频率域电磁测深中干扰的识别与压制

刘镜竹，罗国平，齐朝华

（中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750）

0 引言

随着我国社会经济的建设和发展，电磁法勘探得到广泛应用，限制方法使用的因素也逐渐增多［1-5］。随着电磁频率测深勘探区人文活动增多，高压线、通讯光纤和动力电等引起的电磁干扰加大，严重影响野外采集数据的质量，对电磁频率测深数据和处理成果的干扰严重影响了电磁频率测深方法的推广和应用［6-8］。

电磁频率测深勘探可同时采集水平电场和磁场数据，如可控源音频大地电磁法［9］；可以单独采集垂直磁场数据，如垂直磁偶极子电磁频率测深法［10］；可以只采集水平电场数据，如广域电磁法［11］。由于广域电磁法具有施工简单、数据信噪比高、探测深度大等优点，近年来在油气、页岩气、深部地热能勘查和煤矿水害探测中得到广泛应用［6，12-15］，但在城市区及其周边开展这种电磁频率测深勘探时，电磁频率测深采集的水平电场分量易受高压线、通讯电缆等人文电磁干扰，而高压线及其谐波引起的电磁干扰最为严重，从仪器设计制造、野外数据采集、室内数据处理等方面专家学者提出了相应的压制技术。总结起来压制电性源（电偶子）频率测深中电磁干扰的方法如下：

1）仪器使用工业电频率的多次级陷波器，陷波不限于奇次谐波，还对偶次谐波，通过设备内部滤波压制电磁干扰［16］。在广域电磁设备中，通过发射2n序列伪随机信号作为场源，也可以达到压制电磁干扰信号的目的。

2）施工中通过加大发射电流或AB极距的距离增强发射电偶极距，提高信噪比的方式压制电磁干扰［17］。

3）室内通过多次重复采集数据的平均或数字滤波等数据处理技术压制电磁干扰［16-18］。

本文针对高压线对电磁频率测深数据影响严重的现状，基于理论分析和实测资料，开展了电磁频率测深中野外电磁干扰的分析和识别。首先从理论上分析了高压线的电磁干扰特征，然后对线性电磁干扰区附近的水平电场数据，从电场-频率散点图、均方根误差分析两个维度进行了电磁干扰的特征分析，在此基础上，提出了一种应用干扰估算滤波技术来压制电磁干扰的方法，以期达到提高电磁探测数据信噪比和成像质量的目的。

1 高压线中电流引起的电磁干扰

高压线中除了高压在输电线表面电荷形成静电场外，高压线输电线中的电流还会产生感应电场，而且其感应电场远大于静电场。输变电站由多组输电线向外送电，实际在一组高压输电线中的电流为几十到几百安，一般不超过500A。高压输电线可以用一根载有交变电流的长直导线模型模拟产生的变变电场，载流长直导线产生的感应电场可以用首尾相连的一系列电偶子产生的电场计算。

由于电偶子产生电场的x、y分量中cosθ项的存在［13］，对于载流无限长直高压线周边的任意一点，或有限长直高压线中心垂直平面内的任意一点，总存在一对电偶子产生的Ex、Ey分量抵消，也就说Ex、Ey值为零。对于载流有限长直高压线周边任意一点的感应电场，建立如图1所示的直角坐标系。

图1 载流有限长高压线产生的电场示意Figure 1 Schematic diagram of electric field generated by a current-carrying finite length high voltage line

xoy平面垂直高压线且过地面上的点R2，z轴沿高压线，高压线段范围为z1—z2，由于地面点R2离高压线近，可忽略电偶子产生电磁场的远区项，那么可以用下面的积分表示它产生的感应电场：

式中：式中ε 为空气的介电常数；D为测点到高压线的距离。由上式可以看出，对于载流无限长直高压线周边的任意一点的Ex、Ey的值为零，当z1、z2绝对值相等时Ex、Ey的值也为零，验证了上面的初步分析。另外，电场表达式都有一个虚分量i，说明感应电场与电流I相位差为。取高压线离地面距离为8m，地面点离高压线水平距离50m，那么地面点离高压线距离D=50.636m，cosφ=0.158，cosφ=0.987。电压线输电线电流取300A，z1=-500，z2=1 500，代入上式（1）-（3），有垂直高压线平面的电场Exy=-3 256.97V/m，Ez=1 907 382.367 V/m。

分析上面高压线引起的感应电场的计算结果，Ez比垂直高压线平面的电场分量高3 个数量级，高压线引起的电场干扰主要沿平行高压线的方向Ez，说明电磁频率测深的电磁干扰主要来自平行高压线方向。

上述为理论计算结果，实际电磁频率测深中电场数据来自接地电极，由于大气、植物和建筑物的阻挡屏蔽，大地的导电作用，实际数值要小得多［19］，但Ez、Ex、Ey的比例关系不会改变，高压线引起的电磁干扰主要来自平行高压线方向的结论不会改变，这也为压制高压线、光纤等线状载流体引起的电磁干扰提供了思路——测线（MN测量电极）布置方向垂直线状载流干扰源。

2 电磁干扰的识别及应对方法

图2 是山西某地频率测深实测的电场数据，数据涵盖了0.625～8 192Hz 共56 个频率的数据。数据采集中对每个频率都进行了重复数据采集，低频段由于信噪比高，重复次数较少；高频段信噪比低，重复次数高，最高达30次。图2a中的测点位于高压线和天然气管道（内有泄漏检测的光纤传感器）间，距离20～40m，频率450Hz以上的数据基本受电磁干扰（其中448、1 280、3 072、3 584、6 144、7 160Hz 受干扰最严重），50Hz 附近两个频率的数据受电磁干扰严重。

图2 山西某地电磁频率测深电场-频率散点图Figure 2 Electric field-frequency scatter plot of electromagnetic frequency sounding in Shanxi Province

图2b是受电磁干扰影响较小的电场-频率散点图，表现为单频点48、448、1 280、2 048Hz 受电磁干扰影响。总体上看，频率电磁测深电场数据受电磁干扰的影响表现为数据明显高于正常数据，受干扰影响严重的数据表现为连续频点数据高于正常数据，电场-频率曲线有明显脱节点。

为了进一步验证上述特征，对安徽某地工区的电磁频率测深数据进行了分析。图3是高压线与测点位置关系图，4820 线4510 点MN 电极与高压线近于平行，4820 线4650 点MN 电极位于高压线交叉点附近，5380线4550点和4690点的MN 电极与高压线近于垂直。

图3 安徽某地测点与高压线位置关系示意Figure 3 Position relation between a measuring point and a high voltage line in Anhui province

图4 是用发射电流归一化后的电场，图中4820线4510点重复观测的电场受高压线干扰，在高频段较为分散，但仍可以看出电场曲线的变化规律。4820 线4650 点重复观测电场受交叉分布高压线干扰，在整个频段都较为分散，甚至影响了电场变化曲线规律。接收电场的MN 电极近于垂直高压线的5380 线4550 点和4690 点，重复观测电场数据较为集中，基本不受高压线的干扰影响。

图4 测点与高压线不同位置关系的实测电场-频率散点图Figure 4 Field frequency scatter diagram between measuring point and the high voltage lines at different positions

电流归一化电场的均方根相对差Erms可用来评价数据的离散程度，也可以间接反映出数据受干扰的程度。对于电磁频率电流归一化电场E用下式计算均方根相对差。

式中：Ei，j为频点i第j采集得到的电流归一化电场，Êi为频点i各次测量电流归一化电场的均值。表1为电流归一化电场分析结果，4820线4510点电流归一化电场总均方根相对差为24.3%，5380 线4550 点为14.3%，受高压线影响电磁数据的总均方根相对差明显增大。

由均方根误差分析和电场-频率散点图可以得出下面结论：

1）接收电极MN 平行高压线方向的电场比垂直高压线方向的电场受干扰影响大，即高压线等线状电磁干扰源主要影响接收电极与线状干扰源平行测点的电场。

2）高压线对电磁测深数据干扰大的频率主要集中高频段（大于48Hz），对低频数据干扰较小，即对深部探测数据影响小。

3）在仅测量电场振幅的电磁频率测深勘探中，电磁干扰表现为多次测量得到的电场数据分散，数据中心向高值偏移，即受干扰电场数据明显大于正常数据，造成电场-频率曲线向上脱节。

3 电磁干扰的数字压制技术

压制电磁干扰方法分为三类：一是通过仪器设计压制电磁干扰，针对干扰频率设计陷波器；二是野外施工中通过增大发射电流、加大场源AB极距、减小收发距离等增强有用信号，提高信噪比；三是多次采集数据的后期处理来压制电磁干扰。

多次采集数据的后期处理主要是数据滤波，一般是将多次采集数据的平均值作为最终数据进行处理，这种数据处理是建立在干扰为随机噪声的前提下，这与高压线、光纤等线状干扰源不符，多次数据的平均达不到压制干扰的目的。前人提出利用信息熵进行有理函数滤波处理多次测量的电场数据［18-19］，其实际上是一种中值滤波，与平均值一样达不到压制高压线、光纤等引起的电磁干扰。因此本文基于高压线的电磁干扰分析与电磁干扰特征识别，提出一种干扰估算的滤波技术。

干扰估算滤波基于两个基本假设：一是每个频点多次重复测量的电场数据信噪比是不同的，但总有一个真实电场值。设置频点初始电场值，根据每次测量数据与初始电场值的差异求取每次测量数据的滤波系数，迭代更新初始电场值，得到相对更接近真实电场值的数据。二是每个频点的电场值与它接近的其它频点电场具有连续性和相关性，滤波处理中加入周边频点的数据信息。干扰估值滤波用下式表示：

式中：n为参与滤波计算的频点数；mi为每个频点重复测量电场的次数；wi，j为滤波系数；Ei，j为第i个频点第j次的测量电场。

图5 是对图2 中的电场数据采用不同方法压制干扰效果对比图，采用多次平均（青色）和普通方法（黑色）得到的结果都不理想。图中红色是通过估算数据中干扰大小选择加权滤波系数进行滤波的结果，50Hz 工频干扰基本压制，高频数据尽管仍受干扰，但曲线较为圆滑，能基本反映数据本身的特性。

图5 采用不同方法压制干扰效果对比Figure 5 Comparison of jamming effect by different methods

4 应用实例

山西某煤矿井田煤系地层基底为奥陶系中统，主要由石灰岩、泥灰岩、白云质灰岩夹石膏层组成。含煤地层为上古生界石炭系太原组、二叠系山西组，太原组平均厚107.08m，可采15 号煤层；山西组平均厚为46.10m，可采3 号煤层。井田主要含水层有奥陶系岩溶裂隙含水层、石炭系太原组岩溶裂隙含水层、下二叠统山西组及上覆碎屑岩裂隙含水层、基岩风化壳裂隙含水层、新生界松散岩孔隙含水层。3 号煤层埋深约550m，地表水通过基岩含水层渗透补给的水量较弱，本身对煤层开采影响小；但是，随着煤层的开采，上部覆岩结构遭到破坏，形成地面塌陷、地裂缝，沟通地表水，影响煤层开采，形成煤矿水害因素。井田断层多为张性正断层，具有一定的导水性，可能会沟通奥陶系、石炭系岩溶裂隙水，影响煤层开采，形成另一个水害因素。

为了探查周边采空区和隐伏断层等水害因素，开展了地面三维地震、瞬变电磁、广域电磁勘探。勘探区地层走向北东、倾向北西、倾角5°左右，断层走向北东—正南北，在勘探区南部可能存在采空区。本次广域电磁法勘探测线近东西向布置，区内有高压线3 条、输气管路（带检测光纤）1 条，采集的电场数据受高压线、光纤影响较大，数据处理中采用传统多次平均、干扰估算滤波等干扰抑制技术进行了对比分析研究。

图6 是电磁频率测深测线视电阻率-频率拟断面图，左图是多次采集电场数据平均后计算的全期视电阻率，右图是电场干扰估算滤波后得到的全期视电阻率。已知桩号1920处有输气管路检测光纤，桩号1960、2100 处有与MN 测量电极对相交70°的高压线，原始数据受电磁干扰大。图中视电阻率是静态位移校正后的，桩号1920～2320 在频率32～512Hz 段有明显低电阻率异常，与三维地震解释的采空区一致。由于电磁干扰抑制效果有限，左图多频点视电阻率等值线局部封闭多，数据显得凌乱，不利于采空区的解释，而右图对采空区的反映特征明显，更利于上部采空含水裂隙带解释。

图6 不同方法抑制电磁干扰的视电阻率拟断面图Figure 6 Profile of apparent resistivity of different methods to suppress electromagnetic interference

5 结论

本文通过对电磁频率测深中电磁干扰的识别和压制技术进行研究，分析了高压线等线性干扰源对电场数据影响特征，提出一种干扰估算滤波技术并应用于实际资料处理，对电磁干扰抑制取得了较好的效果。

1）从理论上对高压线电磁干扰的电场特征进行了分析，得出电磁频率测深的电场受电磁干扰主要来自平行高压线方向。

2）分析了高压线附近的电磁频率测深数据中受电磁干扰的电场数据特点，高压线附近的电场数据明显大于正常数据，造成电场-频率曲线向上脱节；接收电极MN平行高压线方向的电场比垂直高压线方向的电场受干扰影响大，从而可以通过改变野外工作中测线布置方向抑制电磁干扰。

3）基于高压线的电磁干扰分析与电磁干扰特征识别，提出一种干扰估算滤波技术，通过与常规滤波方法处理效果对比分析，认为干扰估算滤波在保证数据本身特性的基础上，能够有效地提高受电磁干扰数据的信噪比，提升电磁频率测深勘探成果质量。