小波在瞬变电磁信号降噪中的应用研究

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:vvlioo
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瞬变电磁法TEM(Transient electromagnetic methods),也被称为时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods),是一种以电磁感应原理为理论基础的时间域人工场源探测方法,具有分辨率高、勘探范围大、探测信息丰富、施工方便、适应环境能力强等特点,是目前在能源、矿产、水工、环境、工程勘察、考古探测等领域广泛应用的地球物理勘探方法。但在实际瞬变电磁探测施工中,往往容易受到人文、自然环境及仪器设备等因素的影响而使采集到的信号掺杂多种复杂干扰噪声,特别是晚期测道,常由于干扰导致深部地质目标响应信息被噪声淹没,严重影响TEM深部探测能力。因此,亟需采取有效手段来对瞬变电磁信号的噪声进行抑制或去除,改善信号质量,提高信噪比,以获得更好的勘探效果。文中针对一些常见的信号滤波方法的原理和特点作了简单介绍,并对其在瞬变电磁信号降噪方面应用做了分析比较,指出常规滤波方法多数基于傅里叶变换分析原理,而傅里叶变换的时频局部化局限性导致其在信号的精细分析方面表现出无能为力,且由于瞬变电磁信号具有的动态范围大、频谱丰富、指数衰减的特点以及电磁噪声的复杂多样性,常规的信号滤波方法就很难取得理想的降噪效果。   近年来,利用小波分析方法进行信号降噪越来越得到广泛应用。小波分析是基于傅里叶分析发展而来的一种信号的时频多分辨率分析新方法,其具有的多分辨率特性以及时频局部化的分析能力,在很大程度上解决了处理非平稳信号和突变信号的技术难题,其优秀的降噪性能也越来越受到人们的重视。小波变换的基本思想来源于函数的伸缩与平移,其主要特点就是通过变换能够充分突出问题的某些方面的特征。如今,小波分析理论在工程领域特别是在地球科学领域的推广与应用已经逐渐成为小波学习研究的热点。基于小波分析方法在信号分析处理方面所具有的优势,本文对小波分析的理论及其在瞬变电磁信号降噪方面的应用进行了探索研究。通过对已有的应用成果进行研究,并针对小波分析方法应用在瞬变电磁信号降噪中的一些关键问题进行了分析论证,提出小波降噪方案和改进方法,并通过对实际应用效果的分析,总结出能有效应用于瞬变信号降噪的小波分析方法及参数选择方案。   另一方面,传统对信号噪声的理论分析研究,是建立在平稳分布的高斯噪声基础之上,对于背景噪声的假设都是服从高斯分布,且基于高斯分布噪声的性能分析及处理技术也已相当成熟。然而,在复杂的实际应用环境中,许多噪声的分布特性并非服从高斯分布,而是服从非高斯分布。因此,随着信号采集技术的发展,传统的高斯分布近似分析已经不能满足现代信号的分析需求,特别是在地球物理的各个领域,对于污染非高斯噪声信号的检测与处理,已成为现代勘探技术发展的需要,越来越受到广泛关注。本文通过对瞬变电磁系统中的噪声产生机制及特点进行了分析研究发现,信号中掺杂的大部分噪声也都是服从非高斯分布或混合高斯分布,若使用高斯分布的噪声模型对信号进行分析处理,必然会产生较大误差,降噪的效果也会不理想。因此,只有假设模拟出的噪声幅值及特性更真实的贴近实际可能存在的噪声,才能够使小波降噪理论研究更具有实际应用价值。鉴于此,本文对瞬变电磁系统中可能存在的噪声干扰进行了分类分析,并根据噪声特性建立数学模型,并借助MATLAB数值分析工具对噪声进行了仿真模拟,模拟出的波形更直观地反映出了噪声的时频特征。   在工程实际应用中,最优小波基的选择问题是应用的关键。因为使用不同的小波基分析同样的问题,分析效果会存在一定差异。文中通过对小波函数的性质标准及小波变换特性进行分析,选取了具有连续正交性且紧支集最小的Daubechies N系列小波作为瞬变电磁信号小波变换的基小波。基于前人的研究应用成果,文中提出了三种小波分析信号去噪方法用于瞬变电磁信号的降噪应用研究,分别是小波阈值去噪、小波变换模极大值去噪以及小波包分析去噪,对三种典型去噪方法理论和方法进行了详细阐述,分析了三种小波去噪方法主要特点,并针对主要参数的选择问题,提出了一些改进方案。   对于瞬变电磁信号的小波降噪效果的分析研究,分为了两步。首先进行了正演模型降噪,正演模型是基于湖南某煤田的1322号钻孔资料的三层简化模型,将模型正演得到的信号混入通过噪声特性数值模拟得到多种复杂噪声后,利用三种小波方法,选取了各种不同的分析参数,进行了小波降噪处理,最后从信号重构光滑性、尖峰恢复质量、先验要求等方面对降噪效果进行了多方位的分析比较,总结出了各种小波去噪方法的优缺点以及参数的选取对降噪效果的影响,对一些改进参数的应用效果也作出了客观评价。同时从正演模型的降噪实验中,也提取出了适用于瞬变电磁信号降噪的理想小波去噪方法及相关参数。然后,使用提取出的参数对陕西凤县铅铜山铅锌矿瞬变电磁实测数据进行小波降噪处理,并取得了较为理想的降噪效果,从而证实了高斯混合噪声假设模拟的可靠性以及小波在瞬变电磁信号降噪应用中可行性和优越性。
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