基于V8系統大地電磁時間序列數據文件讀寫

王麗坤，陳進超

基于V8系統大地電磁時間序列數據文件讀寫

王麗坤1，陳進超2

（1.四川金核礦業有限公司，成都 610052；2.成都理工大學，成都 610061）

大地電磁測深法已廣泛應用于礦產資源勘查、工程地質、地震及地質災害等領域。V8多功能電法儀是目前廣泛使用的大地電磁數據采集系統，其隨機配備的軟件雖能顯示或轉換出采集到的時間序列文件數據，但沒有時間域噪聲分析處理功能。為開發與此系統相應的時間域噪聲分析與處理系統，需對采集到的大地電磁測深原始時間序列數據進行分析。論文在分析大地電磁數據原始時間序列文件格式的基礎上，明確了數據存儲形式，根據參數特征，設計了原始數據讀寫算法程序，為大地電磁原始數據時間域分析及信噪分離提供了便利。

V8系統；數據文件；讀寫

大地電磁測深廣泛應用于礦產資源、頁巖氣和煤層氣勘探、工程地質、地震、及地質災害等領域。目前主要采用的采集設備是加拿大鳳凰公司的V8多功能電法儀，該儀器具有簡單輕便、功能強、勘探深度大等特性[1]。在大地電磁實際勘探過程中，會受到通訊設備、鉆井、礦山冶煉、鐵路交通等因素形成的電磁噪聲和人文噪聲的干擾[2]，為了較好地分離大地電磁干擾信號，需對采集到的大地電磁測深原始時間序列數據進行分析研究。

而V8多功能電法儀配套的Synchro Time Series View、SSMT2000、NPIPlot、MTEditor等相關軟件僅具備大地電磁數據的傅里葉變換、顯示電阻率和相位曲線，及原始時間序列文件圖形顯示的功能[3]，不能讀寫（提取）采集到的時間序列文件數據；且目前常用的大地電磁后期處理軟件MTsoft-2D主要用于大地電磁數據反演，不能去除類階躍噪聲、類方波噪聲等人文干擾。因此，為了獲取大地電磁測深原始時間序列數據，本文在分析大地電磁數據原始時間序列文件格式的基礎上，研究不同頻率的3字節二進制格式數據的讀寫，并通過實測數據進行驗證。

1 V8大地電磁數據時間序列文件Tsn格式

V8采集大地電磁測深數據時，在每個測點記錄電道和磁道中Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五個分量，并將原始數據記錄在參數文件（*.TBL）、盒子標定文件（*.CLB）、磁探頭標定文件（*.CLC）及不同頻帶的數據文件（*.Tsn文件，n=3，4，5）中。V8采集到數據文件的命名基于采集設備的序列號和采集日期，命名格式為ssssmdda，其中ssss為采集數據的MTU/MTU-A設備的序列號，m為16進制表示的月份，dd是一個表示日期的兩位十進制數，a是一個表示當天采集次數的英文字母。*.Tsn是存放時間序列的文件，TSn分別標明不同的頻帶，對于V8采集系統，*.TS3是2400Hz的采樣率數據，*.TS4是150Hz的采樣率數據，*.TS5是15Hz的采樣率數據[3]。

圖1 V8的時間序列文件記錄樣式

時間序列文件*.TSn連續記錄時間序列數據，記錄下不同時刻的采樣代數值。每段記錄（RECORDE）由一個tag（標記）和一連串數據組成，由多段記錄（RECORDE）組成了時間序列文件，圖1為時間序列文件的記錄樣式。時間序列以在24位字節存儲，每個采樣占3 bytes。一個scan（掃頻）是多個道的采樣，每道的值由三個字節組成。一個采樣時間的完整scan按照道號保存（道號從1開始），scan按采樣時間的順序保存。第一個scan永遠在UTC的整秒開始記錄，掃描率永遠為1Hz的整數倍[3.4.5]。

表1 Tag(標記)各個字節的含義

根據盒子的硬件不同，tag的格式也可能不同，但是在一個文件中只會使用一種tag。目前，在TSH和TSL文件中，tag為16 bytes長，在TSn文件中32 bytes長。表1綜合說明了不同的tag格式細節。

2 V8系統大地電磁數據讀寫

讀取大地電磁測深數據，需要首先定義相關參數變量見表2，并獲得時間序列數據文件名，接著在文件夾下查詢文件是否存在，不存在則退出程序。打開文件，用二進制方式逐字節順序讀取文件。讀取tag（標簽）參數信息，不同儀器盒子的硬度不同，tag（標記）的格式也不同。取的V8系統大地電磁數據的Tag如下：SEC、MIN、HOUR、DAY、MONTH分別為秒、分、時、天、月；YEAR1、YEAR2是年份，兩個字節保存，因此讀出后要將這兩個字節組合，下同；SER_NUMB1、SER_NUMB2是盒子編號，分兩字節保存；SAMP_RATE1、SAMP_RATE2是采樣率，分兩字節保存；CHAN是采樣道數。

經研究發現文件的數據組織如下：一個TSn文件由若干個RECORD組成，具體個數不確定，需要讀取的時候檢查文件是否結束。一個RECORD由一個tag標簽和一組對應的SCAN組成，這組SCAN的數量在它對應的tag相應的字節中給出；一個SCAN由N個CHANNEL（采集的電道和磁道）數據（整形）組成，CHANNEL的個數在tag標簽相應字節給出；一個tag標簽的所占的字節數（長度）也在它對應的字節中給出，tag標簽一般由32個字節保存。解析RECORD包含的tag長度和含有的SCAN個數，及每個SCAN包含的CHANNEL個數。Tsn時間序列數據讀取流程見圖2。

表2 數據讀取參數及說明

讀取Tsn時間序列數據文件的tag（標記）部分，可獲得文件的時間、儀器序列號、scan掃描個數、channel道數及采樣率等參數信息。接著根據tag（標記）的相關信息，讀取大地電磁實際測量數據。因Tsn時間序列數據文件中每個道channel的數值由3個8位二進制組成，讀取實測數據時，需將三字節的二進制數拼成24位的二進制數，最后將二進制數轉換成十進制數，并存放到對應的數組中。

V8系統采集到的數據以二進制方式存儲，負數采用補碼方式存儲，在補碼中最高位為符號位，正數用原碼形式存儲。

2.1 24位二進制有符合數的拼接

計算機存儲時按照低8位、中8位、高8位順序存放，分別存放到變量SCAN_CHANNEL（1）、SCAN_CHANNEL（2）、SCAN_CHANNEL（3）中，上述三個變量均為單字節整型變量。讀取的時候SCAN_CHANNEL（3）是數據的高8位，SCAN_CHANNEL（1）是數據的低8位，因此要正確組合，就必須先將SCAN_CHANNEL（3）與SCAN_CHANNEL（1）換位，形成正確的數據格式順序，其中SCAN_CHANNEL（3）最高位為符號位。

圖2 讀取Tsn時間序列數據文件流程

2.2 24位二進制有符號數轉換成十進制數

數值在采集儀器存儲的時候為24帶符號的補碼，因此需要先判斷符號，因此最高的一位代表符號位，不能作為數值轉換，實際數據數值部分是23位。

1）符號的判斷：如果SCAN_CHANNEL（3）的十進制值大于或等于128，則表示這個道值是負的，否則為正；

2）若SCAN_CHANNEL（3）表示的十進制值大于等于128，則減去128，將結果乘以65536，與SCAN_CHANNEL（2）*256+SCAN_CHANNEL（1）求和結果與128*65536的值相減，即得24位二進制數表示的十進制數據。

具有的轉換程序如下：

if (SCAN_CHANNEL3 < 0) %高8位為負，需要調整，加上模值128后乘以倍率65536

CHANNEL_VAUE = (SCAN_CHANNEL3+128)*65536

if (SCAN_CHANNEL2 < 0) %中8位為負，需要調整，加上模值后乘以倍率256

CHANNEL_VAUE=CHANNEL_VAUE + (SCAN_ CHANNEL2+256)*256

if (SCAN_CHANNEL1 < 0) %低8位為負，需要調整，加上模值后即為正確數值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_ CHANNEL1+256

else %低8位為正，不需要調整，即為正確數值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_ CHANNEL1

end

else %中8位為正，不需要調整，直接乘以倍率256

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL2 *256

if (SCAN_CHANNEL1 < 0) %低8位為負，需要調整，加上模值后即為正確數值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1+256

else %低8位為正，不需要調整，即為正確數值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1

end

end

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE -8388608

else %高8位為正，不需要調整，直接乘以倍率65536

CHANNEL_VAUE = SCAN_CHANNEL3 * 65536

if (SCAN_CHANNEL2 < 0)

CHANNEL_VAUE=CHANNEL_VAUE + (SCAN_CHANNEL2+256)*256

if (SCAN_CHANNEL1 < 0) %低8位為負，需要調整，加上模值后即為正確數值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1+256

else %低8位為正，不需要調整，即為正確數值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1

end

else %中8位為正，不需要調整，直接乘以倍率256

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL2 *256

if (SCAN_CHANNEL1 < 0) %低8位為負，需要調整，加上模值后即為正確數值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1+256

else %低8位為正，不需要調整，即為正確數值

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + SCAN_CHANNEL1

end

end

CHANNEL_VAUE = CHANNEL_VAUE + 0

end

3 數據讀取實例

采樣本文所用的數據讀取方法對文件名為1659A12A.TS3的時間序列文件進行處理，得到如下相關參數：采樣時間是2015年10月12日10點55分，盒子編號為1659，采集到6道數據，分別對應于Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz的場值，采樣率為2400Hz。將讀取的數據中的Ex道數據的一小段與原程序讀取的數據進行對比，如圖3所示，可知本文所用方法讀取的數據與V8配套軟件讀取的數據完全一致，證明了本文所用方法可行。

圖3 用本文程序讀取的實測MT數據Ex電場分量與原程序讀取數據對比

4 結論

通過對V8系統大地電磁測深時間序列數據文件格式的深入分析和研究，提取Tsn文件的tag標簽參數信息，并根據參數信息，實現了大地電磁時間序列文件的三字節數據的讀寫。該方法可快速準確地獲取時間域數據信息，為后續大地電磁測深數據時間序列的研究、信噪分離及后期處理提供幫助。

[1] 郭澤秋，葉高峰，王輝，魏文博．基于MATLAB的SSMT-2000大地電磁資料批處理技術[J], 物探與化探，2013,37(5):921-925.

[2] 李晉．基于數學形態學的大地電磁強干擾分離及應用[D]．長沙：中南大學，2012.

[3] 加拿大鳳凰地球物理有限公司中國聯絡處．MTU-A操作手冊_3.2.1_beta[M]．北京：加拿大鳳凰地球物理有限公司，2005：129-131．

[4] 劉俊峰，孫保山，程云濤.V8 MT時間序列數據文件讀寫[J]. 工程地球物理學報，2015,12(5):660-664.

[5] 吳正剛，雷旭友，余年.基于V8系統大地電磁數據格式轉換及實現[J]. 工程地球物理學報，2009,6(5):603-606.

Read and Writing of V8 Series Magnetotelluric Time Data File

WANG Li-kun1CHEN Jin-chao2

(1-Sichuan Jinhe Mining Co., Ltd, Chengdu 610052; 2-Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

Magnetotelluric sounding method has been widely applied to exploration of mineral resources such as shale gas and coalbed methane, engineering geology, and geohazard survey and so on. V8 multifunctional electrical method is usually used as magnetotelluric data acquisition system, and its support software can display or conversion to the time sequence of file data, but there is no noise analysis processing functions in time domain. The magnetotelluric original time series data obtained must be analyzed in order to develop the system of the corresponding time domain noise analysis and processing system. This paper defines the form of data storage based on the analyzing the formats of magnetotelluric original time series data, and designs the program of raw data read and write algorithm according to its parameter characteristics.

V8; magnetotelluric time series files; read and write

2017-04-28

四川省科技支撐計劃項目（2016GZ0135）

王麗坤（1985- ），女，山西省應縣，工程師，研究方向：信號與信息處理、監測預警、安全評價

P631.3；

A

1006-0995（2017）04-0674-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.034