EH4儀器阻抗估算技術缺陷分析

腰善叢

（核工業北京地質研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029）

EH4儀器阻抗估算技術缺陷分析

腰善叢

（核工業北京地質研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029）

基于StrataGem（EH4）大地電磁測量儀的實測數據，剖析了該系統計算阻抗過程（IMAGEM軟件完成）中兩個重要不足。一個是以常相干度為工具控制由機械疊加形成的原始譜而計算互功率譜過程，容易造成放大單個原始譜點在互功率譜計算中的作用，也可能舍棄了許多有用信息；另一個是以最小二乘算法估算阻抗容易造成所估算的阻抗不穩定。

EH4；互功率譜；疊加；阻抗估算

StrataGem系統（EH4）是目前國內AMT測量的重要設備之一。該設備在時序資料采集與處理過程中，采用多次觀測、疊加方法提高信噪比，提高阻抗估算可靠程度，這些功能依靠所配置的IMAGEM軟件完成。該軟件在多次疊加基礎上，以常相干度為工具篩選原始譜，形成互功率譜文件，最終以經典最小二乘算法估算阻抗。但在上述處理過程中，無論是原始譜篩選步驟，還是阻抗估算算法，都存在很大弊端。以常相干度為工具篩選原始譜進行功率譜計算會導致許多觀測數據不能發揮作用；最小二乘算法會使阻抗估算不穩定。本文以實例討論IMAGEM軟件在處理阻抗估算中的不足，旨在便于實際應用中對相關問題能引起高度重視。

1 譜疊加過程中的不足

StrataGem系統時序數據由段組成，每個段由3個數據塊（單元）構成，每個數據塊存儲以一定采樣率連續采集4 096個數據。為提高觀測質量，每個AMT測點進行多次重復觀測。

阻抗估算過程自時序數據變換到頻域開始，形成功率譜資料，而后進行阻抗估算。IMAGEM對多次觀測的原始譜進行機械相加，在此基礎上以常相干度為工具控制原始譜是否納入到與該原始譜頻率相關頻點的功率譜計算中。但是，這種篩選原始譜的計算方法有許多不足，存在著放大質量不佳數據段的隱患。下面以2005年所采集的松遼盆地M4號測量剖面的第1號測點實測數據為例進行具體討論，時序文件名為ym4.001。為方便討論，以表格形式說明觀測數據疊加過程。

在表格中，頻率列表示功率譜的頻率；每段的一個數據單元相當于一次獨立觀測；參與運算頻點個數是某一頻點的功率譜所包含的原始譜頻點數目；互譜文件（功率譜）中疊加次數表示計算某一頻點的功率譜時參與運算的獨立觀測次數；數據塊號表示時序文件中的不同段及其中的數據單元。

表1所展示的結果是毫無疑問的，因為2個復數按常相干度公式運算的相干度為1。這就遇到一個揮之不去的問題：第1、第2次獨立觀測在一般情況下都要參與到互譜運算中去，即使第1、第2次獨立觀測的數據質量很差（本例中使用手動選頻編輯方法，使第1段第1塊數據不參與運算），這是該軟件處理資料的硬傷之一。

對比表2和 表3，725 Hz頻點的參與運算疊加次數由3次突增至12次、參與互譜運算的原始譜頻點由1個突增至3個，原因僅僅為一次獨立觀測把原始譜相鄰頻點的常相干度數值提升了。這意味著放大了一次獨立觀測的作用。

對比表3和4，其結果類似于表2和 3對比情況。587.5 Hz頻點因增加一次疊加，使參與運算的獨立觀測次數由4次增加到10次；而412.5 Hz頻點因增加一次疊加，使參與運算的原始頻點由2個縮減為1個，這就造成了觀測次數增加反而使參與運算的頻點減少，這是不正常的。表5的結果則延續了表4的結果。

表1 2次獨立觀測疊加Table 1 Stack of two-time independent observation

表2 3次獨立觀測疊加Table 2 Stack of three-time independent observation

表3 4次獨立觀測疊加Table 3 Stack of four-time independent observation

表4 5次獨立觀測疊加Table 4 Stack of five-time independent observation

表5 6次獨立觀測疊加Table 5 Stack of six-time independent observation

根據EH4阻抗估算過程中功率譜文件結構，當標定頻率介于100～1 000 Hz時，功率譜頻點遞增步長為12.5 Hz；當采樣率為12 kHz時，功率譜單個頻點則至少含有3個頻點的原始譜互譜信息。而上面所列出的幾張表中，IMAGEM所處理的結果使大部分的互譜頻點僅含有很少的原始譜頻點數，放棄了已經采集到的可用信息。

上述實例說明IMAGEM軟件在處理譜疊加過程中存在兩個極端現象：IMAGEM處理方案可能放大單個原始譜點的作用，也可能舍棄了許多有用信息。

2 IMAGEM阻抗估算結果的不穩定性

在阻抗最小二乘估算過程中，阻抗值由電、磁場的自、互功率譜計算而得。在前面的討論中了解到IMAGEM在運算過程中所采用的策略可能使單次觀測放大或縮小譜疊加數量。這僅僅是該處理過程中不足的一個方面；這種處理過程可能會導致后續處理過程采用的最小二乘算法計算阻抗引起的更大偏差與不穩定。最小二乘算法估算阻抗本身具有無法避免的缺陷，而該算法所直接導入的參數是電、磁場的互功率譜值。這樣則會使利用互功率譜值所估算出的阻抗更不穩定，下面給出一個實例。

圖1 M4線170號測量點視電阻率及相位度圖Fig.1 Apparent resistivity and phase curves of site No.170 of the profile M4

圖1是M4號剖面的170號測量點經過手工挑選時間序列處理后的視電阻率與相位圖。如果在挑選時間序列的過程中選入一屏（一個數據單元）帶干擾信息（圖2），則結果會出現很大變化。圖3就是M4的170號測量點選進了圖2的時間序列信息參與運算，造成該點阻抗曲線中、低頻段抖動。

圖2 一個數據單元的時序圖（170號測點）Fig.2 Time-serialplotofonedatablockofsite No.170

圖3 M4線170號測量點選入圖2時序的視電阻率及相位圖Fig.3 Apparent resistivity and phase curves of site No.170 of the profile M4（Adding Fig.2’s time-serial data）

3 結 論

通過實例，反映了IMAGEM估算阻抗過程所采用的方法技術給出的結果是不穩定的。而IMAGEM在處理過程中，在互功率譜計算方面有如下兩個方面的不足：（1）由時序資料經FFT變換后，形成原始譜。多次重復觀測疊加形成的原始譜是單次原始譜的機械相加過程，沒有經過甄別。（2）形成互功率譜時，以常相干度為依據對所屬頻點的原始譜進行篩選，容易造成過度依賴某個頻點的原始譜，也可能使一些質量較好的觀測數據不能納入到運算中，使觀測資料浪費，導致重復觀測目標落空。

最小二乘算法估算大地電磁阻抗是一種快速估算方法，其實質是通過電磁場的互功率譜估算出阻抗參數。但是，即使互功率譜估算結果可靠，最小二乘算法仍可能給出較大偏差，這是由該算法的固有不足決定的［1］。

解決這些要依靠近些年發展起來的穩健（Robust）阻抗估算算法，克服上面所列舉的不穩定問題與放大某次觀測在計算所占權重的問題。

［1］ Gary D Egbert， John R Booker.Robust estimation of geomagnetic transfer functions［J］.Geophys.J.R.satr.Soc， 1986， 87:173-194.

Analysis on the deficiencies of impedance estimation process in EH4 instrument’s IMAGEM

YAO Shan-cong
（CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

Based on the field time-serial data acquired by the EH4 instrument，the thesis analyzed the deficiencies of the impedance estimation process by IMAGEM software.One occurs in the process to calculate the cross-power under the control of scalar coherence from raw cross-power stacking without sifting，by enlarging the weight of certain single raw cross-power’s frequency data in the whole crosspower data and resulted in the getting rid of other reliable raw cross-power’s frequency data.The other one is instability of the impedance estimated by the LS method.

EH4； cross-power spectra； stack； impedance estimation

P631

A

1672-0636（2012）01-0031-04

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.01.005

2011-11-08；

2011-12-12

腰善叢（1973—），男，河南南陽人，高級工程師，碩士，主要從事地球物理勘探工作。E-mail:shancongyao@bbn.cn