專利名稱：基于擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法及其探測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種地球物理勘探新方法，特別涉及一種擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法及探測系統。
背景技術：
頻率域電磁法勘探為地球物理勘探的重要手段。頻率域電磁法的原理是根據電磁信號在地下的穿透深度與地下介質的導電性質以及所用電磁波的頻率有密切的關系。當地下介質的電導率不變時，低頻的電磁波穿透的更深，了解到地下信息更多，高頻則相反。頻率域電法在尋找地下金屬礦藏、地質災害探測、水資源分布、煤炭、油氣等資源勘查方面都有著十分廣泛的應用。目前比較常用的頻率域電法主要有變頻法、奇次諧波法、雙頻電流法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、a11序列偽隨機法等。傳統的變頻激電法需要逐次改變頻率,一個一個頻率的供電和測量，所供電流的波形很難保持完全不變，接收時所受的干擾程度也不同，精度和效率低；奇次諧波法比起變頻法有所進步，能夠一次供電進行多個頻率諧波的測量，然而奇次諧波法諧波強度隨諧波次數成反比衰減，且諧波頻率分布不均勻；雙頻激電法將兩種頻率的電流合成，同時供入地下，一次性同時接收兩種頻率的信號，其成功克服了變頻激電的不足，與奇次諧波法相比，它的兩個頻率成分強度完全相等。但對于需要提取多個頻率地電信息的頻譜激電和電磁法來說，仍然難以一次獲得較為完整的激電頻譜；可控源音頻大地電磁法克服了大地電磁(MT)法場源隨機性的缺點，但其沿用MT法卡尼亞公式要求在“遠區”進行測量，達不到遠區公式不成立。a11序列偽隨機法實現了工作效率高、觀測精度高、儀器輕便、觀測參數豐富等優點。a11序列偽隨機信號電法是根據偽隨機信號編碼的數學原理，用_1，0和I三個碼元分別表示電流1=_1，0，I，將n個不同頻率的電流，組合為含有n個主要頻率成分的合成電流，同時供入地下。一次觀測可以從地下提取n個不同頻率的響應。這種方法由于探測信號含有多個頻率成分，可同時測量，一定程度上提高了工作效率。以2n偽隨機信號為例，其場源電流中含有的主頻率按2n步進，主頻率的個數為3、5、7-157…等。根據頻率測深的原理，探測信號頻率的不連續性會造成地質探測深度的不連續，分辨率較低，進而影響地質探測的效果；另外，當外界信號與探測信號中某一頻率重合或接近時，極易影響整個波形的探測結果。為此，在采用這種方法進行探測時，人們不得不加大探測發送機功率，以提高接收信號的信噪比。但功率的加大造成其體積和重量的成倍的增長，不利于野外和山區的勘測。對于頻率域電法而言，我們關注的是大地對供電波形的響應，理想頻率域場源信號應該具有頻率范圍寬、豐富的頻譜信息、頻譜精細化程度高、主頻能量分布均勻、信噪比聞等特點。就發送而言，目前的人工場源電磁探測方法發展的主要瓶頸為發送序列和發送功率兩方面，主要表現在發送序列的單一化和能量分布不均。已有的電磁探測法存在著發送序列復雜度和頻譜細化程度較低，信號功率譜密度低于噪聲功率譜密度、頻譜密度與主頻能量矛盾等問題，制約著電磁探測法的發展，使得單次觀測探測效率低，信噪比的提高依賴于系統能量的提高；就信號檢測方法而言，目前的電磁測探方法為了提高信噪比，均采用了多次疊加的觀測方法，抗干擾能力低，需要多次重復測量來獲得可靠信號。隨著對勘探深度和縱向分辨率要求的提高，以及現代社會人文干擾日益加劇，對電磁勘探檢測方法也提出了更高的要求。英國愛丁堡大學Hobbs等人提出了用偽隨機編碼代替階躍電流，國內學者也有關于m序列及逆重復m序列偽隨機電磁法的研究。但此處提到的m序列及逆重復m序列電磁法所使用的序列復雜度不夠，頻譜均是在頻帶內等間距分布，其偽隨機譜線的疏密對辨識準確度影響很大，所使用的偽碼序列的限制使得信號功率譜密度低于噪聲功率譜密度；且對于m序列和逆m序列，半周期數T的選取對相關辨識算法精度影響很大，T和信號幅度I越大，誤差越小，T越大，譜線越密，但T太大，信號頻帶變寬，主頻能量變小，各種突變干擾對辨識脈沖響應的不良影響也越大，欲提高系統的信噪比，就需要加大系統功率。即所提出的方法，由于受到擴展信號頻譜的限制，仍然在走增加信號功率，減少噪聲，提高信噪比的路。就信號檢測方法而言，目前的電磁測探方法為了提高信噪比，均采用了多次疊加的觀測方法，抗干擾能力低，需要很多次重復測量來獲得可靠信號。
發明內容
為了克服上述現有方法的不足，本發明提出一種擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法及其探測系統。本發明采用的編碼序列頻率范圍寬、頻譜信息豐富、頻譜精細化程度高、主頻能量分布均勻，可克服發送序列的單一化和能量分布不均，單次觀測探測效率低，信噪比的提高依賴于系統能量的提高等問題。本發明同步記錄發送的電流信號和接收機所在位置的地電響應信息，采用相關辨識計算，無用信號的干擾碼序列不起作用。這樣總能避開噪聲干擾，提聞探測的分辨率、抗多頻干擾能力，提聞探測效率。本發明通過發送電極向地下供入以擴頻編碼序列跳變的電流信號作為人工激勵源，接收機接收電磁場響應信息，同時配合GPS同步技術記錄發送的電流信號和接收機所在位置的地電響應信息，經過相關辨識方法，得到大地的頻譜響應，計算出視電阻率、視極化率、視復電阻率等地球物理信息。本發明為地面電磁探測的精細化、高分辨率測深提供新的思路，同時拓寬了擴頻技術的應用領域。隨著新方法的不斷進步和完善，預測本發明將在資源探測領域發揮重要作用。本發明方法的步驟如下(I)發送機通過發送電極向地下供入以擴頻編碼序列跳變的電流信號作為人工激勵源，同時記錄發送電流信號的頻率、幅度、相位等相關信息參數；(2)在距離人工激勵場源數米到數十公里范圍內接收電極處和場源附近的電磁場響應信息；(3)發送信號的采集與接收信號的采集嚴格同步，同步方式采用GPS同步來實現；(4)利用相關算法，將接收端接收到的信號與發送序列做相關運算，去除不相關噪聲，可提取大地系統沖激響應；(5)大地系統沖激響應為地電阻率、收發距及頻率或時間的函數，可求得相關地球物理信息。應用本發明方法的勘探系統主要包括發送機與接收機。所述的發送機用于發送擴頻編碼信號。所述的發送機包括供電電源、快熔、升壓電路、整流濾波、主控單元FPGA，即現場可編程門陣列、隔離驅動單元、保護單元、逆變單元、電壓電流檢測模塊、A/D轉換模塊、輸入控制模塊、顯示存儲模塊、GPS同步模塊以及隔離電源組；所述的主控單元FPGA包括編碼序列頻率-波形合成單元、數據采集單元、USB接口程序；發送機的連接方式為供電電源的輸出端連接快熔后輸入給升壓電路，升壓電路輸出作為整流濾波單元的輸入，整流濾波單元的輸出電壓輸入給逆變單元；主控單元FPGA的編碼序列頻率一波形合成單元輸出跳頻編碼序列，輸入給隔離驅動電路，隔離驅動電路的輸出為逆變單元開關管的輸入驅動信號，主控單元FPGA與控制保護單元相連，保護單元與逆變單元相連接，用于對逆變單元進行保護；逆變單元與電壓電流檢測單元相連接，電壓電流檢測的輸出作為A/D轉換的輸入，而后輸出給主控單元FPGA的信號同步采集；信號同步采 集單元采集到的信號通過USB接口程序實現數據的顯示和存儲，主控單元FPGA與顯示存儲單元相連接；輸入控制端的輸出信號輸入給主控單元FPGA，主控單元FPGA通過解讀控制信號來進行系統同步時間和輸出波形的設定；GPS同步單元與主控單元雙向連接，用于進行同步時間信息的提取和處理。本發明中采用的信號為發送頻率為O. OOlHz 65535Hz之間按編碼圖案變化，發送波形為單極性或雙極性的正弦波或方波。發送頻率范圍和波形形式可預先設定。所述的接收機包括阻抗匹配電路、陷波電路、高低通濾波電路、信號放大電路，A/D轉換、高速信號采集、大容量數據存儲電路、GPS同步單元及人機界面；接收機通過接收電極接收包含地電信息的響應信號，電極送來的信號通過阻抗匹配電路進行阻抗變化，然后通過陷波電路，陷波電路的輸入端與阻抗匹配電路的輸出端相連，陷波電路的輸出端與高低通濾波電路的輸入端相連，高低通濾波電路的輸出端與信號放大電路的輸入端相連，信號放大電路的輸出端再將信號傳遞給A/D轉換后進行高速數據采集，數據采集的輸出通過基于FPGA的USB接口程序輸送給存儲單元；接收到信號的傳遞順序為由阻抗匹配電路至陷波電路至高低通濾波電路、信號放大電路至A/D轉換采集電路至存儲電路。本發明采用的發送信號為跳頻編碼序列波形電流，跳頻編碼序列波形電流的跳頻編碼載波頻率按照某種跳頻圖案偽隨機序列在O. OOlHf65535Hz范圍內跳變。跳頻圖案由偽隨機碼控制，使載頻的跳變具有均勻分布的性質。這樣發送電流既有隨機波形電流的特征，又能重復產生。跳頻編碼發送信號功率譜密度高于噪聲功率譜密度；頻率跳變量使得各子頻率相互不重疊，保持了較高的頻帶利用率；同時跳頻編碼的發送方式決定其具有能量比較集中的優點。均符合一個最優電磁探測發送序列的要求。本發明所述的發送序列由編碼序列發生器和直接數字頻率合成技術，即DDS配合實現。跳頻編碼序列波形產生過程為由線性反饋移位寄存器產生控制字，輸出的控制字經過控制字調整模塊轉化為DDS的頻率控制字，經過相位累加器相位累加后作為一個查表地址輸送給地址調整模塊，地址調整模塊根據輸出波形選擇信號，調整地址值對應于波形存儲器(ROM)中不同波形的存儲區域，最后根據查表的地址值輸出所需數字波形。由編碼序列發生器和直接數字頻率合成技術配合實現本發明所述的gold序列和其他跳頻序列。發送序列的產生由線性反饋移位寄存器來實現，線性反饋移位寄存器是目前FPGA常用的一種實現偽隨機序列的方法，這種方法結構簡單、易于實現、而且所產生的偽隨機序列具有周期長、隨機性好的特點。線性反饋移位寄存器的輸出序列具有周期性。定義所述的η級線性反饋移位寄存器模塊的生成多項式為
權利要求
1.一種基于擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法，其特征在于，所述的方法是通過發送電極向地下供入跳頻編碼序列波形電流信號作為人工激勵源，同時同步記錄發送的電流信號和接收機所在位置的地電響應信息，經過相關辨識方法，得到大地的頻譜響應，計算地球物理信息。
2.根據權利要求I所述的基于擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法，其特征在于，所述跳頻編碼序列波形電流信號為隨跳頻圖案跳變的編碼信號，為單極性或雙極性的正弦波或方波信號；所述信號頻譜分布無限接近白噪聲頻譜特性；所述電流波形信號的編碼序列頻率覆蓋整個頻率段。
3.根據權利要求I或2所述的基于擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法，其特征在于，所發送的電流波形編碼序列信號包括由m序列通過串聯或并聯合成的2n+l個Gold序列，其中m序列為由n級線性反饋移位寄存器產生的最長序列；線性反饋移位寄存器的輸出序列具有周期性；定義所述的n級線性反饋移位寄存器模塊的生成多項式為n/HO = Zy1 = Snx" +Sn-Ix^i + Sn-2X^2 +--- + ElX2 + +gfl 式中，P (X)為關于變量X的多項式；gi (i=0, I,…，n)取二進制的0或I,而gi=l表示在產生的序列中被連接參與反饋，gi=0表示被斷開不參與反饋講為線性反饋移位寄存器的級數；線性反饋移位寄存器的輸出序列長度N和線性反饋移位寄存器的級數n的關系為N=2n-l，n為大于0的整數。
4.根據權利要求I所述的基于擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法，其特征在于所述編碼序列單極性、雙極性的正弦波和方波電流的最低頻率為0. 001Hz，最高頻率為65535Hz,發送頻率為0. OOlHz飛5535Hz之間按編碼圖案變化，且發送頻率范圍可預先設定。
5.根據權利要求I所述的基于擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法，其特征在于在所述的勘探過程中，實時同步記錄發送的電流信號和接收機所在位置的地電響應信息，實時同步記錄的發送電流信號用于相關辨識算法，以求解大地電阻率信息。
6.根據權利要求I所述的基于擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法，其特征在于所述勘探系統發送機產生的跳頻編碼序列電流信號通過發送電極供入地下，接收機在接收端接收經大地響應后攜帶地電信息的信號，同時對發送的電流信號和接收機所在位置記錄的地電響應信息進行GPS同步采集和存儲，經過相關辨識方法，對接收信號和發送信號進行相關性運算，收發距為r處記錄的地電磁系統響應u(r, t) u(r, t) =y (r, t)+n(r, t)=gr(t)*ge(r, t) *f (t) +n (r, t) 式中，gjt)是接收系統的傳遞函數，ge(t)是未知的大地系統沖激響應，n(r, t)是不相關噪聲，f(t)是場源擴頻編碼調制后的編碼序列；若得到大地系統的沖激響應，首先要已知接收系統沖激響應gjt);接收系統沖激響應通過直接記錄發送電流，與同步記錄的場源附近電磁場響應卷積得到；假設所有電磁場接收單元有相同的系統特性，求輸入與輸出信號的互相關，由于噪聲信號與發送信號不相關，因而其互相關等于零，隨后進行傅立葉變換，求得大地頻率響應特性Ge (j )為f Suf(Ja))'] GAM) =/Gr(M)其中suf(j )和Sf(j )分別是u(r，t)與f(t)的互相關Ruf(T)和f(t)的自相關Rf ( T )的傅立葉變換，進行幅度和相位分析估計出地電阻率隨頻率的變化；通過大地頻率響應特性進行運算，分離大地沖激響應和觀測系統沖激響應，大地沖激響應是地電阻率、收發距及頻率或時間的函數；根據大地頻率響應特性得到不同探測深度條件下的地球物理參數信息。
7.一種應用權利要求I所述方法的勘測系統，包括發送機與接收機，其特征在于所述發送機用于發送單極性或雙極性的正弦波或方波跳頻編碼信號，通過電極供入地下；所述的發送機包括供電電源、快熔、升壓電路、整流濾波、主控單元FPGA，即為現場可編程門陣列、隔離驅動電路、保護單元、逆變單元、電壓電流檢測模塊、A/D轉換模塊、輸入控制端、顯示存儲模塊、GPS同步模塊以及隔離電源組；所述的現場可編程門陣列FPGA主控單元包括編碼序列頻率一波形合成單元、數據采集單元、USB接口程序；編碼序列頻率一波形合成單元用于合成跳頻編碼序列圖案，輸出單極性或雙極性的正弦波或方波跳頻編碼信號，同時輸出單一頻率方波或正弦波信號；由編碼序列頻率一波形合成單元合成的編碼序列信號通過隔離驅動電路驅動逆變器單元對波形進行功率放大后，通過發送電極供入大地；A/D轉換及數據采集單元對發送的電流信號進行同步采集和存儲；發送及采集同步單元采用全球定位系統GPS，通過輸入控制端設置系統啟動時間，依靠GPS的世界時和秒脈沖對系統進行收發同步和采樣同步；保護單元對發送機進行過壓、欠壓、過流保護； 所述的接收機通過接收電極來接收反應地電信息的響應信號；所述的接收機主要包括阻抗匹配電路、陷波電路、高低通濾波電路、信號放大電路，A/D轉換、高速信號采集、大容量數據存儲電路，GPS同步單元及人機界面。
8.根據權利要求7所述的勘測系統，其特征在于，所述的發送機包括供電電源、快熔、升壓電路、整流濾波、主控單元FPGA，即現場可編程門陣列、隔離驅動電路、保護單元、逆變單元、電壓電流檢測模塊、A/D轉換模塊、輸入控制端、顯示存儲模塊、GPS同步模塊以及隔離電源組；所述的主控單元FPGA包括編碼序列頻率一波形合成單元、數據采集單元、USB接口程序；發送機的連接方式為供電電源的輸出端連接快熔后輸入給升壓電路，升壓電路輸出作為整流濾波單元的輸入，整流濾波單元的輸出電壓輸入給逆變單元；主控單元FPGA的編碼序列頻率一波形合成單元輸出跳頻編碼序列，輸入給隔離驅動電路，隔離驅動電路的輸出為逆變單元開關管的輸入驅動信號，主控單元FPGA與控制保護單元相連，保護單元與逆變單元相連接，用于對逆變單元進行保護；逆變單元與電壓電流檢測單元相連接，電壓電流檢測的輸出作為A/D轉換的輸入，而后輸出給主控單元FPGA的信號同步采集；信號同步采集單元采集到的信號通過USB接口程序實現數據的顯示和存儲，主控單元FPGA與顯示存儲單元相連接；輸入控制端的輸出信號輸入給主控單元FPGA，主控單元FPGA通過解讀控制信號來進行系統同步時間和輸出波形的設定；GPS同步單元與主控單元雙向連接，用于進行同步時間信息的提取和處理。
9.根據權利要求7所述的勘測系統，其特征在于，所述的接收機包括阻抗匹配電路、陷波電路、高低通濾波電路、信號放大電路，A/D轉換、高速信號采集、大容量數據存儲電路、GPS同步單元及人機界面；接收機通過接收電極接收包含地電信息的響應信號，電極送來的信號通過阻抗匹配電路進行阻抗變化，然后通過陷波電路，陷波電路的輸入端與阻抗匹配電路的輸出端相連，陷波電路的輸出端與高低通濾波電路的輸入端相連，高低通濾波電路的輸出端與信號放大電路的輸入端相連，信號放大電路的輸出端再將信號傳遞給A/D轉換后進行高速數據采集，數據采集的輸出通過基于FPGA的USB接口程序輸送給存儲單元； 接收到信號的傳遞順序為由阻抗匹配電路至陷波電路至高低通濾波電路、信號放大電路至A/D轉換采集電路至存儲電路。
全文摘要
一種基于擴頻編碼技術的地面電磁勘探方法及其探測系統，通過發送電極向地下供入以一定的編碼序列跳變的電流信號作為人工激勵源，接收機接收電磁場響應信息，同時同步記錄發送的電流信號和接收機所在位置的地電響應信息，經過相關辨識方法，得到包含有地電阻率的大地系統響應，最終得出地電阻率分布特征。應用本發明勘探方法的勘探系統，由發送機發送整個預設頻段范圍的單極性或雙極性的正弦波或方波信號，發送序列按預先設定好的頻率圖案跳變，由相關辨識檢測方法去除不相關噪聲。
文檔編號G01V3/12GK102721982SQ20121021451
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月26日 優先權日2012年6月26日
發明者劉國強, 戴世坤, 李士強, 李艷紅 申請人:中國科學院電工研究所