基于V8系統(tǒng)大地電磁時間序列數(shù)據(jù)文件讀寫

王麗坤，陳進(jìn)超

基于V8系統(tǒng)大地電磁時間序列數(shù)據(jù)文件讀寫

王麗坤1，陳進(jìn)超2

（1.四川金核礦業(yè)有限公司，成都 610052；2.成都理工大學(xué)，成都 610061）

大地電磁測深法已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘查、工程地質(zhì)、地震及地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域。V8多功能電法儀是目前廣泛使用的大地電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其隨機(jī)配備的軟件雖能顯示或轉(zhuǎn)換出采集到的時間序列文件數(shù)據(jù)，但沒有時間域噪聲分析處理功能。為開發(fā)與此系統(tǒng)相應(yīng)的時間域噪聲分析與處理系統(tǒng)，需對采集到的大地電磁測深原始時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。論文在分析大地電磁數(shù)據(jù)原始時間序列文件格式的基礎(chǔ)上，明確了數(shù)據(jù)存儲形式，根據(jù)參數(shù)特征，設(shè)計了原始數(shù)據(jù)讀寫算法程序，為大地電磁原始數(shù)據(jù)時間域分析及信噪分離提供了便利。

V8系統(tǒng)；數(shù)據(jù)文件；讀寫

大地電磁測深廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源、頁巖氣和煤層氣勘探、工程地質(zhì)、地震、及地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域。目前主要采用的采集設(shè)備是加拿大鳳凰公司的V8多功能電法儀，該儀器具有簡單輕便、功能強、勘探深度大等特性[1]。在大地電磁實際勘探過程中，會受到通訊設(shè)備、鉆井、礦山冶煉、鐵路交通等因素形成的電磁噪聲和人文噪聲的干擾[2]，為了較好地分離大地電磁干擾信號，需對采集到的大地電磁測深原始時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

而V8多功能電法儀配套的Synchro Time Series View、SSMT2000、NPIPlot、MTEditor等相關(guān)軟件僅具備大地電磁數(shù)據(jù)的傅里葉變換、顯示電阻率和相位曲線，及原始時間序列文件圖形顯示的功能[3]，不能讀寫（提?。┎杉降臅r間序列文件數(shù)據(jù)；且目前常用的大地電磁后期處理軟件MTsoft-2D主要用于大地電磁數(shù)據(jù)反演，不能去除類階躍噪聲、類方波噪聲等人文干擾。因此，為了獲取大地電磁測深原始時間序列數(shù)據(jù)，本文在分析大地電磁數(shù)據(jù)原始時間序列文件格式的基礎(chǔ)上，研究不同頻率的3字節(jié)二進(jìn)制格式數(shù)據(jù)的讀寫，并通過實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

1 V8大地電磁數(shù)據(jù)時間序列文件Tsn格式

V8采集大地電磁測深數(shù)據(jù)時，在每個測點記錄電道和磁道中Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五個分量，并將原始數(shù)據(jù)記錄在參數(shù)文件（*.TBL）、盒子標(biāo)定文件（*.CLB）、磁探頭標(biāo)定文件（*.CLC）及不同頻帶的數(shù)據(jù)文件（*.Tsn文件，n=3，4，5）中。V8采集到數(shù)據(jù)文件的命名基于采集設(shè)備的序列號和采集日期，命名格式為ssssmdda，其中ssss為采集數(shù)據(jù)的MTU/MTU-A設(shè)備的序列號，m為16進(jìn)制表示的月份，dd是一個表示日期的兩位十進(jìn)制數(shù)，a是一個表示當(dāng)天采集次數(shù)的英文字母。*.Tsn是存放時間序列的文件，TSn分別標(biāo)明不同的頻帶，對于V8采集系統(tǒng)，*.TS3是2400Hz的采樣率數(shù)據(jù)，*.TS4是150Hz的采樣率數(shù)據(jù)，*.TS5是15Hz的采樣率數(shù)據(jù)[3]。

圖1 V8的時間序列文件記錄樣式

時間序列文件*.TSn連續(xù)記錄時間序列數(shù)據(jù)，記錄下不同時刻的采樣代數(shù)值。每段記錄（RECORDE）由一個tag（標(biāo)記）和一連串?dāng)?shù)據(jù)組成，由多段記錄（RECORDE）組成了時間序列文件，圖1為時間序列文件的記錄樣式。時間序列以在24位字節(jié)存儲，每個采樣占3 bytes。一個scan（掃頻）是多個道的采樣，每道的值由三個字節(jié)組成。一個采樣時間的完整scan按照道號保存（道號從1開始），scan按采樣時間的順序保存。第一個scan永遠(yuǎn)在UTC的整秒開始記錄，掃描率永遠(yuǎn)為1Hz的整數(shù)倍[3.4.5]。

表1 Tag(標(biāo)記)各個字節(jié)的含義

根據(jù)盒子的硬件不同，tag的格式也可能不同，但是在一個文件中只會使用一種tag。目前，在TSH和TSL文件中，tag為16 bytes長，在TSn文件中32 bytes長。表1綜合說明了不同的tag格式細(xì)節(jié)。

2 V8系統(tǒng)大地電磁數(shù)據(jù)讀寫

讀取大地電磁測深數(shù)據(jù)，需要首先定義相關(guān)參數(shù)變量見表2，并獲得時間序列數(shù)據(jù)文件名，接著在文件夾下查詢文件是否存在，不存在則退出程序。打開文件，用二進(jìn)制方式逐字節(jié)順序讀取文件。讀取tag（標(biāo)簽）參數(shù)信息，不同儀器盒子的硬度不同，tag（標(biāo)記）的格式也不同。取的V8系統(tǒng)大地電磁數(shù)據(jù)的Tag如下：SEC、MIN、HOUR、DAY、MONTH分別為秒、分、時、天、月；YEAR1、YEAR2是年份，兩個字節(jié)保存，因此讀出后要將這兩個字節(jié)組合，下同；SER_NUMB1、SER_NUMB2是盒子編號，分兩字節(jié)保存；SAMP_RATE1、SAMP_RATE2是采樣率，分兩字節(jié)保存；CHAN是采樣道數(shù)。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)文件的數(shù)據(jù)組織如下：一個TSn文件由若干個RECORD組成，具體個數(shù)不確定，需要讀取的時候檢查文件是否結(jié)束。一個RECORD由一個tag標(biāo)簽和一組對應(yīng)的SCAN組成，這組SCAN的數(shù)量在它對應(yīng)的tag相應(yīng)的字節(jié)中給出；一個SCAN由N個CHANNEL（采集的電道和磁道）數(shù)據(jù)（整形）組成，CHANNEL的個數(shù)在tag標(biāo)簽相應(yīng)字節(jié)給出；一個tag標(biāo)簽的所占的字節(jié)數(shù)（長度）也在它對應(yīng)的字節(jié)中給出，tag標(biāo)簽一般由32個字節(jié)保存。解析RECORD包含的tag長度和含有的SCAN個數(shù)，及每個SCAN包含的CHANNEL個數(shù)。Tsn時間序列數(shù)據(jù)讀取流程見圖2。

表2 數(shù)據(jù)讀取參數(shù)及說明

讀取Tsn時間序列數(shù)據(jù)文件的tag（標(biāo)記）部分，可獲得文件的時間、儀器序列號、scan掃描個數(shù)、channel道數(shù)及采樣率等參數(shù)信息。接著根據(jù)tag（標(biāo)記）的相關(guān)信息，讀取大地電磁實際測量數(shù)據(jù)。因Tsn時間序列數(shù)據(jù)文件中每個道channel的數(shù)值由3個8位二進(jìn)制組成，讀取實測數(shù)據(jù)時，需將三字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)拼成24位的二進(jìn)制數(shù)，最后將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，并存放到對應(yīng)的數(shù)組中。

V8系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制方式存儲，負(fù)數(shù)采用補碼方式存儲，在補碼中最高位為符號位，正數(shù)用原碼形式存儲。

2.1 24位二進(jìn)制有符合數(shù)的拼接

計算機(jī)存儲時按照低8位、中8位、高8位順序存放，分別存放到變量SCAN_CHANNEL（1）、SCAN_CHANNEL（2）、SCAN_CHANNEL（3）中，上述三個變量均為單字節(jié)整型變量。讀取的時候SCAN_CHANNEL（3）是數(shù)據(jù)的高8位，SCAN_CHANNEL（1）是數(shù)據(jù)的低8位，因此要正確組合，就必須先將SCAN_CHANNEL（3）與SCAN_CHANNEL（1）換位，形成正確的數(shù)據(jù)格式順序，其中SCAN_CHANNEL（3）最高位為符號位。

圖2 讀取Tsn時間序列數(shù)據(jù)文件流程

2.2 24位二進(jìn)制有符號數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

數(shù)值在采集儀器存儲的時候為24帶符號的補碼，因此需要先判斷符號，因此最高的一位代表符號位，不能作為數(shù)值轉(zhuǎn)換，實際數(shù)據(jù)數(shù)值部分是23位。

1）符號的判斷：如果SCAN_CHANNEL（3）的十進(jìn)制值大于或等于128，則表示這個道值是負(fù)的，否則為正；

2）若SCAN_CHANNEL（3）表示的十進(jìn)制值大于等于128，則減去128，將結(jié)果乘以65536，與SCAN_CHANNEL（2）*256+SCAN_CHANNEL（1）求和結(jié)果與128*65536的值相減，即得24位二進(jìn)制數(shù)表示的十進(jìn)制數(shù)據(jù)。

具有的轉(zhuǎn)換程序如下：

if (SCAN_CHANNEL3 < 0) %高8位為負(fù)，需要調(diào)整，加上模值128后乘以倍率65536

CHANNEL_VAUE = (SCAN_CHANNEL3+128)*65536

if (SCAN_CHANNEL2 < 0) %中8位為負(fù)，需要調(diào)整，加上模值后乘以倍率256

CHANNEL_VAUE=CHANNEL_VAUE + (SCAN_ CHANNEL2+256)*256

if (SCAN_CHANNEL1 < 0) %低8位為負(fù)，需要調(diào)整，加上模值后即為正確數(shù)值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_ CHANNEL1+256

else %低8位為正，不需要調(diào)整，即為正確數(shù)值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_ CHANNEL1

end

else %中8位為正，不需要調(diào)整，直接乘以倍率256

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL2 *256

if (SCAN_CHANNEL1 < 0) %低8位為負(fù)，需要調(diào)整，加上模值后即為正確數(shù)值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1+256

else %低8位為正，不需要調(diào)整，即為正確數(shù)值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1

end

end

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE -8388608

else %高8位為正，不需要調(diào)整，直接乘以倍率65536

CHANNEL_VAUE = SCAN_CHANNEL3 * 65536

if (SCAN_CHANNEL2 < 0)

CHANNEL_VAUE=CHANNEL_VAUE + (SCAN_CHANNEL2+256)*256

if (SCAN_CHANNEL1 < 0) %低8位為負(fù)，需要調(diào)整，加上模值后即為正確數(shù)值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1+256

else %低8位為正，不需要調(diào)整，即為正確數(shù)值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1

end

else %中8位為正，不需要調(diào)整，直接乘以倍率256

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL2 *256

if (SCAN_CHANNEL1 < 0) %低8位為負(fù)，需要調(diào)整，加上模值后即為正確數(shù)值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1+256

else %低8位為正，不需要調(diào)整，即為正確數(shù)值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1

end

end

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + 0

end

3 數(shù)據(jù)讀取實例

采樣本文所用的數(shù)據(jù)讀取方法對文件名為1659A12A.TS3的時間序列文件進(jìn)行處理，得到如下相關(guān)參數(shù)：采樣時間是2015年10月12日10點55分，盒子編號為1659，采集到6道數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)于Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz的場值，采樣率為2400Hz。將讀取的數(shù)據(jù)中的Ex道數(shù)據(jù)的一小段與原程序讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖3所示，可知本文所用方法讀取的數(shù)據(jù)與V8配套軟件讀取的數(shù)據(jù)完全一致，證明了本文所用方法可行。

圖3 用本文程序讀取的實測MT數(shù)據(jù)Ex電場分量與原程序讀取數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

通過對V8系統(tǒng)大地電磁測深時間序列數(shù)據(jù)文件格式的深入分析和研究，提取Tsn文件的tag標(biāo)簽參數(shù)信息，并根據(jù)參數(shù)信息，實現(xiàn)了大地電磁時間序列文件的三字節(jié)數(shù)據(jù)的讀寫。該方法可快速準(zhǔn)確地獲取時間域數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)大地電磁測深數(shù)據(jù)時間序列的研究、信噪分離及后期處理提供幫助。

[1] 郭澤秋，葉高峰，王輝，魏文博．基于MATLAB的SSMT-2000大地電磁資料批處理技術(shù)[J], 物探與化探，2013,37(5):921-925.

[2] 李晉．基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的大地電磁強干擾分離及應(yīng)用[D]．長沙：中南大學(xué)，2012.

[3] 加拿大鳳凰地球物理有限公司中國聯(lián)絡(luò)處．MTU-A操作手冊_3.2.1_beta[M]．北京：加拿大鳳凰地球物理有限公司，2005：129-131．

[4] 劉俊峰，孫保山，程云濤.V8 MT時間序列數(shù)據(jù)文件讀寫[J]. 工程地球物理學(xué)報，2015,12(5):660-664.

[5] 吳正剛，雷旭友，余年.基于V8系統(tǒng)大地電磁數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及實現(xiàn)[J]. 工程地球物理學(xué)報，2009,6(5):603-606.

Read and Writing of V8 Series Magnetotelluric Time Data File

WANG Li-kun1CHEN Jin-chao2

(1-Sichuan Jinhe Mining Co., Ltd, Chengdu 610052; 2-Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

Magnetotelluric sounding method has been widely applied to exploration of mineral resources such as shale gas and coalbed methane, engineering geology, and geohazard survey and so on. V8 multifunctional electrical method is usually used as magnetotelluric data acquisition system, and its support software can display or conversion to the time sequence of file data, but there is no noise analysis processing functions in time domain. The magnetotelluric original time series data obtained must be analyzed in order to develop the system of the corresponding time domain noise analysis and processing system. This paper defines the form of data storage based on the analyzing the formats of magnetotelluric original time series data, and designs the program of raw data read and write algorithm according to its parameter characteristics.

V8; magnetotelluric time series files; read and write

2017-04-28

四川省科技支撐計劃項目（2016GZ0135）

王麗坤（1985- ），女，山西省應(yīng)縣，工程師，研究方向：信號與信息處理、監(jiān)測預(yù)警、安全評價

P631.3；

A

1006-0995（2017）04-0674-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.034