專利名稱：降低電場(chǎng)測(cè)量中的噪聲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于降低電磁場(chǎng)測(cè)量中的噪聲的技術(shù)。特別地，本發(fā)
明涉及用于降低多通道瞬變電磁(MTEM)測(cè)量中的噪聲的影響的技 術(shù)。
背景技術(shù)：
多孔巖石充滿了流體。這些流體可能為水、氣體或油或所有這三 者的混合。地球中電流是由這些巖石的電阻決定的，而巖石的電阻受 充滿的流體的影響。例如，充滿鹽水的多孔巖石的電阻比充滿石友氫化 合物的同樣巖石的要低得多。通過測(cè)量地質(zhì)構(gòu)造的電阻，可以探測(cè)碳 氫化合物。因而，電阻測(cè)量可以在勘探階段實(shí)施以在鉆探之前探測(cè)碳 氫化合物。
已知了多種用于測(cè)量地質(zhì)構(gòu)造電阻的技術(shù)，例如在WO 03/023452 中說明的時(shí)域電磁技術(shù)，這里通過引用將其內(nèi)容結(jié)合于本文中。常規(guī) 地，時(shí)域電磁調(diào)查使用發(fā)送器以及一個(gè)或一個(gè)以上接收器。發(fā)送器可 以是電源即接地雙極，或即為導(dǎo)線線圏或多線圏中的電流的; 茲力源。 接收器可為用于測(cè)量電勢(shì)差的接地雙極，或者導(dǎo)線線圈或多線圈，或 者用于測(cè)量磁場(chǎng)和/或磁場(chǎng)時(shí)間導(dǎo)數(shù)的磁力計(jì)。發(fā)送的信號(hào)通常是由電 源或磁力源中電流的階躍變化形成，但可使用包括例如偽隨機(jī)二進(jìn)制 序列的任何瞬態(tài)信號(hào)。
圖1示出用于用電流雙極源進(jìn)行電磁勘探的典型設(shè)置的平面圖， 例如在US6914433中說明的。這具有有兩個(gè)電極A和B的電流雙極 源。與源成一直線的，是排成一直線的用于測(cè)量在接收器電極對(duì)(例 如C和D)之間的電勢(shì)的接收器。源將電流注入地，以及在電才及對(duì)之 間測(cè)量響應(yīng)。特別在靠近鐵路、高架電力線路以及電力機(jī)械的地方實(shí)施測(cè)量時(shí)由于地物電噪聲，測(cè)得的響應(yīng)可能會(huì)浮皮污染。在需要非常靈 敏的測(cè)量的地方，這可能是重大問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了 一種用于由例如電流雙極源或磁力線圈源
(magnetic loop source)等電石茲源產(chǎn)生的場(chǎng)的電磁測(cè)量中去除地物噪 聲(cultural noise)的方法，該方法包括在場(chǎng)測(cè)量位置以及在靠近該 場(chǎng)測(cè)量位置但在該源的零場(chǎng)中的校準(zhǔn)位置同時(shí)測(cè)量電磁信號(hào)；使用場(chǎng) 測(cè)量和校準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算用于估計(jì)該場(chǎng)測(cè)量中與地物噪聲相關(guān)的分量的 函數(shù)，其優(yōu)選為濾波器(filter);使用所計(jì)算出的優(yōu)選為濾波器的函 數(shù)和校準(zhǔn)測(cè)量來產(chǎn)生估計(jì)的地物噪聲分量，以及從場(chǎng)測(cè)量中減去該分 量以提高信噪比。
在場(chǎng)測(cè)量以及校準(zhǔn)位置的電^茲信號(hào)的同時(shí)測(cè)量可在源關(guān)閉時(shí)完成。
電石茲場(chǎng)可以電流和/或電壓的形式測(cè)量，優(yōu)選為電壓。 函數(shù)可是濾波器。函數(shù)可與校準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行巻積以產(chǎn)生估計(jì)的地物 噪聲分量。
本發(fā)明可應(yīng)用于任何具有零場(chǎng)的源，例如與特定的軸線垂直。例 子包括電流雙極源或豎直線圈磁力源。
接收器可包括基本上與源的軸線平行;改置的電極。
可使用與源的軸線垂直并且離源的軸線等距離放置的校準(zhǔn)電極 進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量，使得在零電場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量。如果測(cè)量磁場(chǎng)，可使用磁 力計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量，磁力計(jì)被置于使得其軸線沿源的軸線延伸，使得 在零f茲場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量。
方法可包含將在接收器以及校準(zhǔn)電極測(cè)得的電壓數(shù)字化。
濾波器可是因果濾波器，例如維納濾波器。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方面，提供了 一種用于估計(jì)在例如電流雙極 源或磁力線圏等電磁源產(chǎn)生的場(chǎng)的電磁測(cè)量中的噪聲的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括:用于在測(cè)量位置測(cè)量由源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的接收器以及用于在靠近
接收器的位置和源的零場(chǎng)中測(cè)量電磁場(chǎng)的校準(zhǔn)系統(tǒng)。接收器和/或校準(zhǔn) 系統(tǒng)可操作以用于測(cè)量電流和/或電壓，優(yōu)選為電壓。
接收器可包括基本上與源的軸線平行放置的電極，校準(zhǔn)電極可與 源的軸線垂直并且距離源的軸線等距離，使得在零場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量。
系統(tǒng)可還包括用于由校準(zhǔn)測(cè)量以及電場(chǎng)測(cè)量計(jì)算用于估計(jì)電》茲
場(chǎng)測(cè)量中與噪聲測(cè)量相關(guān)的分量的濾波器的部件；計(jì)算出的濾波器與 校準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行巻積以產(chǎn)生估計(jì)的噪聲分量，以及從在接收器電極測(cè)得 的電場(chǎng)中減去該分量。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方面，提供了 一種優(yōu)選地在數(shù)據(jù)載體或計(jì)算 機(jī)可讀媒體上的計(jì)算機(jī)程序，其具有代碼或指令用于使用從測(cè)量位 置和校準(zhǔn)位置同時(shí)獲得的電場(chǎng)測(cè)量以計(jì)算用于估計(jì)電磁場(chǎng)測(cè)量中與 噪聲測(cè)量相關(guān)的分量的濾波器，其中校準(zhǔn)測(cè)量基本上沒有被源噪聲污 染；計(jì)算出的濾波器與4交準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行巻積以產(chǎn)生估計(jì)的噪聲分量，以 及從在接收器電極測(cè)得的電場(chǎng)中減去該分量。


現(xiàn)在僅通過例子的方式以及參考

本發(fā)明的各個(gè)方面，其
中
圖2是MTEM測(cè)量系統(tǒng)的示意圖，以及 圖3是用于估計(jì)噪聲的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖2示出MTEM系統(tǒng)，其具有帶有電極A和B的接地雙極電流 源、帶有接地電極C和D以及^f交準(zhǔn)電極E和F的電壓接收器。理想 地，電流電極A和B以及接收器電極C和D沿同一條直線放置，但 實(shí)際上例如道路、建筑物等的障礙物經(jīng)常會(huì)迫4吏有偏差。因此，如圖 2所示，接收器電極C和D可能會(huì)v^人源的軸略^:偏移，以及因此不能測(cè)量準(zhǔn)確的同線電壓。實(shí)際上，偏移的影響可以包含在數(shù)據(jù)的處理中， 但為了清楚起見，在下面的說明中，測(cè)量的電壓v/(,)認(rèn)為是在同一 條直線上的。
在時(shí)間f在接收器電極C和D之間測(cè)得的直線電壓信號(hào)w7(0被隨 機(jī)噪聲"^(0以及規(guī)則噪聲w/(/)污染，其中/代表在一條直線上。在 較高頻段噪聲通常以地物噪聲為主，其可能來自例如鐵路、電力線(例 如圖2所示PP，)、電力機(jī)械等。在較低頻段噪聲更可能來自電離層 以及被稱為大地電磁(MT)噪聲。實(shí)際測(cè)得的模擬電壓是信號(hào)與這 兩種噪聲相加的總和
o)=v/ (o+(o+"y o). (i)
地物噪聲通常由基頻以及它的諧頻組成。在歐洲50Hz是標(biāo)準(zhǔn)基 頻，但接近電動(dòng)鐵路的地方存在其他頻率。MT噪聲是寬的帶寬并且 其振幅隨低于大約1Hz的頻率的降低而增加。存在規(guī)則噪聲比信號(hào)大 很多的情況；即，
—,酔〉l々)i. (2) 這對(duì)于信號(hào)v/ (0的測(cè)量會(huì)是嚴(yán)重的問題。本發(fā)明提出 一種用于 減小規(guī)則噪聲的影響從而提高信噪比的技術(shù)。圖3示出為此需要采取 的步驟。
首先，測(cè)量在接收器電極C和D的電壓，且同時(shí)測(cè)量兩個(gè)才交準(zhǔn)電 極E和F之間的規(guī)則噪聲電壓，校準(zhǔn)電極接近接收器CD放置，但沒 有被任何信號(hào)污染。接著使用場(chǎng)和校準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算用于估計(jì)場(chǎng)測(cè)量中與 地物噪聲相關(guān)的分量的濾波器。此濾波器與校準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行巻積以產(chǎn)生 估計(jì)的地物噪聲分量，接著可以從場(chǎng)測(cè)量中減去該地物噪聲分量以提 高信噪比。如果噪聲是固定的濾波器不隨時(shí)間變化，那么在某一時(shí)間 確定的濾波器可在其他時(shí)間使用。在這種情況下，優(yōu)選地由在源關(guān)閉 時(shí)獲取的數(shù)據(jù)來計(jì)算濾波器。
為了避免信號(hào)污染，校準(zhǔn)電極E和F與源的軸線垂直并且距離軸 線x等距離地隔開，如圖2所示。由于雙極源AB在與它的軸線垂直的水平方向(至少對(duì)于地平面層的地表)沒有信號(hào)，校準(zhǔn)電極E和F 位于源的零場(chǎng)中，因此校準(zhǔn)電極E和F之間進(jìn)行的橫斷源軸線的電壓 測(cè)量將是幾乎純的規(guī)則噪聲；即，
vr(0，r(0， (3)
其中上標(biāo)r表示橫向。測(cè)得的橫向電壓也含有一些隨機(jī)噪聲，但對(duì)于 這個(gè)估計(jì)的目的來說，其可以一皮忽略。
"/00和"/^(O之間的關(guān)系假定為線性的。即，它們通過線性濾 波器/(0相關(guān)，使得
"々)="7(0 * /(/) * /(o, (4)
其中星號(hào)*表示巻積。使用在接收器電極C和D以及校準(zhǔn)電極E和F 測(cè)得的電壓，可以確定濾波器/( )。濾波器可以是因果的，或非因果 的。如果濾波器是因果的，它在有輸入之前沒有輸出，因此它對(duì)負(fù)時(shí) 間的響應(yīng)為零；即，對(duì)于負(fù)時(shí)間門/0)=0。 一旦確定，濾波器可以 與測(cè)量70)進(jìn)行巻積以估計(jì)w;/(f)，可以如期望地從測(cè)量v《/)減去 —(0 。
如何確定濾波器的問題可以根據(jù)維納濾波器問題公式化。在這種 情況下，使用在校準(zhǔn)電極E和F測(cè)得的電壓^(0作為輸入信號(hào)，以及 在接收器電極C和D測(cè)得的電壓v力)作為期望輸出信號(hào)。需要會(huì)預(yù) 測(cè)與(0相關(guān)的v7 (0分量的最小二乘濾波器。相關(guān)的分量當(dāng)然是規(guī)則 噪聲，因?yàn)樾盘?hào)與橫向電壓7(f)不相關(guān)。為此，首先使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn) 換器、將模擬測(cè)量v^)和v、0分別轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)v〖和《，以及以 規(guī)律采樣時(shí)間間隔&采樣，規(guī)律采樣間隔足夠小以保留所有的信息。 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可由如下積分定義
<formula>formula see original document page 9</formula>, ( 5 )
其中c^)是狄拉克5函數(shù)。
如果濾波器是因果的，它可根據(jù)維納理論通過解出下列方程來確定
<formula>formula see original document page 10</formula>( 6)
其中A是對(duì)數(shù)字濾波器A的最小二乘逼近系數(shù)，^"r)是《的自相 關(guān)函數(shù)，
<formula>formula see original document page 10</formula>(7)
以及^z^(r)是^與《的互相關(guān)函數(shù)，<formula>formula see original document page 10</formula>(8)
總的來說，因果的維納濾波器可如下確定將測(cè)量v《0與7(0數(shù) 字化以產(chǎn)生v〖和《；根據(jù)等式(7)和(8)計(jì)算自相關(guān)函數(shù)-汀(r)與 互相關(guān)函數(shù)^&(r);以及解方程(6)以確定^。解方程(6)的快速 算法已知。
一旦知道^ ，通過將濾波器％與數(shù)字橫向電壓《進(jìn)行巻積估計(jì)數(shù) 字噪聲信號(hào)M〖，
^ = lX， (9)
戶o
其中^:是噪聲《rf的最小二乘估計(jì)。現(xiàn)在可從v〖中減去這個(gè)估計(jì)以重
新獲得對(duì)信號(hào)更好的估計(jì)-.
< =^-^， (10) 其中^是信號(hào)的最佳估計(jì)。
在濾波器是非因果的情況下，必需向測(cè)得的信號(hào)v(o中放入大約
幾毫秒的已知時(shí)間延遲，并且所有后續(xù)分析都是如此。例如，如果已
知時(shí)間延遲是2",那么時(shí)間延遲了的信號(hào)是
V^(^V，2"), (11)
于是當(dāng)前在分析中信號(hào)w、0代替v7(0,并且估計(jì)的所得噪聲是真實(shí)
噪聲的延遲的估計(jì)，可從vW(O中減去該延遲的估計(jì)以重新獲得信號(hào)的延遲估計(jì)。自始至終延遲是已知的，以及如果需要的話可在最后去 除該延遲。
實(shí)際上，不知道濾波器是否是因果的，因此需要引入足夠長的時(shí)
間延遲H吏濾波器是因果的。T的值可以通過試算法確定。如果T足夠 大，前幾個(gè)^系數(shù)會(huì)接近于零，證明了當(dāng)前濾波器是因果的。如果r不 足夠大，前幾個(gè)^系數(shù)將為非零；在這種情況下改變r(jià)直到它足夠大。
另一個(gè)必須選擇的參數(shù)是n，其中n+l是濾波器系數(shù)的數(shù)量。這也可 以通過試算法確定。濾波器必須在或接近零開始，并且必須在或接近 零結(jié)束。因此n必須足夠大以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
本發(fā)明的方法能夠估計(jì)地物噪聲和大地電磁噪聲并且從測(cè)得的 地表電響應(yīng)中減去該噪聲。這可以顯著地提高信噪比。對(duì)于此領(lǐng)域中 的MTEM電阻測(cè)量這是重大進(jìn)步。
噪聲的計(jì)算可通過使用任何合適的軟件和/或硬件完成，例如處理器。
技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到可能有對(duì)公開的方案的變化并且沒有偏離本 發(fā)明。例如，上文提出用來確定濾波器/(0的估計(jì)的維納最小二乘法 只是幾個(gè)合適方法中的一個(gè)。另外，盡管圖2只顯示一對(duì)接收器電極 C和D以及一對(duì)校準(zhǔn)電極E和F,由于規(guī)則噪聲可有多種，可以對(duì)任 何與源關(guān)聯(lián)的接收器對(duì)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量。因此，對(duì)于每對(duì)接收器電極， 可有對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)電極對(duì)。并且，盡管在場(chǎng)測(cè)量位置與校準(zhǔn)位置的電磁 信號(hào)的同時(shí)測(cè)量可在源活動(dòng)時(shí)完成，它同樣可在源關(guān)閉時(shí)完成。因此 上文具體的實(shí)施例僅用例子的方式進(jìn)行說明，并且不是為了限制。對(duì) 于技術(shù)人員很明顯可做出很小的改動(dòng)而沒有顯著改變所說明的操作。
權(quán)利要求
1. 一種用于估計(jì)由例如電流雙極源或磁力線圈源等電磁源產(chǎn)生的場(chǎng)的電磁測(cè)量中的噪聲的方法，所述方法包括在場(chǎng)測(cè)量位置以及在靠近所述場(chǎng)測(cè)量位置但在所述源的零場(chǎng)中的校準(zhǔn)位置同時(shí)測(cè)量電磁信號(hào)；使用所述場(chǎng)測(cè)量和所述校準(zhǔn)測(cè)量以確定用于估計(jì)所述場(chǎng)測(cè)量中與噪聲相關(guān)的分量的函數(shù)；以及使用所述函數(shù)以及所述校準(zhǔn)測(cè)量以確定所述噪聲分量的估計(jì)。
2. 如4又利要求1所述的方法，其中所述電磁場(chǎng)以電流和/或電壓 來測(cè)量。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其包括使用雙極電源，并且 使用磁力計(jì)測(cè)量所述校準(zhǔn)場(chǎng)，所述磁力計(jì)被置于使得其軸線基本上與 所述雙^2l電源的軸線共線。
4. 如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其包括使用雙極電源， 并且使用被置于與所述雙極源的軸線垂直并且離所述雙極源的軸線 等距離的電極測(cè)量所述校準(zhǔn)場(chǎng)。
5. 如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其包括使用磁力線圈源， 并且使用被置于所述磁力線圈源的軸線上的電極測(cè)量所述校準(zhǔn)場(chǎng)。
6. 如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其包括使用磁力線圏源， 并且使用磁力計(jì)測(cè)量所述校準(zhǔn)場(chǎng)，所述磁力計(jì)被置于使得其軸線基本 上與所述;f茲力線圏源的軸線垂直。
7. 如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其包括將在接收器以及 校準(zhǔn)電極測(cè)得的電壓數(shù)字化。
8. 如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述函數(shù)是濾波器。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述濾波器是因果濾波器。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的方法，其中所述濾波器是維納濾波器。
11. 如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述源關(guān)閉時(shí) 進(jìn)^"所述在場(chǎng)測(cè)量位置和一交準(zhǔn)位置同時(shí)測(cè)量電》茲信號(hào)。
12. 如權(quán)利要求l-ll中任一項(xiàng)所述的方法，其包括從所述場(chǎng)測(cè)量 中減去所估計(jì)的噪聲分量。
13. —種用于估計(jì)由例如電流雙4及源或;茲力線圈等電^f茲源產(chǎn)生的 場(chǎng)的電石茲測(cè)量中的噪聲的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于在測(cè)量位置測(cè)量 由所述源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的接收器以及用于在靠近所述接收器并且在 所述源的零場(chǎng)中的位置測(cè)量電磁場(chǎng)的校準(zhǔn)系統(tǒng)。
14. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述接收器和/或校準(zhǔn)系統(tǒng) 可才喿作以用于測(cè)量電流和/或電壓，優(yōu)選為電壓。
15. 如權(quán)利要求13或14所述的系統(tǒng)，其中所述校準(zhǔn)系統(tǒng)包括被 置于使得其軸線基本上與所述源的軸線平行的接收器。
16. 如權(quán)利要求13至15中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述^f交準(zhǔn)系 統(tǒng)包括被置于使得其軸線基本上與所述源的軸線垂直的接收器。
17. 如權(quán)利要求13至16中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其包括用于由所 述校準(zhǔn)測(cè)量和所述電場(chǎng)測(cè)量確定用于估計(jì)所述電-茲場(chǎng)測(cè)量中與所述 噪聲測(cè)量相關(guān)的分量的函數(shù)的部件，所述函數(shù)優(yōu)選為濾波器；使用優(yōu) 選為濾波器的所述函數(shù)與所述校準(zhǔn)測(cè)量以產(chǎn)生估計(jì)的噪聲分量，以及 從在所述接收器測(cè)得的電場(chǎng)中減去所述分量。
18. —種優(yōu)選地在數(shù)據(jù)載體或計(jì)算機(jī)可讀媒體上的計(jì)算機(jī)程序， 或處理器，其用于估計(jì)由例如電流雙極源或-茲力線圈等電磁源產(chǎn)生的 場(chǎng)的電磁測(cè)量中的噪聲，所述計(jì)算機(jī)程序或處理器適用于^使用從測(cè)量位置和;艮準(zhǔn)位置同時(shí)獲得的電場(chǎng)測(cè)量確定用于估計(jì) 所述電磁場(chǎng)測(cè)量中與噪聲相關(guān)的分量的函數(shù)，所述校準(zhǔn)測(cè)量基本上沒 有被所述源污染；以及使用所述函數(shù)和所述校準(zhǔn)測(cè)量確定所述估計(jì)的噪聲分量。
19. 如權(quán)利要求18所述的計(jì)算機(jī)程序或處理器，其適用于^v在 所述測(cè)量位置測(cè)得的電場(chǎng)中減去所述估計(jì)的噪聲分量。
20. 如權(quán)利要求1-19中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)、方法、計(jì)算機(jī)程序或 處理器，其中所述函數(shù)是時(shí)間相關(guān)函數(shù)。
21. 如權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)、方法、計(jì)算^L程序或 處理器，其中所述函數(shù)是時(shí)間無關(guān)函數(shù)。
全文摘要
一種用于由例如電流雙極或磁力線圈源等電磁源產(chǎn)生的場(chǎng)的測(cè)量中去除地物噪聲(cultural noise)的方法，該方法包括在場(chǎng)測(cè)量位置以及在靠近該場(chǎng)測(cè)量位置但在該源的零場(chǎng)中的校準(zhǔn)位置同時(shí)測(cè)量電磁信號(hào)；使用場(chǎng)測(cè)量和校準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算用于估計(jì)場(chǎng)測(cè)量中與地物噪聲相關(guān)的分量的濾波器；計(jì)算出的濾波器與校準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行卷積以產(chǎn)生估計(jì)的地物噪聲分量，以及從場(chǎng)測(cè)量中減去該分量。
文檔編號(hào)G01V3/12GK101506687SQ200780031351
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2007年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月24日
發(fā)明者A·齊奧爾科夫斯基, R·卡森 申請(qǐng)人:Mtem有限公司