得到的全期視電阻率。已知樁號(hào)1920處有輸氣管路檢測(cè)光纖，樁號(hào)1960、2100 處有與MN 測(cè)量電極對(duì)相交70°的高壓線，原始數(shù)據(jù)受電磁干擾大。圖中視電阻率是靜態(tài)位移校正后的，樁號(hào)1920～2320 在頻率32～512Hz 段有明顯低電阻率異常，與三維地震解釋的采空區(qū)一致。由于電磁干擾抑制效果有限，左圖多頻點(diǎn)視電阻率等值線局部封閉多，數(shù)據(jù)顯得凌亂，不利于采空區(qū)的解釋?zhuān)覉D對(duì)采空區(qū)的反映特征明顯，更利于上部采空含水裂隙帶解釋。

圖6 不同方法抑制電磁干擾的視電阻率擬斷面圖Figure 6 Profile of apparent resistivity of different methods to suppress electromagnetic interference

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)電磁頻率測(cè)深中電磁干擾的識(shí)別和壓制技術(shù)進(jìn)行研究，分析了高壓線等線性干擾源對(duì)電場(chǎng)數(shù)據(jù)影響特征，提出一種干擾估算濾波技術(shù)并應(yīng)用于實(shí)際資料處理，對(duì)電磁干擾抑制取得了較好的效果。

1）從理論上對(duì)高壓線電磁干擾的電場(chǎng)特征進(jìn)行了分析，得出電磁頻率測(cè)深的電場(chǎng)受電磁干擾主要來(lái)自平行高壓線方向。

2）分析了高壓線附近的電磁頻率測(cè)深數(shù)據(jù)中受電磁干擾的電場(chǎng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，高壓線附近的電場(chǎng)數(shù)據(jù)明顯大于正常數(shù)據(jù)，造成電場(chǎng)-頻率曲線向上脫節(jié)；接收電極MN平行高壓線方向的電場(chǎng)比垂直高壓線方向的電場(chǎng)受干擾影響大，從而可以通過(guò)改變野外工作中測(cè)線布置方向抑制電磁干擾。

3）基于高壓線的電磁干擾分析與電磁干擾特征識(shí)別，提出一種干擾估算濾波技術(shù)，通過(guò)與常規(guī)濾波方法處理效果對(duì)比分析，認(rèn)為干擾估算濾波在保證數(shù)據(jù)本身特性的基礎(chǔ)上，能夠有效地提高受電磁干擾數(shù)據(jù)的信噪比，提升電磁頻率測(cè)深勘探成果質(zhì)量。