海洋可控源电磁数据预处理方法研究❋

李予国，段双敏

（中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛266100）

海洋可控源电磁数据预处理方法研究❋

李予国，段双敏

（中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛266100）

海洋可控源电磁法是探测海底油气资源和矿产资源的一种新兴的海洋地球物理勘探方法。本文提出了一套海洋可控源电磁数据预处理方法，包括时频转换和预白处理、时钟漂移补偿、随机噪音估计、叠加窗口选择、方位校正、椭圆极化分析、主轴旋转以及合并航道数据等等，并用实例详细说明了各种处理方法及其应用效果。

海洋可控源电磁法；数据处理；预白处理；椭圆极化

随着全球能源需求的不断增长和陆上、浅海区油气资源储备的日益减少，深海油气资源成为国际能源争夺的焦点，海洋油气勘探也步入高潮，其投资占全球油气勘探的很大部分，而且还有继续增加的趋势。同时各国都在极力扩张海洋领地，占据海洋资源开展深海勘探。我国拥有广阔的深水海域，蕴藏着丰富的油气资源。但深水油气勘探投资巨大，较之陆地和浅海区勘探存在更大的风险，多方法综合勘探成为深水油气勘探最明显的特征和发展趋势。地震成像技术能够探测到潜在的油气构造圈闭和主要目的层的空间展布，但是要区分圈闭内是含油气的、还是含水的以及对位于高阻盐体或火成岩体下方的目标层的追踪，目前仅靠单一的地震资料还难以进行有效地评价。

近年来，海洋可控源电磁法（Controlled-Source E-lectroMagnetic method，CSEM）探测海底油气储层已经取得明显效果［1］。利用海洋CSEM技术，可以识别高阻油气藏，进而提高钻井成功率［2］。海洋CSEM方法在海底天然气水合物探测中也得到成功应用，通过解释海洋CSEM资料可以确定天然气水合物的分布范围，进而可以估计其饱和度［3-4］。

海洋可控源电磁法是探测海底油气资源和矿产资源的一种新兴的海洋地球物理勘探方法。海洋CSEM方法常常使用一个移动的几十至几百米长的电偶极源和多个海底电磁采集站。在进行海洋CSEM勘探时，先将海底电磁采集站由海面以自由沉放方式投放到海底，然后勘探船缓慢地拖曳着电偶极源在海底电磁采集站排列上方30～100 m处沿测线前行，并发射低频（0.1～10 Hz）电磁信号，位于海底的电磁采集站将连续地记录电磁信号。将记录到的时间序列电磁信号进行时频变换及分析、噪声估计、方位校正以及合并航道等数据处理后，可以获得一系列电磁场振幅-收发距曲线和相位-收发距曲线，即MVO（Magnitude Versus Offset）和PVO（Phase Versus Offset）曲线。进一步解释所获得的海洋CSEM资料，可以了解海底介质电阻率的分布特征。

国际上，海洋可控源电磁数据预处理方法研究已经取得了很大进展。MacGreor等［5-6］探讨了海洋可控源电磁数据缩减和噪音估计方法。Behrens［7］提出了海洋CSEM数据预处理基本流程，并对导航、噪声等不确定性因素进行了分析。Myer等［8］讨论了傅氏变换窗口大小对估计偏差的影响，并将一阶差分预白处理方法引入到海洋可控源电磁数据预处理中。Myer等［9］提出了一种海洋可控源电磁发射波形改正方法，并对接收机时钟漂移导致的相位偏差进行了校正。在国内，海洋电磁探测技术研究起步较晚，海洋可控源电磁数据预处理方法的研究成果还不多。林昕等［10］研究了不同时窗对时域滤波效果的影响，指出时窗越长，效果一般越好。于彩霞［11］探讨了应用Hilbert-Huang变换进行海洋CSEM数据预处理的效果。

本文主要提出海洋可控源电磁数据预处理方法及其流程，并用实例详细说明各种处理方法的应用效果。

1 海洋CSEM数据预处理方法原理及应用

在海上测量时，海底电磁采集站记录的是时间域电磁场信号，而海洋CSEM资料解释通常是在频率域中进行的，因而需要将时间域电磁场信号转换成频率域信号。由于海底电磁采集站是以自由沉放的方式投放到海底的，因而采集站测量系统在海底时的坐标方位是不确定的。另外，采集站可能着落在海底斜坡上，致使测量系统不能保持水平状态。故而，对海底采集站所采集的数据需要进行方位和水平状态校正［12］。然后再结合发射源航行数据，即可获得电磁场的振幅-收发距曲线和相位-收发距曲线，即MVO（Magnitude Versus Offset）和PVO（Phase Versus Offset）曲线。

1.1时间序列及功率谱分析

当完成野外数据采集后，首先需要将实测的二进制数据转换成海洋CSEM数据预处理程序所要求的格式，并进行时间序列分析，了解仪器工作状态及所采集数据的质量。并计算功率谱，了解电磁场各分量的功率随着频率的变化情况以及各分量的相关性。图1和图2分别为某地实测的一段海洋可控源电磁场水平分量Ey和Bx的时间序列及其功率谱。

图1 某地实测海洋可控源电磁场水平分量Ey和Bx的时间序列Fig.1 Time series of the marine CSEM field data

图2 海洋可控源电磁场水平分量的功率谱Fig.2 Power spectrum of the horizontal electrical and magnetic components

由图1可以清楚地看到规律性的可控源电磁场信号，并且可知发射源的发射电流不太稳定，其强度随时间变化。由图2可知，可控源电磁信号的发射频率为0.08 Hz，并且接收到能量较强的奇次谐波信号，如3次谐波（0.24 Hz）、5次谐波（0.4 Hz）、7次谐波（0.56 Hz）等。

为了分析可控源电磁信号功率谱随时间的变化特征，可以绘制频谱图。图3为海洋可控源水平电场Ex频谱图。图中横坐标表示时间，纵坐标表示频率（Hz），色标表示功率谱的对数。

图3 实测海洋可控源电场分量Ex的功率谱随时间的变化关系Fig.3 Spectrogram of the horizontal electrical field component Ex

由野外试验记录和图3可知，可控源电磁发射仪在布放期间，即图中标号1所示时段，全频带显示强功率谱，为发射仪在布放过程中移动、震荡噪声所致；在标号2时段，可以看到一联串不同频率的高能量信号，这是海底数据记录仪接收到的可控源发射仪发射的基频信号（0.08 Hz）和奇次谐波信号（0.24，0.4，0.56 Hz等）。标号3时段接收到的一联串相对较弱功率谱信号，应为发射源在旁侧测线激发时产生的基频信号及其奇次谐波信号。时段4的全频段强功率谱为海底电磁仪在回收过程产生的噪声所致。

1.2傅里叶时频变换及预白处理

海底电磁采集站记录的是时间域电磁场信号，首先需要利用傅里叶变换将其转换成频率域信号。本文利用慢速傅里叶变换实现时频转换。与快速傅里叶变换相比，在水下电磁发射仪时钟不精确即发射频率不稳定时，慢速傅里叶变换可以获得更加可靠的结果。

慢速傅氏变换的窗口选择可以为移动一个发射源长度所需要的时间，如发射源移动速度为0.75 m／s，发射源电偶极子长度为150 m，则慢速傅氏变换窗口可以选取为200 s。

为减弱频谱泄露，在傅氏变换中采用预白处理技术［13-15］。海洋CSEM接收仪在海底同时接收到固定频率的CSEM信号和低频的大地电磁场信号。进行傅氏变换时，会引入频谱泄露，从而CSEM信号的频谱估计结果会受到大地电磁信号的“污染”。另外，傅氏变换窗口的截断，也会造成频谱泄露，从而使频谱估计出现偏差，偏差的大小主要取决于窗函数主瓣的宽度及形状。预白处理将使窗函数的主瓣宽度变宽和偏差变小。但经过预白处理后的信号，其频谱估计还需要进行后黑处理，以消除预白滤波器对频谱的影响。

本文采用一阶差分预白处理方法。图4为海洋CSEM数据进行预白处理前后效果对比，其中傅氏变换窗口为12.5 s（一个发射信号周期）。对每个窗口使用预白处理，移除长周期大地电磁噪声的影响，然后变换到频率域，再经过后黑处理移除预白作用对振幅和相位的影响。为了得到更长窗口的数据，可以进行窗口叠加处理。由图4可见，经过预白-后黑处理后，底盘噪声有所降低，信噪比有所提高。

1.3发射和接收参数归一化及时钟漂移改正

在海洋CSEM探测中，水下电磁信号发射仪通过长度为几十米至几百米长的中性浮力天线向水中和海底发射几百至上千安培的大电流低频信号。于是，对采集到的电磁信号需要进行接收天线长度和电偶极距归一化，实测信号单位为V／Am2。

在实际观测中，由于发射天线自身烧蚀等作用，电流并不稳定，如图5所示。另外，由于受海流、波浪等海洋环境的影响，发射天线很难保持始终处于完全伸直状态，于是发射天线的实际延伸长度是随时变化的。故而，在进行海洋CSEM测量时，需要准确记录发射电流强度及其发射源偶极子长度等参数，以便采集工作结束后对接收到的数据进行实际归一化处理。

海上采集CSEM数据时，在投放海底电磁采集站前，需要先在甲板上将电磁数据记录仪内置时钟与GPS时间进行同步，完成电磁数据采集工作后，需要再次将数据记录仪内置时钟与GPS对时。一般情况下，记录仪内置时钟位于海底时每天都会发生几毫秒至十几毫秒的漂移。假定记录仪时钟漂移是随时间线性变化的，则可根据接收仪内置时钟和GPS时钟同步关系，计算各时刻的时钟漂移量，从而对采集到的电磁信号进行相位校正，使得电磁场信号相位恢复到真实状态。图6a和6b分别为相位校正前后的相位曲线。

1.4异常值剔除和随机噪声估计

由于各种干扰的影响，采集数据中常常会出现明显的异常值，即所谓的“飞点”。尤其在收发距较大数据信噪比较低时，噪声干扰更加严重。“飞点”的出现往往对后续处理带来较大的影响，甚至可能使得最终解释结果与实际情况相差甚远。因此，需要对异常点予以去除。一方面，可以通过观察实测时间序列信号，

选取噪音较小、“干净”时间段的信号进行傅氏变换处理。另一方面，对于转换后的频率域数据，可以手动剔除明显的“飞点”。由于海底电磁数据记录仪电路本身的噪声和海洋观测环境噪声的影响，观测到的有效信号可能变得离散。在大收发距时，噪声甚至有可能掩盖了有效信号。

故而需要对随机噪声的分布进行统计分析。具体方法是，分别计算各个叠加窗口中复数场实部和虚部的平均值及标准差。然后，采用K S检验方法［16］计算经验累积分布函数和标准正态分布函数之间的最大偏差。如果该偏差小于设定的临界值（如5%），则数据通过检验，认为近似满足正态分布；否则，认为数据不满足正态分布。图7为实测海洋可控源电磁信号随机噪声估计结果。由图可知，2个电场分量（Ex、Ez）的实部和虚部均满足相同的分布规律，这说明采集到信号的随机噪声呈高斯分布的假设是合理的。另外，从图中可以看到，Ez分量较Ex分量离散，这是因为垂直分量更易受噪声干扰影响的缘故。

图5 实测的发射电流波形Fig.5 Recorded waveforins of exciting currents

图6 相位校正前后效果对比Fig.6 The effects of phase correction

图7 噪声水平估计向量图Fig.7 Ambient noise phasor plots

图7中，m、sd、KS分别表示各分量实虚部的均值、标准差及KS检验统计结果。KS统计值定义为max|S（x）-CDF|，其中S（x）为经验正态分布，CDF为标准正态分布。若KS统计值小于预先的设定值（如5%），则认为环境噪音通过正态分布检验，反之，则没有通过检验。

1.5叠加处理

由前面的讨论得知，采集到的电磁信号中包含的噪声满足高斯分布条件，实为随机噪声，故而可以通过信号叠加进行压制。在某一频点，信号的最小二乘拟合与实测数据的标准差定义为［7］

上式中，di，j表示i时刻j频点的最小二乘拟合值；di为i时刻的实测值；N为叠加窗口内的数据总量。在噪声呈高斯分布时，叠加窗口越长，归一化偏差越小，噪声水平也就越低。如果将叠加窗口长度N扩大η倍，噪声水平则降为原来的倍。但需要注意，当电磁信号低于噪声水平时，通过叠加不能恢复有效信号。

对于一个固定的激发接收装置，窗口长度N取决于发射源激发时间长度和采集数据量的大小。另外，在实际观测中，观测系统的不确定性、同一窗口内信号相位的变化等也会影响叠加窗口的选取。图8为实测海洋CSEM数据经50和200 s叠加处理后的结果。由图可见，叠加窗口为200 s与叠加窗口为50 s时相比，在小收发距时信号幅值保存完好，而在大收发距时噪声水平明显降低，可以获得更大收发距范围的有效信号。

但是，叠加窗口并不是越大越好。虽然更大的叠加窗口可以将噪声降到非常低的水平，但是叠加窗口过大势必造成数据点减少，不能准确反映信号的形态。因此，在实际处理中，一定要根据实际采样长度等条件合理选择叠加窗口，在保证信号基本形态的前提下将噪声水平压制至最低。

图8 实测海洋CSEM数据叠加窗口为50 s（蓝）和200 s（红）时的叠加效果对比Fig.8 Processing the filed data with the stack window of 50 s（blue symbols）and 200 s（red symbols）

1.6方位校正和椭圆极化及主轴旋转

大部分新一代海底电磁采集站都安装有方位记录仪，在海洋电磁数据采集结束后，方位记录仪回收到甲板后，可以由方位记录数据获知电磁场传感器在海底时的方位和水平状态，然后可依据坐标旋转原理，对观测数据进行方位校正和水平校正。

在海洋电磁施工中，海底电磁采集站是以自由沉放的方式投放到海底的，在采集站回收前，采集站的方位仍然是未知的。而施工中勘探船拖曳深水电流发射器和中性浮力天线沿设计的测线行进并发射电磁信号，由于海流、波浪等的影响，深水中拖曳着的发射天线很难保证与设计测线平行。于是，海洋CSEM发射接收系统的方位常常具有一定的不确定性。因而需要对实测CSEM信号进行发射接收系统方位校正。该校正处理主要分为极化椭圆分析和旋转电性轴2部分。利用极化椭圆得到较精确的方位角，通过旋转电性轴能够计算电磁场在测线方向上的场值。

图9 极化椭圆分析Fig.9 Polarization ellipse parameters of the horizontal electric fields

为了对采集到的电磁场信号进行旋转，需要了解波的极化情况。

2个正交的线极化波，可以表示为

式中：φ为Ex分量和Ey分量间的相位差。

由式（1）和（2）可得到下列椭圆方程［17］。

当φ=nπ时，即在XOY平面无相位差或反相时，有Ey=mEx，表明合成极化波为直线；

此为圆方程。

野外实际采集到的电场分量Ex和Ey具有一定的相位差，一般表现为椭圆极化模式。

极化椭圆的长轴（Pmax）、短轴（Pmin）和极化角（α）可由下式求得［17］

图10 实测海洋可控源电磁数据的极化椭圆参数Fig.10 Polarization ellipse parameters for the field data set

利用上式，可以计算求得电磁场极化椭圆的长轴、短轴和极化角。图10为利用海底电磁采集站记录到的2个水平电场分量计算得到的极化椭圆长轴、短轴和极化角。星号表示多个发射源的椭圆极化角，在接收点附近椭圆极化角大约为45度，即α≈45°。Pmax和Pmin分别表示将2个电场水平分量的实测数据旋转到椭圆长轴和短轴方向后的结果。

图11 极化角求取Fig.11 Polarization ellipse angles

在极化椭圆长轴和短轴方向上，2个相互正交电磁信号的功率谱之差最大。于是，也可以采用坐标旋转法确定极化椭圆的极化角。所谓的坐标旋转法就是将海底测量坐标系在0°～360°范围内逐次旋转1个Δθ角（如Δθ=5°），计算相应的电磁场值，并绘制2个相互正交电磁场振幅间的差值随坐标旋转角的变化关系图。2个相互正交电磁场振幅之差最大时所对应的坐标方位角即为椭圆极化角。图11表示4个发射源的2个电场水平分量振幅的差值随坐标旋转角的变化关系。由图可见，在坐标旋转角为45°左右时，2个电场水平分量振幅的差值最大，即椭圆极化角度约为45°，这与利用解析公式（4）计算得到的结果相一致。

将电磁场信号旋转到极化椭圆长轴方向上，此时Pmax具有最大功率谱，估计的场值更加可靠。另外，Pmax受发射源方位影响较小，可以减弱观测系统不确定性对采集信号的影响，并且Pmax具有较高的信噪比。基于这些优点，求得极化椭圆参数后，需要对实测数据进行主轴旋转。

图12为海洋CSEM数据经过主轴旋转后得到的电磁场响应。

图12 某地实际资料主轴旋转处理Fig.12 The rotation of the field components

1.7合并航道数据

海底采集站记录到的时间序列电磁信号经过时频分析、噪声估计、叠加处理、方位校正和主轴旋转等处理后，得到电磁场振幅和相位与测量时间的关系。再将发射源的航道数据合并后，即可获得电场和磁场振幅-收发距曲线和相位-收发距曲线，即MVO（Magnitude versus Offset）和PVO（Phase versus offset）曲线。

图13为经航道数据合并后得到的电磁场振幅和相位曲线。

图13 实测MVO和PVO曲线Fig.13 MVO and PVO curves of the field data set

2 结语

本文提出了一套海洋可控源电磁数据预处理方法。实测海洋可控源电磁数据的处理表明，利用慢速傅里叶变换可以获得可靠的结果，一阶差分预白技术可以减弱低频大地电磁信号对可控源电磁信号频谱估计的“污染”。采用信号叠加技术可以压制噪音，提高信噪比，但在实际处理中需要根据实际采样长度等条件合理选择叠加窗口。实际资料处理还表明，利用坐标旋转法和解析法都可以确定极化椭圆的极化角，并可以得到基本一致的结果。

“空气波”和海流、海浪等海水运动产生的感应电磁场是影响海洋电磁探测数据质量的主要噪声。有效压制电磁噪声提高信噪比是海洋电磁数据处理方法研究中有待进一步研究的主要内容之一。

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Data Preprocessing of Marine Controlled-Source Electromagnetic Data

LI Yu-Guo，DUAN Shuang-Min
（The Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

The marine controlled-source electromagnetic method is a new geophysical exploration tool for detecting seafloor hydrocarbon reservoirs and mineral resources.In this paper，we present a data processing procedure for marine controlled-source electromagnetic data sets，including time-frequency transform and pre-whitening processing，clock drift compensation，random noise estimating，stacking，azimuth correction，polarization ellipse analysis，component rotation，merging electromagnetic fields with navigation data and so on.The techniques are demonstrated and illustrated using the real field data.

marine controlled-source electromagnetic method；data processing；pre-whiten；polarization ellipse

P631.3+25

A

1672-5174（2014）10-106-07

责任编辑 徐 环

国家自然基金重点项目（41130420）资助

2014-09-08；

2014-09-25

李予国（1965-），男，教授。主要从事地球电磁场正反演示法和海洋可控源电磁探测技术研究。E-mail：yuguo＠ouc.edu.cn