音頻大地電磁法強(qiáng)干擾壓制試驗(yàn)研究

湯井田，劉子杰，劉峰屹，肖曉＊，李晉，3，張林成，謝勇

1中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083

2中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083

3湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院，長沙 410081

4長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410124

1 引言

大地電磁法（Magnetotelluric，MT）自20世紀(jì)50年代提出以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展其在理論方法、儀器設(shè)備等方面都取得了長足的進(jìn)步（魏文博，2002），目前已經(jīng)成為一種重要的地球物理勘探方法.音頻大地電磁法（Audio Magnetotelluric，AMT）是在MT的基礎(chǔ)上提出來的，其工作方法、觀測參數(shù)與MT基本相同；AMT的場源為天然音頻電磁場，頻率較MT高（李金銘，2005）.由于天然場具有信號微弱、極化方向隨機(jī)等特點(diǎn)（考夫曼和凱勒，1987），極易受到其他電磁噪聲的干擾.因此在大地電磁法的發(fā)展過程中，噪聲壓制一直是地球物理學(xué)者所關(guān)注的問題.為此國內(nèi)外研究人員提出了一系列的方法，比如互功率譜法、Robust估計(jì)、遠(yuǎn)參考方法、小波變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）等等（Goubau et al.，1978；Gamble et al.，1979；Egbert and Booker，1986；范翠松等，2008；范翠松，2009），這些方法對壓制非相關(guān)噪聲取得了一定的效果，但也存在一定的問題，如經(jīng)過遠(yuǎn)參考處理之后的數(shù)據(jù)誤差棒變大，Robust估計(jì)無法消除輸入端噪聲且對近源噪聲去除效果不佳（湯井田等，2012b），小波變換嚴(yán)重依賴于其基函數(shù)的選取，EMD無法揭示每時段的頻率特性和能量差異所具有的細(xì)微性變化，分解得到的固有模態(tài)函數(shù)（IMF）具有多分辨性（湯井田等，2012b）等.特別是在礦集區(qū)，噪聲干擾通常為相關(guān)噪聲，具有強(qiáng)度大、類型復(fù)雜等特點(diǎn)，這些方法基本上沒有效果.因此目前針對礦集區(qū)強(qiáng)干擾噪聲的壓制仍然存在一定的局限性，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究解決.

針對礦集區(qū)存在的強(qiáng)干擾，課題組進(jìn)行了較深入的研究，提出了數(shù)學(xué)形態(tài)濾波的方法，并運(yùn)用到實(shí)測MT數(shù)據(jù)的去噪處理中，取得了明顯效果.本文在此基礎(chǔ)上，將數(shù)學(xué)形態(tài)濾波和閾值法相結(jié)合，應(yīng)用于含有強(qiáng)干擾噪聲的AMT數(shù)據(jù)處理中，開展了實(shí)際試驗(yàn).以“已知”的含噪數(shù)據(jù)和“無噪”數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行時間域去噪處理，從多方面對處理結(jié)果進(jìn)行分析評價.結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)元素恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形態(tài)濾波方法可以對人工源強(qiáng)干擾進(jìn)行識別、去除，閾值法則可以消除形態(tài)濾波后的脈沖干擾，二者結(jié)合可以有效壓制AMT中的強(qiáng)干擾噪聲，提高數(shù)據(jù)可靠性.

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)地區(qū)位于四川省西昌市境內(nèi)，圖1為具體的野外試驗(yàn)布置圖.圖中AB為人工發(fā)射源，長度1.2km.1、2、3線為CSAMT的3條測線，ASY0002B為AMT試驗(yàn)點(diǎn)，距離發(fā)射源約1.2km.經(jīng)現(xiàn)場踏勘和調(diào)查，AMT試驗(yàn)點(diǎn)周圍無明顯電磁干擾源，對該點(diǎn)AMT數(shù)據(jù)的分析和處理結(jié)果（圖3）也表明其受到的干擾很小，可以作為試驗(yàn)的參考點(diǎn).試驗(yàn)儀器為加拿大鳳凰公司的MTU－5A和V8發(fā)射系統(tǒng).

AMT數(shù)據(jù)采集中采用“十”字形布極方式，一組電極平行于AB，另一組與之垂直，磁棒布置在不同的象限內(nèi)（圖1）.在人工源發(fā)射源的工作期和間歇期，連續(xù)地采集電磁場信號，記錄時間域的電磁場波形，總觀測時間約2.9h，其中受發(fā)射源干擾的時間有兩個時間段，共計(jì)約1.3h.發(fā)射源長度1.2km，按頻率表自動地發(fā)送不同頻率（8192～0.125Hz）的方波電流，共計(jì)31個頻率，低頻電流約20A，高頻電流約7A.數(shù)據(jù)采集過程中有雷電現(xiàn)象發(fā)生.

圖1 測點(diǎn)ASY0002B野外布置圖（坐標(biāo)軸單位為m）Fig.1 The field layout at site ASY0002B

圖2、3分別為試驗(yàn)點(diǎn)電磁場的時間域波形和估計(jì)的視電阻率－相位曲線.由圖2a可以看出，在發(fā)射源的間歇期，電磁場時間域波形類似于平穩(wěn)的隨機(jī)信號，且振幅小、能量弱，具備天然場信號的特征.其中存在的一些脈沖干擾，其幅值小，且無規(guī)律性可言，屬于隨機(jī)干擾，可能是近區(qū)雷電及游散電流所致.圖2b為發(fā)射源工作期的電磁場時間域波形，其中存在明顯的大尺度、周期性的類階躍波和類充放電波形，且能量強(qiáng)，振幅大，正常的天然場信號基本被完全淹沒，極大降低了信噪比.雖然我們并不能準(zhǔn)確地界定天然電磁場的波形及特征，但這類振幅大、波形規(guī)則、有一定周期性的電磁場顯然不會是天然的電磁場信號.經(jīng)與圖2a及發(fā)射源記錄的電流波形對比，可以確認(rèn)這類電磁場應(yīng)該是人工源的強(qiáng)電磁干擾.需要說明的是，圖2a顯示的雖然是TS4（采樣率150Hz）中記錄的低頻信號，但TS3（采樣率2400 Hz）和TS2（采樣率24000Hz）中記錄的中高頻段數(shù)據(jù)中同樣存在類似的干擾，只是因發(fā)射電流小，其強(qiáng)度較低頻的弱.

圖3為測點(diǎn)的視電阻率－相位曲線.由圖3a可以看出，測點(diǎn)的視電阻率和相位曲線在中、低頻（約200Hz以下）受到了嚴(yán)重的干擾，曲線存在大量“飛點(diǎn)”，數(shù)據(jù)離散，連續(xù)性差，形態(tài)不明確，相位受到的干擾情況較視電阻率弱；在XY方向，其視電阻率在200Hz左右出現(xiàn)嚴(yán)重脫節(jié)，在200～3Hz頻段其出現(xiàn)整體抬升，而在3～0.35Hz其大體形態(tài)呈約45°上升趨勢；相位曲線在3Hz以下呈現(xiàn)整體下掉趨勢，多數(shù)頻點(diǎn)趨近于0°，與CSAMT中的近區(qū)效應(yīng)相同；在YX方向，自200Hz以下視電阻率和相位曲線跳變嚴(yán)重，無基本形態(tài).其高頻段受干擾較小，曲線比較光滑，形態(tài)明確，只是在1000Hz左右由于處于“死頻帶”范圍之內(nèi)（Garcia and Jones，2005），YX方向的視電阻率曲線連續(xù)性相對較差.圖3b為無人工源干擾時間段的視電阻率－相位曲線，在該時間段內(nèi)曲線比較連續(xù)、光滑，數(shù)值穩(wěn)定，低頻相對來說存在一些輕微跳變，這可能是由于存在的隨機(jī)干擾的影響，處于“死頻帶”內(nèi)的視電阻率出現(xiàn)“飛點(diǎn)”、連續(xù)性相對較差.

值得注意的是，圖3a中高于200Hz的視電阻率及相位曲線光滑、連續(xù)、誤差棒小，與圖3b中相同頻段的曲線特征相似，基本沒有受到人工源信號的畸變.對于本次試驗(yàn)，收發(fā)距為1.2km，該地區(qū)的高頻電阻率約120Ωm，200Hz的電磁波的趨膚深度約為360m，基本處于發(fā)射源的遠(yuǎn)區(qū).因此，可以認(rèn)為，對于處于發(fā)射源遠(yuǎn)區(qū)的高頻段AMT數(shù)據(jù)，即使電磁場波形受到影響，但視電阻率和相位也基本不受影響.因此，在壓制強(qiáng)干擾的各種處理中，可以只對中低頻段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

圖2 測點(diǎn)ASY0002B時間域波形（采樣率為150Hz）（a）未受人工源干擾時間段；（b）受人工源干擾時間段.縱軸為振幅，下同.Fig.2 Time series segments with a sampling rate of 150Hz at site ASY0002B（a）A segment without controlled－source noise；（b）A segment include controlled－source noise.

圖3 測點(diǎn)ASY0002B視電阻率－相位曲線（a）全時段；（b）無人工源干擾時間段.Fig.3 Apparent resistivity and phase curves at site ASY0002B（a）Calculated by all collecting data；（b）Calculated by data segment without controlled－source noise.

3 人工源壓制方法和效果評價

此次試驗(yàn)工作是在課題組對MT信號研究工作的基礎(chǔ)上開展的，在以前的處理過程中只是利用數(shù)學(xué)形態(tài)率波進(jìn)行處理，并沒有與其他處理手段相結(jié)合.針對此次的AMT試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于噪聲強(qiáng)度大，經(jīng)形態(tài)濾波之后保留了大量的脈沖干擾，因此作者利用閾值法對脈沖信號進(jìn)行去除，這是此次處理相對于以往MT處理中的不同之處.通過前文對人工源干擾的分析可知，AMT數(shù)據(jù)的中低頻數(shù)據(jù)受到了嚴(yán)重的干擾，而高頻數(shù)據(jù)由于位于遠(yuǎn)區(qū)，受到干擾較小，因此在時間去噪處理過程中，只處理中低頻數(shù)據(jù)，高頻數(shù)據(jù)仍采用原始數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性.針對處理效果，作者利用視電阻率－相位曲線、頻譜、極化方向等多個參數(shù)進(jìn)行了評價.

3.1 數(shù)學(xué)形態(tài)濾波

數(shù)學(xué)形態(tài)濾波（Mathematical Morphology Filtering）是一門綜合了多種學(xué)科的交叉學(xué)科，近些年廣泛應(yīng)用于信號處理方面.其基本思想是通過集合來描述目標(biāo)信號，通過各個部分之間的聯(lián)系說明目標(biāo)信號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)元素來提取有效信息，利用其對信號幾何特征的匹配或修正，同時保留目標(biāo)信號的主要形狀，以達(dá)到抑制去除干擾噪聲的目的.通過課題組和前人的研究結(jié)果表明，數(shù)學(xué)形態(tài)濾波針對典型大尺度強(qiáng)干擾有較好的抑制能力，其方法運(yùn)算簡單、快速，可并行計(jì)算（湯井田等，2012a，b；李晉，2012；湯磊等，2013）.有關(guān)該方法的詳細(xì)原理和處理步驟可參閱李晉博士論文（2012），在此不再贅述.

由于形態(tài)濾波是基于信號的形狀對信號進(jìn)行處理的，每個采樣點(diǎn)的結(jié)果取決于相應(yīng)信號的采樣點(diǎn)及其臨界值，因此在進(jìn)行去噪處理過程中，結(jié)構(gòu)元素的選取是十分關(guān)鍵的一步.選擇合適的結(jié)構(gòu)元素的類型和尺寸能較好地獲取噪聲信號的輪廓，還原天然場信號的原始特征.在課題組以往對MT信號的研究中發(fā)現(xiàn)（湯井田等，2012a，b，c；李晉，2012），拋物線型的結(jié)構(gòu)元素對充放電型的強(qiáng)干擾有較好的識別效果，重構(gòu)的MT信號較平穩(wěn)，且保留了豐富的細(xì)節(jié)成分.針對此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的信號特征，由于其強(qiáng)干擾類型主要為充放電干擾，不存在其他類型的強(qiáng)干擾，且相對于 MT信號，AMT信號的頻率較高，所以在結(jié)構(gòu)元素寬度的選擇上較MT的小，因此在結(jié)構(gòu)元素的選取方面作者采用寬度合適的拋物線型結(jié)構(gòu)元素.在進(jìn)行處理的過程中，由于在可控源發(fā)送機(jī)未工作的時間段內(nèi)其時間域信號平穩(wěn)，除了受到少量脈沖干擾之外，并未受到其他強(qiáng)干擾，因此作者只針對受人工源干擾時間段進(jìn)行處理，未受人工源干擾的時間段仍采用原始數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的可靠性.圖4與圖5分別為測點(diǎn)受人工源干擾時間段經(jīng)三點(diǎn)和五點(diǎn)拋物線型結(jié)構(gòu)元素?cái)?shù)學(xué)形態(tài)濾波處理之后的時間域信號，選取的時間段與圖2b相同.對比三點(diǎn)和五點(diǎn)拋物線型濾波結(jié)果可以看出：相對于原始信號，二者都對大尺度的噪聲干擾進(jìn)行了有效壓制，都可基本消除干擾波形的形態(tài)，但三點(diǎn)拋物線型的處理效果相比于五點(diǎn)拋物線型較好，干擾噪聲幅值降低為原始信號的1／3，這是由于五點(diǎn)拋物線型結(jié)構(gòu)元素寬度較大，對干擾波形的輪廓不能有效識別，造成信號失真度增大，所以在此作者采用三點(diǎn)拋物線型濾波結(jié)果.需要說明的是，由于目前形態(tài)濾波的處理方法還沒有實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)元素的自適應(yīng)選取，因此在處理過程中采用統(tǒng)一的三點(diǎn)拋物線型結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行處理.因?yàn)闀r間域的干擾為不同頻率的充放電噪聲干擾，其在時間域信號中的寬度也不相同，這就導(dǎo)致部分噪聲經(jīng)過處理之后在其邊緣保留了脈沖干擾，且幅值相對于正常信號較大.

此外，由于數(shù)學(xué)形態(tài)濾波的濾波效果主要取決于結(jié)構(gòu)元素的類型和長度，而在實(shí)測AMT數(shù)據(jù)中往往會存在多種類型的噪聲干擾，不會如試驗(yàn)數(shù)據(jù)一樣干擾單一、明確，因此需要根據(jù)具體的干擾類型和強(qiáng)度進(jìn)行分析.針對不同類型的干擾需要選取合適的結(jié)構(gòu)元素類型，其應(yīng)與干擾波形存在一定的相似性，比如矩形元素對類方波干擾有較好的識別效果，而三角波干擾則可選取三角形結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行壓制等；對于結(jié)構(gòu)元素的長度則需根據(jù)干擾波形寬度進(jìn)行選取，其長度應(yīng)小于或等于干擾波形長度，而其長度過大時有可能無法獲得干擾波形的輪廓，致使信號失真.

3.2 閾值法

針對經(jīng)過形態(tài)濾波之后部分信號存在的脈沖干擾，需要利用閾值法去除，進(jìn)一步降低噪聲干擾的強(qiáng)度，提高信噪比.在閾值的選取方面，需要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)以獲得更為理想的效果.圖6和圖7分別為選取不同閾值處理之后的時間域波形，閾值處理前的數(shù)據(jù)采用三點(diǎn)拋物線型結(jié)構(gòu)元素濾波結(jié)果，與圖4、圖2b的選取時間段相同.對比二者可以看出，選取全時段的時間域信號絕對值的算數(shù)平均值作為閾值對脈沖信號的壓制效果較好，由于干擾波形的幅值與天然場相距非常大，若采用干擾時間段的均值作為閾值則其保留的脈沖干擾仍得不到有效壓制.因此作者最后采用全時段信號絕對值的算術(shù)平均值作為閾值，針對大于閾值的信號采用閾值代替，其他仍保留原值.可以看出，此時對于圖4中存在的脈沖信號得到了很好地壓制，從中提取到了正常穩(wěn)定的天然場信號.

圖4 測點(diǎn)ASY0002B受人工源干擾時間段經(jīng)三點(diǎn)拋物線型結(jié)構(gòu)元素形態(tài)濾波后的時間域波形（采樣率為150Hz）Fig.4 Mathematical morphology with 3points parabola processing result of time series segments including controlled－source noise with a sampling rate of 150Hz at site ASY0002B

圖5 測點(diǎn)ASY0002B受人工源干擾時間段經(jīng)五點(diǎn)拋物線型結(jié)構(gòu)元素形態(tài)濾波后的時間域波形（采樣率為150Hz）Fig.5 Mathematical morphology with 5points parabola processing result of time series segments including controlled－source noise with a sampling rate of 150Hz at site ASY0002B

圖6 測點(diǎn)ASY0002B受人工源干擾時間段形態(tài)濾波和閾值處理后的時間域波形（采樣率為150Hz，形態(tài)濾波取3點(diǎn)拋物線，閾值取全時段算術(shù)平均值）Fig.6 Mathematical morphology and threshold processing result of time series segments including controlled－source noise with a sampling rate of 150Hz at site ASY0002B（The structural element of mathematical morphology is 3 points parabola，the threshold is arithmetic mean value of all time）

圖7 測點(diǎn)ASY0002B受人工源干擾時間段形態(tài)濾波和閾值處理后的時間域波形（采樣率為150Hz，形態(tài)濾波取3點(diǎn)拋物線，閾值取干擾時段算術(shù)平均值）Fig.7 Mathematical morphology and threshold processing result of time series segments including controlled－source noise with a sampling rate of 150Hz at site ASY0002B（The structural element of mathematical morphology is 3 points parabola，the threshold is arithmetic mean value of time with controlled－source noise）

經(jīng)過上述處理分析可知，對于AMT數(shù)據(jù)而言，運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波進(jìn)行強(qiáng)干擾壓制是合理的、有效的；在結(jié)構(gòu)元素的選擇方面要根據(jù)干擾的類型和尺度進(jìn)行試驗(yàn)，選取合適的結(jié)構(gòu)元素；在閾值的選取方面要根據(jù)干擾信號的強(qiáng)度、干擾信號所占的比例等各項(xiàng)條件進(jìn)行綜合考慮.此次針對受到強(qiáng)干擾的原始時間域信號在經(jīng)過數(shù)學(xué)形態(tài)濾波和閾值處理之后，有效地去除了其中存在的大尺度的干擾噪聲，從中提取出了穩(wěn)定的天然場信號，提高了數(shù)據(jù)的信噪比，這就為后續(xù)的阻抗估計(jì)和視電阻率－相位的計(jì)算提供一個可靠的保障.

3.3 處理效果評價

在本文中作者利用視電阻率－相位曲線、頻譜以及極化方向等多個參數(shù)對處理效果進(jìn)行了分析評價.

3.3.1 視電阻率－相位曲線

圖8a為處理之后的視電阻率－相位曲線，對比圖3可以看出，處理后的曲線在沒有經(jīng)過功率譜挑選的情況下，相對于圖3a來說已經(jīng)基本消除了其存在的問題，中低頻數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了明顯的提高，曲線比較光滑、連續(xù)，近源效應(yīng)也得到了有效壓制，處理后的曲線與無干擾時間段的曲線相比十分接近；圖9給出了處理前后的視電阻率－相位相對誤差曲線，對處理結(jié)果進(jìn)行定量分析，由圖可以看出在高中頻（除“死頻帶”數(shù)據(jù)之外）二者相對誤差基本上小于10%，而低頻數(shù)據(jù)中個別頻點(diǎn)由于受到的干擾比較嚴(yán)重，相對誤差較大，說明此次的處理效果明顯，大幅提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量.此外，在XY方向1000Hz左右存在的脫節(jié)現(xiàn)象，經(jīng)過簡單的功率譜挑選之后可以得到恢復(fù).這也說明通過形態(tài)濾波和閾值處理，有效地去除了人工源強(qiáng)干擾，恢復(fù)了原有的曲線形態(tài)，可以提供真實(shí)的地下介質(zhì)構(gòu)造信息.

3.3.2 頻譜

頻譜分析是一種有效地判別噪聲干擾的方法.傅里葉變換是最基本的時頻分析方法，但它存在一定的局限性，即不能同時提供時頻信息；而小波變換能將交織在一起的不同頻率組成的混合信號分解成不同頻率的信號塊，通過伸縮和平移運(yùn)算對信號進(jìn)行多尺度分析，具有較高的分辨率，因而能有效地應(yīng)用于信噪分離（范翠松等，2008；湯井田和何繼善，2005）.本文即采用小波變換對信號進(jìn)行頻譜分析.圖10為測點(diǎn)TS4文件（采樣率150Hz）未受干擾時間段、受干擾時間段以及處理之后的Ex、Hy的頻譜對比結(jié)果，由圖可以看出在未受干擾時間段，頻譜光滑，無毛刺，符合天然場的基本特性；在受到干擾時間段的頻譜其幅值有了明顯的增大，在舒曼諧振等頻點(diǎn)存在的局部極值被干擾信號淹沒，高頻段更加光滑，特別是在中低頻其受干擾的程度更加明顯，其頻譜出現(xiàn)多個極值，跳變嚴(yán)重；在經(jīng)過處理之后，有效地降低了頻譜的幅值，其舒曼諧振等局部極值也有所呈現(xiàn)，由于干擾所導(dǎo)致的嚴(yán)重跳變在經(jīng)過處理之后也得到了明顯的壓制，頻譜幅值更加合理；但二者之間仍存在一定差異，這是由于處理之后的時間域信號仍保留了一些小尺度的干擾，其中50Hz處出現(xiàn)的極大值可能是由于引入了人工虛假噪聲導(dǎo)致的，但對整體效果影響不大.

圖8 測點(diǎn)ASY0002B視電阻率－相位曲線（a）處理后；（b）無人工源干擾時間段.Fig.8 Apparent resistivity and phase curves at site ASY0002B（a）After processing；（b）Calculated by data segment without controlled－source noise.

圖9 測點(diǎn)ASY0002B處理前后視電阻率（a）、相位（b）相對誤差曲線Fig.9 The relative error curves of apparent resistivity（a）and phase（b）at site ASY0002Bbefore and after processing

圖10 處理前后頻譜對比圖（a、b）未受人工源干擾時間段的頻譜；（c、d）受人工源干擾時間段頻譜；（e、f）受人工源干擾時間段處理后的頻譜.Fig.10 The comparison chart of spectrum in before and after processing（a，b）With no controlled－source noise；（c，d）With controlled－source noise；（e，f）After processing.

3.3.2 極化方向

電磁場極化方向也是評價電磁場受干擾程度的一個重要指標(biāo)（Weckmann U.et al.，2005；張弛，2013），由于天然場由不同的源激勵生成，因此其電磁場的極化方向也是隨機(jī)的，隨著時間的變化表現(xiàn)出無規(guī)律性，無序性；而受到噪聲干擾時，其極化方向角度應(yīng)比較集中.圖11是處理前后電磁場的極化方向圖，由圖11（a、b）可知：在未受到干擾的時間段內(nèi)，電磁場的極化角度是隨機(jī)的、無序的，符合天然場極化方向的基本特征；而在干擾時間段內(nèi)其極化角度比較集中，可以近似為一條直線，電磁場極化角度在8Hz時主要集中在－35°和－80°左右，同時也說明在該時間段存在一個比較穩(wěn)定的人工源干擾.圖11（c、d）是經(jīng)過處理之后的結(jié)果，可以看出此時在受干擾時間段電磁場的極化角度相對于處理之前得到了明顯的改善，角度比較隨機(jī)無序，這也說明在一定程度上去除了噪聲干擾，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量.

針對本文所述處理方法進(jìn)行梳理，給出了處理流程圖，如圖12所示.對于受到人工源干擾的數(shù)據(jù)，首先根據(jù)時間域數(shù)據(jù)的特征對其進(jìn)行合理的時間段挑選，利用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波對受干擾的時間域數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；然后以全時段的算術(shù)平均值為閾值進(jìn)一步去除經(jīng)過數(shù)學(xué)形態(tài)濾波后保留的幅值較大的脈沖干擾；最后是將處理后的時間域數(shù)據(jù)和無干擾時間域數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到全時段數(shù)據(jù)以進(jìn)行后續(xù)的阻抗估計(jì)和視電阻率計(jì)算.

圖11 測點(diǎn)處理前后8Hz時電磁場極化方向?qū)Ρ葓D（a、b）處理前；（c、d）處理后.Fig.11 The comparison chart of polarization direction at 8Hz（a，b）Before processing；（c，d）After processing.

圖12 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.12 The flow chart of the data processing

綜上所述，數(shù)學(xué)形態(tài)濾波可以有效地壓制時間域信號中存在的人工源強(qiáng)干擾噪聲，閾值法可以去除經(jīng)過形態(tài)濾波處理之后保留的脈沖信號，可以有效地恢復(fù)天然場信號，提高信噪比.通過對視電阻率－相位曲線、頻譜以及極化方向的對比分析也驗(yàn)證了方法的有效性.

4 結(jié)論

本文針對AMT信號中存在的強(qiáng)干擾噪聲，通過時間域數(shù)學(xué)形態(tài)濾波與閾值法相結(jié)合的手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，取得了較好的效果.得出以下幾點(diǎn)結(jié)論.

（1）在本次試驗(yàn)中，人工源強(qiáng)干擾噪聲主要影響AMT的中低頻數(shù)據(jù)（200Hz以下），導(dǎo)致視電阻率在200Hz處出現(xiàn)脫節(jié)；XY方向3Hz以下呈近源效應(yīng)，YX 方向在200Hz以下跳變嚴(yán)重，基本無形態(tài)；高頻數(shù)據(jù)由于位于源的遠(yuǎn)區(qū)受干擾程度較小，可以不做處理.

（2）在結(jié)構(gòu)元素合理的前提下，數(shù)學(xué)形態(tài)濾波可以實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)干擾噪聲識別和去除；閾值法可以有效地壓制脈沖干擾，二者相互結(jié)合處理可以實(shí)現(xiàn)對相關(guān)強(qiáng)干擾噪聲的有效壓制.其視電阻率－相位曲線、頻譜和極化方向等參數(shù)都有明顯的改善；

（3）數(shù)學(xué)形態(tài)濾波運(yùn)用到AMT數(shù)據(jù)的強(qiáng)干擾壓制中是有效的、合理的，可以運(yùn)用到礦集區(qū)AMT數(shù)據(jù)的強(qiáng)干擾壓制中；在結(jié)構(gòu)元素的選取上要根據(jù)干擾類型和尺度等多方面因素進(jìn)行綜合考慮，進(jìn)而選取合適的結(jié)構(gòu)元素；同時如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)元素類型和尺寸的自適應(yīng)選取，是有待進(jìn)一步解決的關(guān)鍵問題.致謝感謝所有參與野外數(shù)據(jù)采集的人員及張弛在本文撰寫過程中給予的寶貴意見和建議；感謝審稿人提出的建設(shè)性意見.

Egbert G D，Booker J R.1986.Robust estimation of geomagnetic transfer functions.Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society，87（1）：173－194.

Fan C S，Li T L，Wang D Y.2008.Treatment of watelet transform for square wave noise in MT data.Journal of Jilin University（Earth Science Edition）（in Chinese），38（Suppl.）：61－63.

Fan C S.2009.The strong noises characteristics of MT in ore concentration area and research of denoise method（in Chinese）［Ph.M.thesis］.Changchun：Jilin University.

Gamble T D，Goubau W M，Clarke J.1979.Magnetotellurics with a remote magnetic reference.Geophysics，44（1）：53－68.

Garcia X，Jones A G.2005.A new methodology for the acquisition and processing of audio－magnetotelluric （AMT）data in the AMT dead band.Geophysics，70（5）：G119－G126.

Goubau W M，Gamble T D，Clarke J.1978.Magnetotelluric data analysis：Removal of bias.Geophysics，43（6）：1157－1166.

Kaufman A A，Keller G V.1987.The Magnetotelluric Sounding Method（in Chinese）.Liu G D Trans.Beijing：Seismological Press.

Li J.2012.Magnetotelluric strong interference separation and application based on mathematical morphology （in Chinese）［Ph.D.thesis］.Changsha：Central South University.

Li J M.2005.Geoelectric Field and Electrical exploration（in Chinese）.Beijing：Geological Publishing House.

Tang J T，He J S.2005.Controlled Source Audio Magnetotelluric Method and Its Application（in Chinese）.Changsha：Central South University Press.

Tang J T，Li J，Xiao X，et al.2012a.Magnetotelluric sounding data strong interference separation method based on mathematical morphology filtering.Journal of Central South University（Science and Technology）（in Chinese），43（6）：2215－2221.

Tang J T，Li J，Xiao X，et al.2012b.Mathematical morphology filtering an noise suppression of magnetotelluric sounding data.Chinese J.Geophys.（in Chinese），55（5）：1784－1793，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.036.

Tang J T，Xu Z M，Xiao X，et al.2012c.Effect rules of strong noise on Magnetotelluric（MT）sounding in the Luzong ore cluster area.Chinese J.Geophys.（in Chinese），55（12）：4147－4159，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.12.027.

Tang L，Tang H Z，Han X P，et al.2013.The application of mathematical morphological filtering to the noise suppression of Audio Magnetotelluric Sounding data.Chinese Journal of Engineering Geophysics （in Chinese），10（4）：533－538.

Weckmann U，Magunia A，Ritter O.2005.Effective noise separation for magnetotelluric single site data processing using a frequency domain selection scheme.Geophysical Journal International，161（3）：635－652.

Wei W B.2002.New advance and prospect of magnetotelluric sounding（MT）in China.Progress in Geophysics（in Chinese），17（2）：245－254，doi：10.3969／j.issn.1004－2903.2002.02.009.

Zhang C.2013.Research on some techniques for magnetotelluric data processing（in Chinese）［Master thesis］.Changsha：Central South University.

附中文參考文獻(xiàn)

范翠松，李桐林，王大勇.2008.小波變換對MT數(shù)據(jù)中方波噪聲的處理.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），38（增刊）：61－63.

范翠松.2009.礦集區(qū)強(qiáng)干擾大地電磁噪聲特點(diǎn)及去噪方法研究［碩士論文］.長春：吉林大學(xué).

考夫曼，凱勒.1987.大地電磁測深法.劉國棟譯.北京：地震出版社.

李晉.2012.基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的大地電磁強(qiáng)干擾分離及應(yīng)用［博士論文］.長沙：中南大學(xué).

李金銘.2005.地電場與電法勘探.北京：地質(zhì)出版社.

湯井田，何繼善.2005.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用.長沙：中南大學(xué)出版社.

湯井田，李晉，肖曉等.2012a.基于數(shù)學(xué)形態(tài)濾波的大地電磁強(qiáng)干擾分離方法.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），43（6）：2215－2221.

湯井田，李晉，肖曉等.2012b.數(shù)學(xué)形態(tài)濾波與大地電磁噪聲壓制.地球物理學(xué)報(bào)，55（5）：1784－1793，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.036.

湯井田，徐志敏，肖曉等.2012c.廬樅礦集區(qū)大地電磁測深強(qiáng)噪聲的影響規(guī)律.地球物理學(xué)報(bào)，55（12）：4147－4159，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.12.027.

湯磊，湯洪志，韓雪平等.2013.數(shù)學(xué)形態(tài)濾波在音頻大地電磁去噪中的應(yīng)用.工程地球物理學(xué)報(bào)，10（4）：533－538.

魏文博.2002.我國大地電磁測深新進(jìn)展及瞻望.地球物理學(xué)進(jìn)展，17（2）：245－254，doi：10.3969／j.issn.1004－2903.2002.02.009.

張弛.2013.大地電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與阻抗估計(jì)［碩士論文］.長沙：中南大學(xué).