Диссертация (1100338), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Для инверсии реальных данных необходимо использоватьаприорную информацию, такую как сейсмические горизонты и данные каротажа.75ГЛАВА 3. ОБРАБОТКА ПОЛЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ3.1 Шумы в первичных данныхВ данном разделе рассмотрены основные виды шумов, которые присутствуют в полевыхизмерениях. Изучение спектральной и вероятностной структуры шумов было выполнено наполевых данных, записанных в разные годы в акваториях Чёрного, Каспийского, Азовского,Баренцева, Северного морей и у побережья Калифорнии/Основными видами шумов, которые встречаются в практике морских мелководныхизмерений, являются:шумы искусственного происхождения.магнитотеллурическое поле;волновая помеха, связанная с морским волнением;шумы аппаратуры;Для морских измерений характерно низкий уровень промышленных шумов (помеха начастоте 50 Гц или 60 Гц и другие) или даже их полное отсутствие.
Кроме того, низкие рабочиечастоты, на которых выполняются геометрические зондирования (0.01-10 Гц) и значительныедлительности сигналов становления поля (1-10 с) приводят к тому, что промышленные шумыэффективно подавляются во время препроцесссинга.Основными видами шумов, характерных для мелководных измерений, являетсямагнитотеллурическое поле и волновая помеха, возникающая из-за ветрового волнения моря.Общее представление об внешнем электромагнитном поле даёт рисунок 3.1, взятый из работы(Constable and Constable, 2004).76Рисунок 3.1. Естественное магнитное поле Земли на дне моря (из работы (Constable and Constable,2004)).На рисунке 3.2 приведены значение спектральной плотности для сигналов, измеренныхна Каспийском море в 2008 г.Рисунок 3.2.
Спектральная плотность сигнала, записанного трёхточкой MON на глубине 4 м.Показаны оценки для U MN (красный) и U MO U ON (синий). Спектральная плотность не нормированана длину приёмной линии.77Сигналы были записаны донной трёхточкой MON на глубине 4 м. Расстояние междуэлектродами составляло 125 м. Красным цветом показана оценка для сигнала U MN , синимцветом – для разностного сигнала U MO U ON .
Выше частоты 1 Гц основным источникомпомехи является МТ поле. В диапазоне 0.1÷1 Гц доминирует волновая помеха, которая некомпенсируется при вычитании сигналов.Интенсивная волновая помеха оказывает катастрофическое влияние на результатымелководных измерений. На рисунке 3.3 показано влияние ветрового волнения моря на шумыпри глубине моря 20 м. Во время шторма практически весь частотный диапазон оказалсязаполнен волновой помехой. Таким образом, при мелководных измерениях качествопервичного материала сильно зависит от погодных условий.Рисунок 3.3.
Спектральная плотность сигнала, записанная на глубине 16 м перед штормом (синий) иво время шторма (красный). Вертикальная линия – рабочая частота 0.0625 Гц. Спектральнаяплотность не нормирована на длину приёмной линии.В том случае, когда волновая помеха отсутствует, основным видом шума в мелководныхизмерениях становиться магнитотеллурическая помеха. Для того, что составить представлениео динамике МТ-шума, на рисунке 3.4 приведен пример динамического спектра, рассчитанногодля кабельной системы, которая находилась на глубине 4 м.78Рисунок 3.4.
Результаты оценивания шума в измерениях. Цифрами показаны: 1)измерения срадиально-осевой установкой 2)измерения с экваториальной установкой. Спектральная плотностьне нормирована на длину приёмной линии.Под динамическим спектром понимается двумерное изображение спектральнойплотности в координатах частота-время. Для расчёта был использован алгоритм Уэлча (Бендати Пирсол, 1989) со следующими параметрами: спектральное окно Хемминга, длина Фурьепреобразования 260 с, количество осредняемых периодограмм 20, перекрытие 50 %. Цифрамипоказаны измерения с радиально-осевой и радиально-экваториальной геометрией. Излучаемоеполе сосредоточено на нечётных гармониках ведущей частоты. Возрастание спектральнойплотности на чётных гармониках ведущей частоты объясняется зашкаливанием АЦП припрохождении генераторного диполя над измерительной линией.Толща солёной воды заметно подавляет высокочастотную часть спектра МТ-помехи.
Нанизкихчастотахэтоподавлениепроявленоменьше.Начастотахниже~1 Гцмагнитотеллурическое поле достигает морского дня даже моря свыше 1 км. На рисунке 3.5приведены результаты расчёта спектрально плотности на частоте 0.0625 Гц для глубины 10 м и450 м.79Рисунок 3.5. Результаты расчёта спектральной плотности на частоте0.0625 Гц. Приведенаспектральная плотность, нормированная на длину приёмного диполя G / LMN .
Красным цветомпоказана оценка для мелководных измерений (глубина 10 м, MN=500 м). Синим цветом показанаоценка для глубоководных измерений (глубина 450 м, MN = 10 м).Измерения глубине 10 м были выполнены донной приёмной линией с MN=500 .Измерения на глубине 450 м были выполнены автономными донными станциями с MN=10 м.Плотность шума, отнесённая к длине MN, одинакова в обоих случаях. Это означает, чтоосновным шума на данной частоте в обоих случаях является магнитотеллурическое поле. Вданном случае шумовой порог на частоте 0.0625 Гц равен 2 10 8В. Эта оценка можетм Гцсильно меняться глубины моря и рабочей частоты, а также от региона работ и времени года.Представление о степени подавления MT шума в зависимости от глубины моря даётрисунок 3.6.80Z = 5.4 mZ = 9.2 mZ = 9.6 mZ = 78.0 mZ = 123.0 mZ = 150.0 mZ = 218.0 mamp.
noise-310-4PSD, V/sqrt(Hz)10-510-610-710-310-2-11010010Frequency, Hz110210Рисунок 3.6. Зависимость спектрального состава шума от глубины (приведены данные длякабельных систем разных лет)В рабочем диапазоне частот волновая помеха доминирует на малых глубинах (первыедесятки метров). Шумы предусилителей находятся ниже шумового порога во всем диапазонеглубин несмотря на их относительно высокий уровень шумов. Это связано большой длинойприёмной линии, которая увеличивает абсолютное значение входного сигнала.Выше были рассмотрены спектральные свойства магнитотеллурической и волновойпомехи. Однако при увеличении глубины моря меняются и статистические свойства шума.Сравнительный анализ закона распределения для разных глубин моря был выполнен автором вработе (Маловичко, 2008). Для данных, записанных на глубинах 10 м и 500 м, рассчитывалисьэмпирическиегистограммы.Затемэтигистограммыаппроксимировалинормальнымраспределением методом согласия хи-квадрат (Бендат и Пирсол, 1989; Крамер, 1975; Лемешкои Чимитова, 2002).
В качестве меры близости двух гистограмм использовалось выражение:M2 i i 2(3.1).iЗдесь M – количество непересекающихся интервалов (рангов) с верхними границами {i 1x1 , x2 ,.., x K }, i - кол-во отсчётов, попавших в ранг [ xi , xi 1 ] , i - рассчитанное числопопаданий в ранг для данного закона распределения. Если эмпирический закон распределениядействительно нормальный, то величина 2 имеет распределение хи-квадрат.
Эта задачарешалась методом максимального правдоподобия:81(3.2)L(m) 2 m max ,где L(m) - функция правдоподобия, ( 2 ) - плотность распределения хи-квадрат, m E, -вектор параметров распределения (математическое ожидание и СКО). Оценки находилиитерационно методом Ньютона. Начальным приближением служили выборочные значения E и . Результаты приведены на рисунке 3.7.Рисунок 3.7.
Сравнение эмпирического и подобранного нормального распределений. Приведены оценкиплотности вероятности (кроме концевых полубесконечных участков). А)Глубина 800 м, Б) глубина10 м.С увеличением глубины моря распределение шума приближается к нормальному. Приглубине моря 500 м отдельные выборки удовлетворяют формальным критериям согласия приразумных уровнях значимости (например критерий хи-квадрат). Следует отметить, чтоотклонение формы распределения от нормального возникает не за счёт большого количестварезко выделяющихся отсчётов, а за счёт низкочастотных помех.
Часто это приводит к тому, чторобастные методы не приводят к существенному улучшению результатов оценивания намелководных измерениях.Выше были упомянуты помехи, связанные с аппаратурой. Серия экспериментов,направленных на изучение уровня аппаратных шумов была выполнена автором данной работы.На рисунке 3.8 показана спектральная плотность шума одного из регистраторов.82Рисунок 3.8.
Спектральная плотность шума регистратора с закороченными каналами. Каналы 1 и 4– разностные. Вертикальная линия отмечает частоту 1/16 Гц.Запись осуществлялась в экранированном ящике. Каналы регистратора были замкнутына резисторы, сопротивление которых было примерно равно входному сопротивлениюприёмных электродов. Для вычисления спектральной плотности на каждом канале былииспользованы отрезки сигналов длиной ок. 12 часов. Всего подобным образом былопротестировано 76 регистраторов. Обобщение результатов позволило оценить шумовой порогаппаратуры на частоте 0.0625 Гц на уровне 2 10 7В.ГцПредставляется полезным сравнить этот результат с данными других коллективов.
Внастоящее время принято считать, что достижимый уровень шумов приёмной аппаратуры начастоте 0,25 Гц равен 10 9В(например, Constable and Weiss, 2006), что на 2 порядка нижеГцвеличины, полученной выше.Важно отметить, что аппаратура, описываемая в данной работе, и автономные донныестанции, используемые ведущими мировыми компаниями, выполняющими съёмку CSEM,сконструированы для различных целей. Автономные донные станции предназначены длявыполнения глубоководной съёмки CSEM предназначена для измерения слабых, медленноменяющихся сигналов в узком диапазоне частот на больших глубинах, где уровень внешнихшумов очень низок. В этих условиях шумовой порог измерений определяется уровнем шумоваппаратуры. Поэтому используются предусилители с большими коэффициентами усиления(более 1000 и даже до 1000000) и низкая частота опроса. Аппаратура описываемая в даннойработе изначально конструировалась для измерения высокодинамичных сигналов становленияна мелководье, где уровень внешних помех очень высок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
