基于Hilbert-Huang变换的大地电磁数据处理方法研究

For MT sounding scholars, it is an important topic to seek modern signal processing methods to process the magnetotelluric (MT) data for obtaining the no estimation bias impedance.Our preliminary study proved that spectrum estimation method, which was based on the Hilbert-Huang transform(HHT), could fit the non-stationary characteristics of MT signal better. HHT provide a new road to overcome the deviation of estimation which is caused by the fact that the non-stationary characteristic of MT signal is not suitable for the Fourier transform method. In this project,based on previous research the Hilbert-Huang method will be used to process MT data and compared with Fourier transform. It will be deeply studyed how to use the Hilbert spectrum to statistically estimate power spectrum of MT signal and to solve for response function further.The evaluation system of new method will be builded. Some key technology will be focused on and discussed in detail. One is the power spectrum estimation and the method to improve the accuracy of estimation. The second is to establish the mathematical model and the evaluation system of response function estimation. Lastly, a MT data processing system based on Hilbert-Huang transform will be established and a set of visualization software will be developed. The research findings can provide a technical support to minimize the estimation deviation caused by the traditional method and lay the foundation for the following quantitative inversion.

寻求现代信号处理方法来处理大地电磁（MT）数据以获得"无偏"阻抗估计，是地球物理工作者研究MT测深的重要课题。我们的前期研究表明：用新发展的非线性信号处理方法Hilbert-Huang变换（HHT）来估算功率谱更切合MT信号非平稳特性的实际。这为减小电法勘探中由于MT信号的非平稳特性与传统 Fourier 变换方法不适宜带来的估算偏差提供了思路。本项目拟在前期研究基础上，采用与传统Fourier 变换对比的方法，系统研究由Hilbert时频谱统计估计MT信号功率谱，再由此功率谱来估算响应参数的大地电磁数据处理方法。重点研究功率谱估计及提高谱估计精度的方法；建立响应参数估算的数学模型，以及新方法的评价体系；编制一套可视化软件以适应实测MT数据处理的工程需要。最终建立一套系统的基于HHT的MT数据处理方法，为最小化传统方法带来的估算偏差提供技术支持，为后续精确的定量反演奠定基础。

大地电磁（Magnetotelluric, MT）数据是典型的非线性、非平稳信号。传统处理大地电磁数据的方法是对信号做 Fourier 变换，构成功率谱后，再由此求张量阻抗元素; 而Fourier 变换是以平稳信号为研究基础的，在应用中，对 MT 信号和地质模型做了信号平稳和模型线性的假设，现在被广泛应用的基于 Fourier 变换的 MT 数据处理方法本身就具有偏差。Hilbert-Huang 变换（HHT）是最新发展起来的处理非线性、非平稳信号的方法，已被证明是分析非平稳信号的强有力工具，这为减小电法勘探中由于MT信号的非平稳特性与传统 Fourier 变换方法不适宜带来的估算偏差提供了思路。本项目旨在研究用Hilbert-Huang变换来处理大地电磁（MT）数据以获得"无偏"阻抗估计，首先提出了适合于大地电磁数据处理的Hilbert-Huang 变换关键技术经验模式分解中包络拟合函数、筛选停止准则、端点效应等问题的优化解决方案；然后建立了基于HHT的功率谱估计方法和提高功率谱估计精度的方法，并构建了基于 Hilbert 边际谱的参数估算数学模型，实现了基于 Hilbert-Huang 变换的大地电磁响应参数估算算法；接着采用仿真和实测数据验证的方法，确立了HHT 方法在 MT 数据处理中的适用性及范围，建立了新数据处理方法的评价体系；最后在前面几个研究的基础上，形成了系统的基于 Hilbert-Huang 变换的大地电磁数据处理方法，基本完成了基于Hilbert-Huang 变换的大地电磁数据处理方法整套程序的Matlab编写和优化，实现了剖面大地电磁数据的快速处理。研究结果表明用Hilbert-Huang变换（HHT）来估算功率谱更切合MT信号非平稳特性的实际，由此计算的张量阻抗元素为最小化传统方法带来的估算偏差提供了技术支持，为获得“无偏”的参数估计提供了新途径。基于 Hilbert-Huang 变换的大地电磁数据处理方法有助于提高大地电磁法的数据处理精度及解释水平，更好的指导生产、勘察实际，在 MT 数据处理中有极大的应用前景。若该方法能进一步的嵌入到MT勘探仪器中，将进一步的扩宽大地电磁测深的应用领域，为国民经济发展做出更大贡献。