一种磁-电联合瞬变电磁探测数据抗粗差反演方法

本发明属于地球物理电磁勘探数据处理，尤其涉及一种磁-电联合瞬变电磁探测数据抗粗差反演方法。

背景技术：

1、瞬变电磁法（transient electromagnetic method，tem）通过发射源向地下发射阶跃或脉冲电流，在断电瞬间由地下感生涡流，接收涡流衰减产生的二次磁场（或其时间导数）随时间的变化，据此反演地层电阻率随深度的分布。该方法探测深度大、对低阻体敏感、施工效率高，广泛用于矿产勘查、水文与工程地质、采空区与含水构造探测等领域。

2、按激励与耦合方式，瞬变电磁发射源主要分为两类：（1）磁性源：闭合回线（大定源回线或中心回线装置），以电磁感应方式与地下耦合，其响应由地下涡流的建立与扩散决定。感应机制对导电（低阻）体耦合强、涡流持续时间长，故对低阻结构敏感，而对高阻结构相对不敏感（高阻层几乎不激发涡流、对感应近乎透明）。（2）电性源：两端接地的水平电偶极导线，以传导方式将电流直接注入地下，其响应兼含传导（电偶极/直流类）与感应成分。由于保留了电流注入所产生的直流类灵敏度（电流在电阻率界面处发生偏转、界面处电荷积累），故相对磁性源对高阻结构更敏感，且其体积效应与探测方向性亦不同于磁性源。

3、两类源经由不同物理机制（感应/传导）探测同一地下介质，其对地层的灵敏度互补。将二者的多时间道响应数据联合反演同一地下电性模型，可综合互补信息，获得优于任一单源的分辨能力与稳定性，这即“磁-电双源联合反演”。联合反演的一般流程为：以对数电导率（或电阻率）向量对层状介质参数化，用一维层状正演算子分别计算磁性源、电性源的理论响应，将两源观测数据拼接为一个数据向量，构造目标泛函，以带边界约束的最小二乘迭代求解，得到电阻率-深度剖面。

4、然而，野外实测tem数据几乎不可避免地含有粗差（gross error，亦称野值outlier、坏道），因工频干扰、尖峰噪声、发射-接收同步误差、电极或线圈接触异常、晚期道信噪比过低等原因，使个别或少数时间道的观测值严重偏离真实响应。现有技术存在以下缺点：

5、（1）整体误差最小化对粗差无防护：现有联合反演的数据失配项采用等权（或仅按噪声定权的固定权重）最小二乘，粗差道的残差在平方和目标中因平方放大而占据主导，迫使反演模型迁就错误数据，少量粗差即可使反演电阻率剖面严重偏差、甚至掩盖真实地层界面；联合反演将两源数据拼接，任一源的粗差都会污染整体，联合反而可能不如无粗差的单源。

6、（2）单源稳健方法无法区分粗差与真实地质响应：现有稳健反演（如基于huber损失或l1范数的单源稳健反演）仅依据本源残差的大小判断异常，而地下真实高对比界面处的大响应同样表现为大残差，二者在单源视角下不可辨；稳健加权会把真实响应连同粗差一并压制，导致高对比界面被过度光滑、地质信息损失。

7、（3）依赖人工预剔除、难以自动化：现有流程多依靠人工事先挑除坏道，费时且依赖经验，难以适应自动化、批量化处理需求，也无法给出客观的数据可信度评价。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种磁-电联合瞬变电磁探测数据抗粗差反演方法，旨在解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明实施例是这样实现的，一种磁-电联合瞬变电磁探测数据抗粗差反演方法，包括以下步骤：

3、步骤1：获取双源瞬变电磁观测数据，所述双源瞬变电磁观测数据包括磁性源瞬变电磁数据与电性源瞬变电磁数据，二者对应同一探测区域的多时间道观测，并根据相对噪声水平与绝对噪声本底确定各时间道的观测不确定度；

4、步骤2：建立地下电性参数模型，基于地下电性参数模型分别进行磁性源正演与电性源正演，获得双源理论响应；

5、步骤3：基于当前地下电性参数模型的双源理论响应，计算各时间道的标准化残差，并将标准化残差绝对值超过预设异常判定阈值的时间道确定为异常候选数据；

6、步骤4：对被核验数据源中的异常候选道，利用另一数据源的数据独立反演，建立辅助地下介质模型，辅助地下介质模型的求解不使用被核验的异常候选道数据；

7、步骤5：利用辅助地下介质模型对被核验数据源的异常候选道进行正演预测，得到跨源预测偏差；

8、步骤6：综合标准化残差与跨源预测偏差建立双源交叉一致性指标，当且仅当标准化残差与跨源预测偏差均超过预设异常判定阈值时，将对应时间道确认为粗差，否则判定为两源共同支持的真实地质响应并予以保留；

9、步骤7：根据一致性评价结果生成逐道数据可信度评价结果，保留符合地下结构解释的数据，抑制被确认的粗差数据在反演中的参与程度，更新地下模型，并输出地下电阻率-深度结构及逐道数据质量评价结果。

10、进一步的技术方案，在所述步骤1中，各道观测不确定度的计算公式如下：

11、 （1）

12、式中，为第道的观测不确定度；为相对噪声水平；为绝对噪声本底；为观测数据向量d的第个分量，即第道观测值，当时取自磁性源瞬变电磁数据，当时取自电性源瞬变电磁数据；和分别为磁性源、电性源的时间道索引集合；为道序号，共道。

13、进一步的技术方案，在所述步骤3中，标准化残差按下式计算：

14、 （2）

15、其中，为标准化残差，为地下电性参数模型，为联合正演的第个分量，即当前的地下电性参数模型对第道的理论正演响应，为磁性源正演，为电性源正演。

16、进一步的技术方案，在所述步骤3中，在将标准化残差与异常判定阈值比较之前，先以稳健尺度对残差进行归一化，稳健尺度包括中位数绝对偏差。

17、进一步的技术方案，在所述步骤4中，辅助地下介质模型通过最小化如下目标函数求得：

18、 （3）

19、式中，为模型约束项，为正则权重，表示求取使目标函数取最小值的模型，为被核验数据源之外的另一数据源的时间道索引集合。

20、进一步的技术方案，在所述步骤4中，建立辅助地下介质模型时，除利用另一数据源的数据外，还纳入被核验数据源中未被列为异常候选道的时间道数据共同参与反演，且始终排除被核验的异常候选道本身，以保持辅助模型对被核验道的独立性。

21、进一步的技术方案，在所述步骤5中，第道的跨源预测偏差按下式计算：

22、 （4）

23、其中，为跨源预测偏差，为以辅助地下介质模型对第道的正演预测值。

24、进一步的技术方案，在所述步骤6中，标准化残差与跨源预测偏差采用同一标准化尺度度量，异常判定阈值在两源间统一设定；双源交叉一致性指标取标准化残差与跨源预测偏差的单调综合量。

25、进一步的技术方案，在所述步骤7中，抑制被确认粗差数据在反演中的参与程度包括降低被确认粗差数据的权重或将被确认粗差数据剔除；

26、更新地下模型的过程包括：返回步骤3，迭代执行步骤3至步骤7，直至收敛；

27、逐道数据质量评价结果包括各时间道的粗差位置与以最终参与权重表示的数据可信度。

28、本发明实施例提供的一种磁-电联合瞬变电磁探测数据抗粗差反演方法，具有以下有益效果：

29、（1）区分粗差与真实地质响应：双源交叉一致性核验将真实高对比界面与采集粗差区分开，克服单源稳健方法“把真实异常当粗差压制”的固有缺陷，保留联合反演的分辨率优势、避免地层界面模糊。

30、（2）抗粗差精度显著提升：采用双重判据确认粗差，对粗差道的识别更为准确、可靠，从而在反演中精准抑制有害数据的影响。相比不含跨源核验的稳健方案，本发明在含粗差条件下的地下电性结构恢复精度显著更优；相比传统等权最小二乘联合反演，本发明的精度优势更为明显，能够有效避免少量粗差导致反演结果严重偏离真实地质情况。

31、（3）无需人工预剔除粗差：异常识别、跨源核验与数据保护在反演过程中自动、数据驱动完成，便于自动化、批量化处理实测资料。

32、（4）输出数据质量评价：给出逐道粗差位置与数据可信度，便于野外资料的客观质量控制。

33、（5）兼容常规情形：无粗差时无异常候选被确认、方法退化为常规联合反演，不损失正常数据信息，向下兼容。