湯井田，李晉，肖曉，徐志敏，李灝，張弛

（中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083）

基于數(shù)學(xué)形態(tài)濾波的大地電磁強(qiáng)干擾分離方法

湯井田，李晉，肖曉，徐志敏，李灝，張弛

（中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083）

針對(duì)礦集區(qū)大地電磁信號(hào)采集過(guò)程中常引入強(qiáng)噪聲干擾等問(wèn)題，采用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波對(duì)大地電磁強(qiáng)干擾分離方法進(jìn)行研究。在仿真信號(hào)中加入常見(jiàn)的強(qiáng)干擾來(lái)檢驗(yàn)形態(tài)濾波的降噪能力，根據(jù)噪聲類(lèi)型選取不同結(jié)構(gòu)元素尺寸及大小，并將形態(tài)濾波應(yīng)用于實(shí)測(cè)大地電磁數(shù)據(jù)的降噪處理。采用非線性共軛梯度法進(jìn)行反演，考查形態(tài)濾波對(duì)提高大地電磁測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的改善情況。研究結(jié)果表明：數(shù)學(xué)形態(tài)濾波能有效消除大地電磁強(qiáng)干擾中的大尺度干擾和基線漂移現(xiàn)象，重構(gòu)信號(hào)基本保留原始大地電磁信號(hào)特征，改善大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于該方法原理簡(jiǎn)單、并行運(yùn)算速度快，具有較好的應(yīng)用價(jià)值，適合于礦集區(qū)海量大地電磁強(qiáng)干擾分離。

形態(tài)濾波；大地電磁；強(qiáng)干擾分離；結(jié)構(gòu)元素

礦產(chǎn)資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著地表資源勘查程度的提高，礦床發(fā)現(xiàn)的難度越來(lái)越大，必須增加勘探深度，向深部索取資源，以不斷滿(mǎn)足我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)資源的需求。大地電磁測(cè)深法（Magnetotelluric，MT）自20世紀(jì)50年代初提出以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使得MT得到了飛速發(fā)展，已成為礦區(qū)找礦、海洋地質(zhì)調(diào)查、工程勘

探、地震預(yù)報(bào)、油氣田普查勘探、巖石圈結(jié)構(gòu)探測(cè)、地下水和尋找地?zé)豳Y源等領(lǐng)域的重要手段。大地電磁測(cè)深理論提出至今，噪聲問(wèn)題一直困擾著廣大MT研究者，如何抑制噪聲，提高M(jìn)T測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量，是國(guó)內(nèi)外共同關(guān)注的課題[1?3]。目前大地電磁去噪方法存在一定的局限性，如遠(yuǎn)參考處理法從理論與實(shí)踐結(jié)果看，能成功消除局部相關(guān)噪聲，但是，經(jīng)遠(yuǎn)參考處理后，單點(diǎn)數(shù)據(jù)的誤差棒變大，特別是在處理受電磁干擾嚴(yán)重和校正量較大的數(shù)據(jù)段時(shí)，該現(xiàn)象尤為明顯[4]；Robust處理法無(wú)法消除輸入端的噪聲，且Robust法無(wú)法剔除噪聲較多和能量較強(qiáng)時(shí)的近源電磁相關(guān)噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的干擾[5]；小波變換則過(guò)分依賴(lài)于小波函數(shù)的選取，有時(shí)隨著尺度增大，相應(yīng)正交基函數(shù)的頻譜局部性變差，使其對(duì)大地電磁信號(hào)更精細(xì)分解受到限制[6]；HHT法雖然不要選擇基函數(shù)，與小波變換相比具有更強(qiáng)的時(shí)頻刻畫(huà)能力，但因EMD分解是自適應(yīng)的，無(wú)法揭示每時(shí)段的頻率特性和能量差異所具有的細(xì)微變化，且算法占用大量運(yùn)算時(shí)間，不適合對(duì)實(shí)測(cè)大地電磁信號(hào)進(jìn)行處理[7]；人機(jī)聯(lián)作法雖能較好地改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，但操作時(shí)參與了太多的人為因素，而且耗費(fèi)很多時(shí)間和精力，且操作者必須具備豐富的噪聲識(shí)別經(jīng)驗(yàn)，否則效果適得其反[8]。由于礦集區(qū)人口稠密、現(xiàn)代通訊設(shè)備先進(jìn)、交通發(fā)達(dá)及礦產(chǎn)資源豐富、民間開(kāi)采廣泛等因素導(dǎo)致MT數(shù)據(jù)采集與處理相當(dāng)困難。大地電磁場(chǎng)具有很寬的頻率范圍，鑒于其激發(fā)機(jī)制不同，大地電磁信號(hào)表現(xiàn)出的形態(tài)和頻譜特征也各有差異，且極易受各種噪聲干擾，是典型的非線性和非平穩(wěn)信號(hào)。由于野外觀測(cè)數(shù)據(jù)不可避免地受到各種噪聲的污染，且電磁噪聲干擾日益嚴(yán)重，導(dǎo)致大地電磁采集數(shù)據(jù)的一致性和重復(fù)性變差，曲線參數(shù)的魯棒性也變差，使估算分散不能客觀地反映地下電性分布情況，甚至得到錯(cuò)誤的結(jié)論。如何應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)剖析大地電磁強(qiáng)干擾信號(hào)特征，得到無(wú)偏的阻抗估計(jì)是取得良好勘探結(jié)果的關(guān)鍵。尤其是在礦集區(qū)，礦山的開(kāi)采、冶煉及與其配套的重工業(yè)密集形成的電磁噪聲和人文噪聲非常復(fù)雜，導(dǎo)致測(cè)量得到的視電阻率失真嚴(yán)重。因此，研究MT噪聲的特點(diǎn)和MT測(cè)量數(shù)據(jù)中的信噪識(shí)別和處理技術(shù)，對(duì)改善MT測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量、探測(cè)地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)及尋找深部控礦構(gòu)造具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在此，本文作者針對(duì)大地電磁噪聲的上述特點(diǎn)，引入數(shù)學(xué)形態(tài)濾波進(jìn)行探討，針對(duì)不同的噪聲類(lèi)型選擇不同的結(jié)構(gòu)元素尺寸及大小，構(gòu)造適合大地電磁強(qiáng)干擾分離的形態(tài)濾波器，并對(duì)礦集區(qū)實(shí)測(cè)大地電磁強(qiáng)干擾進(jìn)行降噪處理。

1 數(shù)學(xué)形態(tài)濾波

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)（Mathematical morphology，MM）是基于積分幾何和隨機(jī)集合論等數(shù)學(xué)理論建立起來(lái)的1種非線性信號(hào)處理方法。該算法是用集合來(lái)描述目標(biāo)，集合各部分之間的關(guān)聯(lián)表明目標(biāo)信號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即考察目標(biāo)信號(hào)時(shí)設(shè)計(jì)1個(gè)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)元素的“探針”，通過(guò)探針在信號(hào)中不停地移動(dòng)來(lái)考察信號(hào)各部分之間的關(guān)聯(lián)，從而提取出有用的信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和描述。該方法利用結(jié)構(gòu)元素對(duì)信號(hào)的幾何特征進(jìn)行局部匹配或修正，同時(shí)保留目標(biāo)信號(hào)主要的形狀特征，以達(dá)到提取有用信息、保持細(xì)節(jié)成分和抑制噪聲的目的。形態(tài)濾波器是從數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)發(fā)展起來(lái)的一種新型非線性濾波技術(shù)，近年來(lái)，隨著形態(tài)學(xué)理論的飛速發(fā)展，形態(tài)學(xué)濾波被逐步推廣到一維信號(hào)處理領(lǐng)域[9?11]。

1.1 基本形態(tài)變換

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本變換為膨脹和腐蝕，膨脹和腐蝕變換等價(jià)于離散函數(shù)在滑動(dòng)濾波窗（相當(dāng)于結(jié)構(gòu)元素）內(nèi)的最大值和最小值濾波。其中，膨脹變換表示1種擴(kuò)張變換，使目標(biāo)肢體擴(kuò)張，孔洞收縮，用來(lái)填平邊界不平滑的凹陷部分，增大了谷值，擴(kuò)展了峰頂。腐蝕變換表示1種收縮變換，使目標(biāo)肢體收縮，孔洞擴(kuò)張，用來(lái)剔除邊界不平滑的凸起部分，減少了峰值，加寬了谷域。其定義如下。

設(shè)輸入信號(hào)f（n）為定義在Df={x0，x1，…，xn}上的離散函數(shù)，結(jié)構(gòu)元素g（m）為定義在Dg={y0，y1，…，ym}上的離散函數(shù)，且n＞＞m。則f（n）關(guān)于g（m）的膨脹和腐蝕運(yùn)算分別定義為：

式中：⊕和⊙分別表示膨脹和腐蝕運(yùn)算。

形態(tài)開(kāi)和形態(tài)閉運(yùn)算是膨脹和腐蝕運(yùn)算的衍生運(yùn)算，f（n）關(guān)于g（m）的形態(tài)開(kāi)和形態(tài)閉運(yùn)算分別定義為：

式中：“?”和“·”分別表示形態(tài)開(kāi)和形態(tài)閉運(yùn)算。其中：形態(tài)開(kāi)運(yùn)算是對(duì)結(jié)構(gòu)元素先腐蝕后膨脹，用來(lái)消除目標(biāo)信號(hào)中的細(xì)節(jié)、孤立點(diǎn)及疊加在信號(hào)上窄的“毛刺”，目的是使目標(biāo)信號(hào)的輪廓光滑，從而剔除尖峰，抑制正脈沖（峰值）噪聲；形態(tài)閉運(yùn)算是對(duì)結(jié)構(gòu)元素先膨脹后腐蝕，用來(lái)彌補(bǔ)目標(biāo)信號(hào)中的孔洞及很窄的“裂縫”，目的是填平谷底，抑制負(fù)脈沖（低谷）噪聲。開(kāi)、閉運(yùn)算均具有低通特性，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用形態(tài)開(kāi)、閉運(yùn)算或形態(tài)開(kāi)、閉運(yùn)算的級(jí)聯(lián)形式相結(jié)合來(lái)濾除目標(biāo)信號(hào)中的正、負(fù)脈沖噪聲。

十六大以來(lái)，2002年到2012是我國(guó)GDP增長(zhǎng)最快的十年，國(guó)內(nèi)GDP增速超過(guò)兩位數(shù)，也一躍成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體。然而從2012年開(kāi)始，中國(guó)經(jīng)濟(jì)已然告別了高速增長(zhǎng)期，開(kāi)始了被稱(chēng)之為＂新常態(tài)＂的新階段，GDP增長(zhǎng)率也從2011年接近百分之十下降到2016年的6.7%，這已經(jīng)是自上世紀(jì)九十年代以來(lái)所出現(xiàn)的最低增速。

1.2 構(gòu)建形態(tài)濾波器

Maragos和Schafer采用同一類(lèi)型和尺寸的結(jié)構(gòu)元素，通過(guò)不同順序級(jí)聯(lián)形態(tài)開(kāi)、閉運(yùn)算，定義了形態(tài)開(kāi)?閉FOC（f（n））和閉?開(kāi)濾波器FOC（f（n））[12?13]：

由式（5）和（6）可知：形態(tài)開(kāi)?閉和形態(tài)閉?開(kāi)濾波器都能同時(shí)去除目標(biāo)信號(hào)中的正、負(fù)脈沖干擾，具有形態(tài)學(xué)中開(kāi)、閉運(yùn)算的所有性質(zhì)。但是，由于形態(tài)開(kāi)運(yùn)算的收縮性導(dǎo)致形態(tài)開(kāi)?閉濾波器輸出偏小，而形態(tài)閉運(yùn)算的擴(kuò)展性導(dǎo)致形態(tài)閉?開(kāi)濾波器輸出偏大。因此，目標(biāo)信號(hào)在濾波過(guò)程中存在統(tǒng)計(jì)偏倚現(xiàn)象[14]，直接影響到濾波器的噪聲抑制性能。為了有效去除各種噪聲干擾和抑制統(tǒng)計(jì)偏倚現(xiàn)象，采用級(jí)聯(lián)開(kāi)、閉運(yùn)算構(gòu)造形態(tài)開(kāi)?閉和形態(tài)閉?開(kāi)組合形態(tài)濾波器作為輸出，用于大地電磁強(qiáng)干擾噪聲的分離：

式中：y（n）表示組合形態(tài)濾波器的輸出結(jié)果。重構(gòu)的大地電磁信號(hào)ε（n）定義為：

1.3 選取結(jié)構(gòu)元素

形態(tài)濾波的質(zhì)量取決于所選擇的形態(tài)變換和結(jié)構(gòu)元素。結(jié)構(gòu)元素在形態(tài)運(yùn)算中的作用類(lèi)似于一般信號(hào)處理中的濾波窗口或參考模板，其尺寸和形狀都將對(duì)形態(tài)學(xué)基本變換產(chǎn)生很大影響。采用不同的結(jié)構(gòu)元素可以提取出目標(biāo)信號(hào)中不同的形狀特征，選取的結(jié)構(gòu)元素要盡可能接近待分析信號(hào)的形狀特點(diǎn)。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)元素有直線型、三角型、圓盤(pán)型、正弦型、拋物線型以及其他多邊形組合。待處理信號(hào)的形狀通常決定了結(jié)構(gòu)元素的形狀設(shè)計(jì)，一般一種結(jié)構(gòu)元素對(duì)一類(lèi)噪聲有較好的濾除效果。相對(duì)而言，結(jié)構(gòu)元素越復(fù)雜，其濾除噪聲的能力就越強(qiáng)，但所耗費(fèi)的時(shí)間也就越長(zhǎng)[15]。

2 礦集區(qū)典型強(qiáng)干擾類(lèi)型分析

圖1所示為安徽省廬樅礦集區(qū)某測(cè)點(diǎn)的一段實(shí)測(cè)大地電磁原始數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)由加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V5-2000儀器采集。對(duì)該段數(shù)據(jù)出現(xiàn)強(qiáng)干擾的時(shí)間序列進(jìn)行分析可知：電道和磁道均不同程度地受到了周期性的突跳和波動(dòng)等信號(hào)干擾，這些信號(hào)與穩(wěn)定的天然電磁場(chǎng)信號(hào)相比，具有振幅大、能量強(qiáng)和周期性明顯等特征。因此，將時(shí)域信號(hào)中出現(xiàn)的明顯非天然電磁場(chǎng)的信號(hào)定為噪聲信號(hào)。對(duì)大量MT測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間序列特征進(jìn)行分析可知：電道數(shù)據(jù)常被強(qiáng)度大的方波噪聲干擾，造成電道曲線整體基線漂移嚴(yán)重，對(duì)低頻數(shù)據(jù)的影響巨大；磁道數(shù)據(jù)常被大尺度充放電三角波噪聲干擾，造成磁道曲線突跳明顯且噪聲局部能量強(qiáng)，將正常磁場(chǎng)信號(hào)幾乎完全湮滅，且電道與磁道干擾出現(xiàn)的時(shí)刻具有一定的相關(guān)性[16]。這2類(lèi)典型的強(qiáng)干擾噪聲大量出現(xiàn)在礦集區(qū)大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)中，得到的視電阻率曲線往往表現(xiàn)為明顯的近源效應(yīng)。

圖1 礦集區(qū)典型強(qiáng)干擾類(lèi)型Fig.1 Typical strong interference types in ore district

3 數(shù)值仿真試驗(yàn)

針對(duì)礦集區(qū)大地電磁信號(hào)的噪聲類(lèi)型，模擬典型的含大尺度方波和充放電三角波的強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。根據(jù)形態(tài)濾波器的降噪性能，選擇不同的結(jié)構(gòu)元素及尺寸進(jìn)行分析。降噪性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用濾波誤差E和信噪比RSN2組參數(shù)進(jìn)行衡量，分別定義如下：

誤差E定義為：

式中：s（n）為原始信號(hào)；y（n）為形態(tài)濾波輸出信號(hào)。

圖2所示為含大尺度方波的MT信號(hào)的形態(tài)濾波降噪效果。圖3所示為含大尺度充放電三角波的MT信號(hào)的形態(tài)濾波降噪效果。

圖2 含大尺度方波的MT信號(hào)形態(tài)濾波效果圖Fig.2 Morphology filtering effect chart for large-scale square wave MT noise

圖3 含大尺度充放電三角波的MT信號(hào)形態(tài)濾波效果圖Fig.3 Morphology filtering effect chart for large-scale charging and discharging triangle wave MT noise

由圖2和圖3可知：含大尺度方波和充放電三角波的大地電磁強(qiáng)干擾的能量幅值往往達(dá)到正常大地電磁信號(hào)的幾十倍，正常有用信號(hào)幾乎被完全湮沒(méi)。經(jīng)形態(tài)濾波器后，提取出的形態(tài)輪廓清晰、平滑，幾乎完整地勾勒出含方波和充放電三角波的大尺度噪聲輪廓曲線，將小于或等于結(jié)構(gòu)元素的信號(hào)濾除，只保留了比結(jié)構(gòu)元素大的信號(hào)單元，重構(gòu)后的大地電磁信號(hào)有效地剔除了疊加在有用信號(hào)上的大尺度干擾和由噪聲引起的突跳波形，抑制了基線漂移現(xiàn)象，凸出了大地電磁有用信號(hào)的相關(guān)局部特征，大尺度干擾與正常信號(hào)得到了有效分離。

表1和表2所示為含大尺度方波的MT信號(hào)采用不同結(jié)構(gòu)元素及同一結(jié)構(gòu)元素不同尺寸的濾波性能對(duì)比結(jié)果。

表1 含大尺度方波的MT信號(hào)采用不同結(jié)構(gòu)元素濾波性能對(duì)比Table 1 Filtering performance comparison by different SEs for large-scale square wave MT noise

表2 含大尺度方波的MT信號(hào)采用不同尺寸的矩形結(jié)構(gòu)元素濾波性能對(duì)比Table 2 Filtering performance comparison by different sizes of rectangular type SE for large-scale square wave MT noise

表3和表4所示為含大尺度充放電三角波的MT信號(hào)采用不同結(jié)構(gòu)元素及同一結(jié)構(gòu)元素不同尺寸的濾波性能對(duì)比結(jié)果。

結(jié)合濾波誤差E和信噪比RSN，分析表1～ 4的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：待處理信號(hào)的形狀與結(jié)構(gòu)元素的形狀選取之間有一定的相似性，當(dāng)電道中出現(xiàn)大尺度方波干擾時(shí)，選擇長(zhǎng)度為15點(diǎn)和幅值為0.2的矩形結(jié)構(gòu)元素的濾波效果較好，當(dāng)磁道中出現(xiàn)大尺度充放電三角波干擾時(shí)，選擇長(zhǎng)度為9點(diǎn)和幅值為0.2的三角形結(jié)構(gòu)元素的濾波效果較好。而且，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在選取結(jié)構(gòu)元素的長(zhǎng)度時(shí)，并不是結(jié)構(gòu)元素的長(zhǎng)度越長(zhǎng)濾波效果就越好，當(dāng)結(jié)構(gòu)元素長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，計(jì)算速度反而越慢。以上數(shù)值仿真試驗(yàn)表明：數(shù)學(xué)形態(tài)濾波對(duì)大地電磁強(qiáng)干擾具有較好的去噪能力。

表3 含大尺度充放電三角波的MT信號(hào)采用不同結(jié)構(gòu)元素濾波性能對(duì)比Table 3 Filtering performance comparison by different SEs for large-scale charging and discharging triangle wave MTnoise

表4 含大尺度充放電三角波的MT信號(hào)采用不同尺寸的三角形結(jié)構(gòu)元素濾波性能對(duì)比Table 4 Filtering performance comparison by different sizes of triangle type SE for large-scale charging and discharging triangle wave MT noise

4 實(shí)測(cè)資料應(yīng)用

4.1 大地電磁信號(hào)數(shù)據(jù)提取

圖4（a）所示為該礦集區(qū)采集的實(shí)測(cè)大地電磁信號(hào)在Synchro Time Series View 中觀測(cè)到的Ex低頻段數(shù)據(jù)。V5-2000采集數(shù)據(jù)時(shí)在每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄Ex，Ey，Hx，Hy和Hz5個(gè)分量，并將原始數(shù)據(jù)記錄在TSH（高頻）和TSL（低頻）文件中。由于儀器不提供讀取時(shí)間序列的軟件，資料的處理相當(dāng)于一個(gè)黑匣子。因此，首先必須獲取原始時(shí)間序列，才能進(jìn)一步分析和處理大地電磁強(qiáng)噪聲干擾。

圖4（b）所示為根據(jù)V5-2000的數(shù)據(jù)采集格式[17]，在VC環(huán)境下進(jìn)行編程，從TSH和TSL文件中讀取出的原始數(shù)據(jù)時(shí)間序列在Matlab中的觀測(cè)結(jié)果。對(duì)比圖4（a）和（b）可知：讀取的原始數(shù)據(jù)時(shí)間序列與儀器采集的數(shù)據(jù)一致，這樣就保證了后續(xù)資料處理的可靠性。

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

鑒于大地電磁信號(hào)數(shù)據(jù)量龐大，僅選取其中1個(gè)測(cè)點(diǎn)4個(gè)分量（Ex，Ey，Hx和Hy）中的1個(gè)電場(chǎng)分量（Ex）和1個(gè)磁場(chǎng)分量（Hy）進(jìn)行分析。

圖5所示為廬樅礦集區(qū)中某測(cè)點(diǎn)Ex信號(hào)經(jīng)形態(tài)濾波后的去噪效果圖。

圖6所示為該測(cè)點(diǎn)Hy信號(hào)的去噪效果圖。

圖4 實(shí)測(cè)大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)Fig.4 Measured MT signal

圖5 實(shí)測(cè)大地電磁信號(hào)Ex的去噪效果圖Fig.5 Morphology filtering effect chart for measured MT signal in Ex

圖6 實(shí)測(cè)大地電磁信號(hào)Hy的去噪效果圖Fig.6 Morphology filtering effect chart for measured MT signal in Hy

分析圖5和圖6可知：含大尺度方波和充放電三角波的大地電磁強(qiáng)噪聲干擾經(jīng)形態(tài)濾波后，提取出強(qiáng)干擾的大尺度形態(tài)輪廓，且曲線自然、光滑，較好地保持了原始信號(hào)的局部特征。重構(gòu)后的大地電磁信號(hào)則基本去除了由噪聲引起的突跳波形，有效地抑制了大地電磁信號(hào)中的大尺度干擾和基線漂移，保留了較為豐富的細(xì)節(jié)成分，基本重現(xiàn)了大地電磁正常信號(hào)的原始特征。

圖7所示為廬樅礦集區(qū)某測(cè)線采用非線性共軛梯度法TE模式形態(tài)濾波前后的反演效果對(duì)比圖，圖8所示為采用非線性共軛梯度法TM模式形態(tài)濾波前后的反演效果對(duì)比圖。

分析圖7和圖8可知：形態(tài)濾波前后地下介質(zhì)基本形態(tài)一致，形態(tài)濾波前由于個(gè)別測(cè)點(diǎn)受到近源干擾導(dǎo)致局部極值產(chǎn)生假高阻異常，從而影響周?chē)鷾y(cè)點(diǎn)的反演結(jié)果，形態(tài)濾波后尖銳輪廓變得光滑，大大消除了近源干擾，從而使假高阻異常體減少，反演結(jié)果更加真實(shí)合理。

圖7 非線性共軛梯度法TE模式反演效果圖Fig.7 Nonlinear conjugate gradient method TE model inversion effect chart

圖8 非線性共軛梯度法TM模式反演效果圖Fig.8 Nonlinear conjugate gradient method TM model inversion effect chart

5 結(jié)論

（1） 數(shù)學(xué)形態(tài)濾波能幾乎完整地勾勒出大地電磁強(qiáng)干擾中大尺度噪聲的形態(tài)輪廓，通過(guò)分析待處理信號(hào)的形態(tài)特征，合理地選取結(jié)構(gòu)元素的類(lèi)型和尺寸，能有效抑制大尺度干擾和基線漂移現(xiàn)象。

（2） 形態(tài)濾波法能較大改善礦集區(qū)大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)電磁法探測(cè)結(jié)果的處理和反演解釋具有重要意義。

（3） 數(shù)學(xué)形態(tài)濾波法原理簡(jiǎn)單，具有并行運(yùn)算速度快的優(yōu)勢(shì)，適合于礦集區(qū)海量大地電磁強(qiáng)干擾分離，為提高大地電磁測(cè)深的深部探測(cè)能力提供了新的強(qiáng)有力的技術(shù)支持，應(yīng)用前景廣闊。

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（編輯 何運(yùn)斌）

Magnetotelluric sounding data strong interference
separation method based on mathematical morphology filtering

TANG Jing-tian, LI Jin, XIAO Xiao, XU Zhi-min, LI Hao, ZHANG Chi
（School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China）

Aimed at the problem that magnetotelluric signals are frequently influenced by strong noise interference during acquisition, a new magnteotelluric sounding data strong interference separation method based on mathematical morphology filtering was proposed. Firstly, the noise reduction capability was checked through simulated signal with the common strong interference and then the structure elements size selection program was analysed according to different noise types. Finally, the morphological filtering method was applied to the measured magnetotelluric signals noise reduction process. Experiments using nonlinear conjugate gradient method for inversion were conducted to check the improvement of magnetotelluric signals quality. The results indicate that the proposed method can effectively eliminate large scale disturbance and baseline drift of magnetotelluric signals. The method can better keep the original features of magnetotelluric signals, and the quality of magnteotelluric sounding data is improved. Because the principle of the method is simple and the parallel computing speed is fast, it has good application value and is suitable for the strong interference separation in ore district.

morphology filtering; magnetotelluric sounding; strong interference separation; structuring element

P631

A

1672?7207（2012）06?2215?07

2011?06?05；

2011?08?02

國(guó)家科技專(zhuān)項(xiàng)“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專(zhuān)項(xiàng)”資助項(xiàng)目（SinoProbe-03）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41104071）；湖南省教育廳資助項(xiàng)目（11B074）；中南大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2011QNZT012）

李晉（1981?），男，湖南衡東人；博士研究生，從事大地電磁強(qiáng)噪聲壓制及信號(hào)處理研究；電話：13574170783；E-mail：geologylj@163.com