航空瞬变电磁数据背景场去除研究

黄威，贲放，李军峰，殷长春，胥值礼，刘俊杰

(1.自然资源部 地球物理电磁法探测技术重点实验室，河北 廊坊 065000； 2.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000； 3.国家现代地质勘查工程技术研究中心，河北 廊坊 065000； 4.吉林大学 地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026)

0 引言

时间域航空电磁法是航空物探测量的常用方法之一[1-2]，已广泛应用于矿产资源勘查、环境监测、地质调查等领域。该方法是通过飞机平台搭载电磁勘探设备对地下目标体进行探测，分为时间域和频率域两大类，可以快速高效地对复杂地区进行大面积勘探，特别适合湖泊沼泽、沙漠、高山、森林覆盖等地形复杂地区。该方法通过电磁感应原理，利用发射源向地下发射脉冲磁场，经过地下介质激发产生涡流场，接收线圈接收来自地下返回的二次场信号的同时，接收从空气中直接传回的一次场信号[3-8]。理想情况下，直接从接收线圈中去除一次场信号即可得到反映地下介质信息的二次场响应，但实际工作中，还需考虑飞机及仪器对信号的影响[9-11]。我们将一次场信号和飞机及仪器本身感应出的信号及飞机金属表皮轻微颤动引起的附加噪声信号总和称为背景场。由于航空电磁测量收发距较小，导致背景场信号幅值远高于二次场信号，且背景场信号中不含有地下介质信息，所以必须对接收线圈内的背景场信号进行去除，从而得到包含地下介质信息的二次场响应。

背景场由于包含移动情况下飞机和仪器的噪声，达到精准去除难度较高[12]。Smith[13]利用时间域航空电磁响应的同向分量和垂向分量对一次场的去除进行了研究，表明在电阻体介质中假设同向分量只含有一次场信息，那么接收传感器的位置可由同向分量确定，但导体介质不适用于上述情况；如果接收传感器位置测量准确，则可以精准地算出自由空间中一次场值，即可对其在总场中进行去除从而得到二次场；但由于飞机测量中处于移动状态，因此对传感器测量的精准度要求较高。为此本文提出一种高效、快速的线性插值方法来去除背景场对时间域航空电磁数据的影响。

为快速对海量时间域航空电磁实测数据进行背景场去除，本文详述如何利用线性插值技术获得测线中每个采集数据的背景场信号，通过相关的计算对背景场进行有效去除，并根据现有实测数据进行了去除背景场后的效果展示。

1 背景场去除原理

当飞机在远离地面一定高度(>1 000 m)进行飞行测量时，接收线圈得到的信号为一次场信号和飞机及仪器的相关信号，此时地下涡流场极弱可将其忽略，认为此时接收线圈的信号即为背景场。

1.1 背景场数据采集

在时间域航空电磁野外实测数据采集前后，均需要进行高空飞行来获得背景场数据。可将野外测量分为前高空飞行、测线低空飞行、后高空飞行，前后高空飞行时间各不少于90 s。如图1所示，飞机需飞行到一定高度进行前高空飞行测量，测区飞行(图中蓝色实线)结束后，飞机仍需飞到一定高度进行后高空飞行，从而分别得到前、后高空背景场数据(图中红色实线)，为数据预处理中背景场去除环节做准备。

图1 时间域航空电磁野外飞行示意Fig.1 The diagram of time-domain AEM actual flight

1.2 背景场线性插值

假设在时间域航空电磁测量过程中，飞机及仪器等产生的信号随着时间是呈线性变化的，那么我们采用线性插值的方法来得到测线上每点各时间道的背景场值。

首先，计算前、后高空飞行的背景场数据每周期内各时间道的叠加平均值。设N1、N2分别是前、后高空背景场数据的周期数，n为周期采样点数，sum1(i)、sum2(i)分别为前、后高空背景场数据中第i个时间道值总和，B1(i)、B2(i)分别为前、后高空背景场数据中第i个时间道的平均值，则有

(1)

(i=1,2,…,n;m=1,2)

其次，计算飞行前、后高空时间参数。设前高空飞行的第一个时间道为时间起点，每个时间道之间的时间间隔为Δt，后高空数据的第一个时间道距起点的时间间隔为tp，则前、后高空叠加周期内各时间道距时间起点的时刻t1(i)、t2(i)分别为：

t1(i)=(i-1)Δt， (i=1,2,…,n)

(2)

t2(i)=(i-1)Δt+tp。 (i=1,2,…,n)

(3)

然后，确定线性插值函数。根据前、后高空背景场数据叠加周期内相同时间道的两个点为基准，建立插值函数。确定第i个时间道所在直线的斜率k(i)和截距b(i)，则有

(4)

(5)

从而得到相同时间道的插值函数，根据插值函数可以计算每条测线第i个时间道的背景场值y(i)。

最后，对时间域航空电磁数据进行背景场去除。R(i)和Rres(i)分别为第i个时间道背景场去除前后的响应，则根据以上计算所得插值函数，可得到去除背景场的响应为：

Rres(i)=R(i)-y(i), (i=1,2,…,n)。

(6)

具体原理如图2所示，通过插值计算得到每条测线的背景场值。计算过程中要明确每条线开始测量的时间，已备计算使用。

图2 背景场线性插值示意Fig.2 The diagram of background field linear interpolation

2 背景场去除示例分析

算例来自哈尔滨某地区进行的飞行测量，抽取部分数据进行演示。数据采集采用自主研发的固定翼时间域航空电磁系统(iFTEM)，基频为25 Hz，数据采样率为100 kHz，发射波形采用半正弦波，供电时间为4 ms。

时间域航空电磁数据预处理流程较复杂，涉及多种方法对不同噪声进行去除，处理数据过程中方法的循序性可能对数据产生一定的影响，如果背景场去除置于较后的步骤，则需要提前对背景场进行叠加处理、抽道处理等步骤。直接飞行测量得到的背景场数据被天电噪声、运动噪声等噪声影响，在对测线进行背景场去除前，需要考虑将以上噪声先进行去除。本文使用的实测数据已进行了天电噪声去除和运动噪声去除处理。

通过对前、后高空飞行所有周期信号按照采样时间道进行叠加后平均，得到叠加周期内各时间道的背景场值，利用线性插值方法得到测线各时间道的背景场值。通过得到的各时间道背景场值，最后利用实测数据(real data)减去各时间道的背景场值，得到含有地下介质信息的二次场信号。

图3给出了实测数据背景场去除前后的对比情况。从图中可以清晰地看出背景场场值对实测数据影响非常大，如不进行正确的去除，二次场信息会淹没在背景场信号中，同时由于背景场不含有地下介质信息，因此也必须予以去除。

图3 背景场去除前后效果比较Fig.3 The comparison of effect before and after background field removal

图4给出了实测数据和背景场在剖面情况下的数据对比。从图中不能明确看出地下介质分布的大体情况，通过去除背景场，可以对测线下介质电阻率高低进行一个简单的判断(文中数据为有代表性的阶段性数据，非数据预处理后的完整数据)。

图5给出了去除背景场后的二次场剖面数据，从数据中可以较为清晰的判断异常出现的大体位置(377350～377550，379000～3794000)，处理结果再一次说明去除背景场的必要性。正确的去除背景场可以为后期数据处理奠定了较好的基础。

图4 实测数据与背景场数据不同时间道剖面对比Fig.4 The profile comparison diagram of real data and background field data

图5 二次场数据剖面Fig.5 The profile diagram of secondary field

3 结论

本文利用线性插值方法对时间域航空电磁数据进行背景场去除，首先将前、后高空背景场数据周期内每个时间道进行累加，求得叠加周期内每个时间道的均值，将前、后高空叠加周期内同一时间道作为插值的首尾端，通过测线数据采集时间与前、后高空背景场数据的时间间隔作为已知参数，来计算每条测线对应数据的背景场值，然后对相应时间道的背景场进行有效去除。从实测数据去除效果可以看出，该方法可以较好地应用于实测数据处理中，经过背景场去除的二次场数据可以较好显示出地下异常出现的位置。该方法的提出，为数据预处理增加了可靠的处理方法，更为数据解释提供了良好的基础。

致谢：感谢审稿人和编辑对本文提出的意见。感谢吉林大学航空电磁研究团队提供的帮助。