大地电磁强噪声分离方法探究

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大地电磁测深法自20世纪50年代提出以来,以野外施工简便、垂向分辨能力和水平分辨能力大、探测深度高等优点,在探测地壳深部结构方面得到广泛应用,已逐渐成为地下水勘探、地震预报、油气普查、矿产资源勘查等领域不可或缺的重要方法之
一[1]。

然而,随着人类社会的发展,各种复杂的环境噪声及人文噪声对大地电磁信号的有效采集带来严峻挑战,导致在这些强噪声干扰源地区开展大地电磁测深面临巨大困难。

因此,对大地电磁强噪声干扰的类型及特点进行分析,以及研究合适的强噪声干扰压制方法,对改善大地电磁测深数据质量及获得无偏的阻抗估计具有非常重要的意义[2]。

1 大地电磁强噪声干扰类型及特点
大地电磁强噪声干扰可分为工频噪声干扰、地质噪声干扰和其他外界、观测系统
不稳定造成的噪声干扰[3]。

工频噪声干扰基本上产生于测点周围的人工电磁系统与环境特征,即由观测点附近不稳定的非平面波的电磁场噪声,比如无线电台、高压输电线、工业游散电流等
造成。

特别是在人口稠密的工业发达区,这
种干扰普遍存在,影响非常严重。

地质噪声指的是近地表电性不均匀体的一种干扰,该类噪声影响全频域资料的数据,严重时会造成静态效应,并对大地电磁数据的解释带来很大困难,同时也会给采集大地电磁原始资料造成不必要的影响。

对部分实测大地电磁资料进行观测可知,在高频(>1Hz)和低频(<1Hz)段均会受到强噪声干扰,特别是低频段的噪声干扰尤为严重。

这些噪声的能量往往是正常信号的几十倍甚至几个数量级,通常会造成视电阻率曲线部分频段整体上升,幅度接近或超过45°,视电阻率值由几十欧姆米快速上升至几万、几十万欧姆米甚至更高数值,而在超低频段视电阻率曲线往往迅速下降,这些现象一般表现为典型的近源效应。

研究大地电磁数据的时间序列可以发现,噪声干扰形状各异、种类繁多,无法将其细致区分,现仅能从大致波形的特征进行归类,比如脉冲噪声干扰、工频噪声干扰、三角波噪声干扰、方波噪声干扰、阶跃噪声干扰、似充放电衰减模式的三角波噪声干扰等类型。

这些噪声干扰类型其幅值
突跳明显,一般会导致电道或磁道数据的
曲线整体偏移严重、信噪比严重降低。

对上述噪声干扰的类型进行分析可知,短周期噪声一般只干扰高频数据,而长周期噪声则干扰范围极广,噪声波形的幅度往往会影响到中、高频段的数据,其宽度会影响到低频段的数据,但一般是以中、低频段的干扰最为强烈,这些强噪声干扰极大地降低了野外大地电磁观测数据的质量。

2 数学形态滤波
数学形态学是20世纪60年代兴起的基于随机集合论建立起来的一种非线性数学分析方法。

膨胀和腐蚀是数学形态学最基本的操作,在实际应用中更多的往往是它们的组合运算,比如开运算(先腐蚀后膨胀)和闭运算(先膨胀后腐蚀)。

结构元素则相当于滤波器的窗口根据目标信号中的形状特征来选择不同的结构元素类型,常见的结构元素类型有直线型、圆盘型、三角形、抛物线型以及其他多边形组合。

一般而言,一种结构元素对某一类噪声干扰具有较好的滤波效果。

而且,结构元素的组合形式越复
大地电磁强噪声分离方法探究①
崔旺 谭琼 钟屈
(湖南涉外经济学院信息科学与工程学院 湖南长沙 41
0205)
摘 要:本文分析了大地电磁强噪声干扰的类型及特点,采用数学形态滤波对大地电磁典型强噪声干扰进行了去噪研究,在Matlab环境下进行了仿真实验并对仿真结果进行了分析和评价。

关键词:大地电磁 强噪声 matlab 中图分类号:P631文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)02(c)-0005-02
①基金资助:湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划(湘教通[2011]272号)资助。

图1 实测电道数据形态滤波仿真效果图
(下转8页)
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网关、信令网关、智能终端、各种数据库/服务器以及承载网设备等。

N G N是一个实现了全面融合的网络,不但包括了电话网络,如P S T N,I S D N,还包括了数据网络,如ATM,IP等网络。

IP技术作为最成功的互联网分组应用技术,它的广大包容性也得到了最大的验证,在NG N网络中都采用全IP 网络作为承载网。

目前的传输数据网主要分为两个方向,SD H和传统的以太网交换机,SD H设备天生就是为传统的PST N和ISD N网络而生的,最小颗粒为2M可以很好的解决传统的语音业务,但是对于IP业务,尤其是大容量的以太网业务,其带宽非常有限,虽然MSTP也支持以太网单板,可以进行透传和二层交换,但单位bit的传输成本非常高,给投资方带来非常大的资金压力。

传统的以太网交换机虽然能很好的支持以太网业务,尤其是三层交换机具备很好的转发功能,但是一直没有很好的解决拥塞和延时的问题,所以至今纯数据设备还没有大规模的承载语音业务。

中兴通讯产品线也在充分研究用户网络需求的基础上,创造性的研发了IPTN产品系列,通过融合IP分组技术和光传送技术,为高效无线业务承载、多业务承载以及网络扁平化发展提供了最优解决方案、ZX CTN 6000基于分组架构,采用的技术M P L S-T P/M P L S及P W E3仿真技术,支持Ethernet、TDM等业务,全面满足全业务发展需求,降低网络TC O、此外PTN还提供端到端的Q o S管理。

充分保证不同业务对延迟、抖动、带宽的需求。

目前中兴通讯的IPTN产品已经在全球多家运营商实现了大规模商用,其中中兴通讯已经连续三次在中国移动PT N集中采购中取得综合排名第一,份额第一的好成
绩。

目前中兴通讯IPTN产品已经应用于国
内28个省市,在网应用数量达到10万余台。

本次选用P T N设备在现在传输网的基
础上额外搭建一个三点10GE环,作为软交
换系统的核心传送网络。

如图4所示。

5 准能公司EPON接入网解决方案
软交换最大的特点就是层次划分清晰
明朗,设备可以进行分布式部署,这点尤其
给接入网带来了很大的便利,可以根据用
户对业务的需求采用不同的接入方式,不
管什么样的接入方式,都不会影响到软交
换系统的部署。

根据准能公司的实际情况,
要求每个信息点都要部署语音业务,宽带
数据业务和C A T V业务,采用E P O N的接入
方式,可以在一张网上实现三网合一,从而
达到节省接入网的建设成本,避免重复投
资和后期分开运营带来的高额维护成本。

6 整体解决方案
根据实际需求,本次采用FTTH的设计
模式,每户放置一个EP ON终端,每个楼宇
里放置1∶32分光器,具体数量根据每栋楼
用户数来确定。

根据统计,所有小区都在中
心局方远10公里以内,可以把O LT放置在
中心局机房内,以方便UPS的部署。

共需要
分光器237个,如果采用一级分光,则需要
237个P ON口,选用大容量OL T设备ZX A10
C300,每块单板可以提供OL T端口8个,则
需要30块PON板,每个C300机框最多能容
纳14块PON板,所以需要配置3个机框。

根
据实际用户数量每个楼道放置一到两个分
光器。

EPO N终端自带蓄电池,最大可以支
持9小时断电工作。

除必要的语音业务、宽
带及C A T V以外,E P O N还可以承载视频监
控、工业生产所需的调度管理设备、工业控
制设备及其他IP类业务。

7 结语
软交换的出现为下一代网络注入了生
机和活力,该技术的开放体系结构概念已
经获得业界的普遍认同,运营商希望通过
这样的系统以较低的成本更灵活快速地推
广新业务,达到网络的快速部署、灵活覆盖
的目的。

终端用户在这个平台上可以享受
各种优质、高效、双向的交互式业务服务,
如电子邮件、视频点播、会议电视等等,三
网融合真正实现了将语音、数据、视频在同
一条线上进行传输。

未来家庭将以FT TH方式实现多元化
管理,F TT H是一个具有高带宽、可扩展和
多业务承载的开放性数字化接入网平台,
它可以实现电话、数据和有线电视信号的
接入,满足用户对固定电话、数据宽带和有
线电视的自由选择和接入的需求。

此外,小
区智能化管理的各种系统都可以便利地叠
加在FTTH数字化社区网络平台上,包括小
区安全监控系统、周界报警系统、电子巡更
系统、可视对讲系统、家庭监控和自动控制
系统、小区IC卡系统、门禁系统和车辆管理
系统等。

相信到那时人们的生活正式步入
数字化、网络化和智能化,各种新型通讯产
品进入千家万户,丰富充实人们的工作、学
习和生活。

参考文献
[1]杨放春,孙其博.软交换与IMS技术[M].
北京:邮电大学出版社,2003.
[2]张中奎.接入网技术[M].北京:人民邮
电出版社,2003.
杂,对噪声干扰的分离效果就越好,同时,算法消耗的时间也就越多。

采用结构元素、开运算和闭运算就可以组合成形态滤波器,Maragos采用同一类型及大小的结构元素,将开运算和闭运算已不同的顺序进行了级联组合,构建了经典的形态开-闭和形态闭-开滤波器,分别用来滤除目标信号中的正、负脉冲噪声干扰。

不同的形态学算法的组合将产生不同的效果,数学形态滤波的优势就在于,不需要考虑噪声的类型,只要选择与目标信号相匹配的结构元素,设计出合适的滤波器,就能较好地还原出目标信号的原始特征,且运算速度很快[4]。

对实际测量的电磁场时间序列进行分析可知,由于大地电磁信号是无源的,因此我们无法确定哪些是纯净的大地电磁信号,但从采集的大地电磁时间域波形上却可以基本认定哪些不是有效的大地电磁信号。

只要能设计出合适的形态滤波器,将这些确定不符合大地电磁场特征的异常信号提取出来,并从原始信号中进行剔除,就可以分离出基本纯净的大地电磁信号,然后进行阻抗估算,即可求出该测点的视电阻率值和相位值。

3 计算机仿真与分析
为了进一步验证形态滤波在大地电磁
强噪声干扰中的去噪效果,我们选取实测
信号中有典型干扰的信号在Matlab环境下
进行了仿真实验。

图1所示为一段实测电道
数据采用9点直线型结构元素进行数学形
态滤波的仿真效果图。

从图1可知,实测大地电磁电道数据中
包含有大尺度的方波噪声干扰,这些方波
噪声干扰的幅值最大达到10000,而有用的
大地电磁信号幅值非常微弱,即强噪声干
扰的能量幅值远大于正常大地电磁有用
信号。

含强噪声干扰的实测大地电磁信号
通过设计的形态滤波器进行形态滤波处
理,从仿真效果图可知,上述含大尺度的
方波噪声干扰几乎被完全滤除,正常的大
地电磁有用信号得到了很好地体现。

因
此,实验结果表明,选取合适的结构元素
构建数学形态滤波器,可以有效地滤除实
测大地电磁信号中含大尺度、能量幅值高
的强噪声干扰,从而有效改善大地电磁数
据的质量,提升数据资料的品质。

在包含
有类似噪声干扰的地区开展大地电磁测
深工作,该方法具有非常广阔的应用价
值。

4 结语
本文介绍了大地电磁强噪声干扰类型
的特征及数学形态滤波在该领域中的去噪
方法,进行了仿真实验,仿真结果表明:该
方法对包含有大尺度且具有典型形态特征
的强噪声干扰具有一定的噪声抑制能力。

由于野外大地电磁测深工作面临的噪声源
干扰众多,导致大地电磁强噪声干扰的类
型复杂多样,在强噪声干扰背景下,研究如
何提取出含微弱的大地电磁有用信号仍有
许多工作有待完善。

参考文献
[1]刘国栋,陈乐寿.大地电磁测深法研究
[M].北京:地震出版社,1984.
[2]张全胜,王家映.大地电磁测深资料的
去噪方法[J].石油地球物理勘探,2004,
39(11):17-23.
[3]苏朱刘,胡文宝,张翔.电磁资料中的物
理去噪法[J].工程地球物理学报,2004,
1(2):110-115.
[4]胡爱军,唐贵基,安连锁.基于数学形态
学的旋转机械振动信号降噪方法[J].机
械工程学报,2006,42(4):127-130.
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