一種基于相關辨識頻域方法的探測地下介質系統及其方法與流程

本發明涉及一種基于相關辨識頻域方法的探測地下介質系統及其方法。

背景技術：

地下介質探測系統一直以來都是我國勘探工作的核心系統。電法探測系統是其中之一。勘探的重要環節就是結合儀器所選取的方案，在實際的勘探過程中，往往在大地系統中伴隨著較大的隨機噪聲，這對獲取地下介質的參數有很大的阻礙。在辨識過程中，發送的電流信號、采集的電壓信號、計算所采用的方案、數據處理的流程等，都對最后得到參數的結果有著很大的影響。雖然我國在電法發面已經從開始的直流電阻率法的解決方案過度到頻率電阻率法的解決方案，但是頻率法的效率低這個特點明顯限制了勘探的效率。但是基于相關辨識的頻域方法的勘探系統改正了這個缺點，它兼具直流法效率高和頻率法探測準確的特點，最重要的是這種方法有很強的抑制噪聲的能力，這對勘探有著很大的意義。

目前，我國用于探測地下物質參數的有效方法主要是直流法(時間域電法)、交流電法(頻率域電法)和過度過程法(脈沖瞬變場法)。這幾種探測方案已經不能滿足現在大規模勘探、高精度勘探的形勢。在電法逐步發展的過程中，發展出了雙頻激電法，如發明專利88105655.3所描述的是一種頻率域電法，它是對頻率域電法的發展。其原理是分配不同時間下發送信號的高低電平持續時間，從而使得信號的頻率按照對數呈現，以此滿足不同深度的探測。根據趨膚深度的計算公式其中△為穿透深度，f為磁場頻率，μ為磁導率，ν為電導率。由于所發射的電流的頻率f的頻點為指數增長的，所以計算的探測深度與各個頻點呈正比，由此計算出所測大地的電導率。由于發送的電流頻點個數有限，在一定程度上相比掃頻法的效率是提高了很多，但是這種方法本身并沒有抑制噪聲的能力，在頻點增多時候，勘探的質量得不到保證。因此，找到一種既有抑制噪聲又可以大幅度提高便是效果的辨識系統是非常必要的。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題：克服了現有技術的不足，在可以調節發送頻率來達到探測深度的基礎上，結合系統在頻域完成相關辨識，抑制了噪聲干擾，提高了探測精度。

本發明的技術解決方案為：一種基于相關辨識頻域方法的探測地下介質系統，包括：第一信號產生模塊、第一大地系統、第一時間同步模塊、第一信號接收模塊、第一自相關模塊、第一頻域轉換模塊、第一互相關模塊、第二頻域轉換模塊和第一系統函數求解模塊，其中第一自相關模塊、第一頻域轉換模塊、第一互相關模塊、第二頻域轉換模塊和第一系統函數求解模塊屬于數據處理部分；所述第一時間同步模塊與第一信號產生模塊和第一信號接收模塊相連，第一信號產生模塊再與第一自相關模塊相連，第一自相關模塊與第一頻域轉換模塊相連；第一信號接收模塊與第一互相關模塊相連，第一互相關模塊與第二頻域轉換模塊相連；第一頻域轉換模塊和第二頻域轉換模塊與第一系統函數求解模塊相連；

所述第一信號產生模塊包括依次連接的第一參數單元、第一m序列生成單元、第一A/D采集單元、第一采集存儲單元以及和第一m序列生成單元相連的第一發送電極；首先第一時間同步模塊設置時間使第一m序列生成單元生成相應參數的m序列，生成m序列之后，第一A/D采集單元采集生成端的m序列，然后生成采集存儲單元。同時，生成的m序列經過發送電極發送給第一大地系統。這樣，就完成了m序列的生成和發送；

所述第一信號接收模塊包括第一接收電極、第二A/D采集單元和第二采集存儲單元。第一接收電極與第一大地系統相連，與第一接收電極和第一時間同步模塊相連，第二A/D采集單元與第二采集存儲單元相連。按照第一時間同步模塊設置的發送時間，第二A/D采集單元開始采集經過大地系統后由接收電極接收到的電壓信號，經過第二A/D采集單元采集之后形成數據包b存儲在第二采集存儲單元，從而完成了第一信號接收模塊；

所述第一自相關模塊包括第一自相關單元和第一自相關存儲單元。其中第一自相關單元和第一采集存儲單元，第一自相關單元與第一自相關存儲單元相連。第一采集存儲單元經過第一自相關單元得到第一自相關存儲單元；

所述第一頻域轉換模塊包括第一FFT算子單元和第一自相關頻域單元。第一FFT算子單元分別與第一自相關存儲單元以及第一自相關頻域單元相連。自第一相關存儲單元傳送給第一FFT算子單元后，計算得到第一自相關結果存儲在第一自相關頻域單元。如此，就得到了自相關的頻域結果。

所述第一互相關模塊包括第一互相關算子單元和第一互相關存儲單元。第一互相關算子單元分別與第二采集存儲單元和第一互相關存儲單元相連。第二采集存儲單元經過第一互相關算子單元得到第一互相關存儲單元。

所述第二頻域轉換模塊包括第二FFT算子單元和第一互相關頻域單元。第二FFT算子單元分別與第一互相關存儲單元和第一互相關頻域單元相連。第一互相關存儲單元經過第二FFT算子單元得到第一互相關頻域單元。

第一系統函數求解模塊包括第一除法單元和第一大地頻域辨識單元。第一除法單元分別和第一互相關頻域單元、第一自相關頻域單元與第一大地頻域辨識單元相連。第一互相關頻域單元和第一自相關頻域單元經過第一除法單元，第一互相關頻域單元除以第一自相關頻域單元后，得到第一大地頻域辨識單元。探測大地介質參數的系統的方案是在頻域完成的相關系統辨識，所述第一自相關模塊、第一互相關模塊、第一頻域轉換模塊和第二頻域轉換模塊在求解大地的系統函數的時候具體實現過程如下：首先，通過第一時間同步模塊同步第一信號產生模塊和第一信號接收模塊兩端的時間，發射了通過采集到的第一采集存儲單元計算出采集存儲單元的自相關R_aa(t)、第一采集存儲單元同第二采集存儲單元的互相關R_ab(t)。自相關和互相關的計算公式為：其中自相關R_aa(t)描述的是發送信號的統計特性，互相關R_ab(t)描述的是發送信號a和接收信號b之間的相似程度，i為內插數，N為每個周期的碼片數，q為周期數，按照維納霍夫方程可以得到這個方程：R_ab(t)＝R_aa(t)*h(t)。其中*表示卷積，h(t)表示大地系統脈沖響應。然后利第一用頻域轉換模塊6和第二頻域轉換模塊8得到頻域的自譜和互譜，自譜和互譜的計算公式為：R_aa(w)＝FFT(R_aa(t))、R_ab(w)＝FFT(R_ab(t))。最后對維納霍夫方程兩邊做傅里葉變換得到頻域的計算公式：H(w)＝R_ab(w)/R_aa(w)。所述參數單元中m序列的參數設置默認是碼片寬度1ms，階數為8階255個碼片，幅度為215V。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)相關辨識頻域方法的探測地下介質系統所發送的信號為m序列，計算互相關的時候，由于它本身的偽隨機特性，它和噪聲不相關，這就使得噪聲得到充分的抑制，所以得到的結果相對比較準確。

(2)相關辨識頻域方法的探測地下介質系統在頻域完成了辨識，辨識系統的參數可調，通過調節參數單元的碼片寬度，可以調節探測深度，同時可以根據需要的辨識效果來調節發送序列的電壓幅度值。幅度值越大，所得結果的信噪比越大，探測結果越精確。

(3)本發明適用于大地、固體、流體介質的系統函數的參數檢測，主要用于地下介質探測。

附圖說明

圖1為本發明一種基于相關辨識頻域方法的探測地下介質系統的組成框圖；

圖2為本發明的一個具體實施示例的方法流程圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明的一種基于相關辨識頻域方法的探測地下介質系統，包括：第一信號產生模塊1、第一大地系統2、第一時間同步模塊3、第一信號接收模塊4、第一自相關模塊5、第一頻域轉換模塊6、第一互相關模塊7、第二頻域轉換模塊8和第一系統函數求解模塊9，其中第一自相關模塊5、第一頻域轉換模塊6、第一互相關模塊7、第二頻域轉換模塊8和第一系統函數求解模塊9屬于數據處理部分；所述第一時間同步模塊3與第一信號產生模塊1和第一信號接收模塊2相連，第一信號產生模塊1再與第一自相關模塊5相連，第一自相關模塊5與第一頻域轉換模塊6相連；第一信號接收模塊4與第一互相關模塊相連7，第一互相關模塊7與第二頻域轉換模塊8相連；第一頻域轉換模塊6和第二頻域轉換模塊8與第一系統函數求解模塊9相連；

所述第一信號產生模塊1包括依次連接的第一參數單元12、第一m序列生成單元13、第一A/D采集單元14、第一采集存儲單元15以及和第一m序列生成單元13相連的第一發送電極11；首先第一時間同步模塊3設置時間使第一m序列生成單元13生成相應參數的m序列，生成m序列之后，第一A/D采集單元14采集生成端的m序列，采集的數據包b存儲在第一采集存儲單元15。同時，生成的m序列經過第一發送電極11發送給第一大地系統2。這樣，就完成了m序列的生成和發送；

所述第一信號接收模塊4包括第一接收電極41、第二A/D采集單元42和第二采集存儲單元43。第一接收電極41與第一大地系統2相連，與接第一收電極41和第一時間同步模塊3相連，第二A/D采集單元42與第二采集存儲單元43相連。按照第一時間同步模塊3設置的發送時間，第二A/D采集單元42開始采集經過大地系統后由第一接收電極41接收到的電壓信號，經過第二A/D采集單元42采集之后形成數據包b存儲在第二采集存儲單元43，從而完成了信號接收模塊；

所述第一自相關模塊5包括第一自相關單元51和第一自相關存儲單元52。其中第一自相關單元51和第一采集存儲單元15，第一自相關單元51與第一自相關存儲單元52相連。第一采集存儲單元15經過第一自相關單元51得到的自相關結果存儲在第一自相關存儲單元52；

所述第一頻域轉換模塊6包括第一FFT算子單元61和第一自相關頻域單元62。第一FFT算子單元61分別與第一自相關存儲單元52以及第一自相關頻域單元62相連。第一自相關存儲單元52傳送給第一FFT算子單元61后得到第一自相關頻域單元62如此，就得到了自相關的頻域結果。

所述第一互相關模塊7包括第一互相關算子單元72和第二互相關存儲單元71。第一互相關算子單元72分別與第二采集存儲單元43和第一互相關存儲單元71相連。第二采集存儲單元43經過第一互相關算子單元72得到第一互相關存儲單元71。

所述第二頻域轉換模塊8包括第一FFT算子單元81和第一互相關頻域單元82。第二FFT算子單元81分別與第一互相關存儲單元71和第一互相關頻域單元82相連。第一互相關存儲單元71經過第二FFT算子單元81得到第一互相關頻域單元82。

第一系統函數求解模塊9包括第一除法單元91和第一大地頻域辨識單元92。第一除法單元91分別和第一互相關頻域單元82、第一自相關頻域單元62與第一大地頻域辨識單元92相連。第一互相關頻域單元82和第一自相關頻域單元62經過第一除法單元91，第一互相關頻域單元82除以第一自相關頻域單元62后，得到第一大地頻域辨識單元92。求得大地系統的系統函數后，就可以根據趨膚深度的計算公式計算出大地的地電阻率。

根據本發明的又一實施例，利用本發明對地下介質的進行檢測，從而得到待測大地的系統函數。首先，根據待測系統計算出要發送的m序列的參數。待測系統就是代指大地的系統函數，我們設定待測系統為sys_fun＝250e^-375t+0.25，大地對信號的作用可以等效為卷積的過程。于是，如果我們要求截止頻率為100Hz的m序列，那么m序列的碼片寬度應該為1/100＝0.01s，我們所需要的截止頻率內的譜線個數為m序列一個周期的碼片個數N，于是，在截止頻率內如果需要增加譜線的話，需要增加N的值。但是，在總功率一定的時候，N越多，每條譜線上的能量就越小，每條譜線的幅度也就越小，如果N選取過大就會大大減小每條譜線上的信噪比，而且會大大增加計算量。所以在選取N的時候應該折中考慮這兩方面的因素。該系統在300Hz左右幅度變為0，因此，所需m序列的截止頻率至少為300Hz，我們取1000Hz，采樣率為1000Hz，因此m序列的碼片寬度取0.001s，幅度為1V，3個周期，階數選擇13階(即N＝2¹³-1＝8191)。本發明的時間同步模塊引入RTC實時時鐘和GPS協調工作。實時時鐘主要是采用PCF8563來進行計時。由于野外的工作天氣變化較多，多云天氣時容易導致衛星失鎖，這種天氣下的UTC時間往往不易獲得，引入實時時鐘模塊后，GPS連接時會定時對PCF8563的時鐘矯正，當不能連接到GPS時，PCF8563的實時時鐘可以作為打開AD的一種參考。

下面通過實施例對本發明一種基于相關辨識頻域方法的探測地下介質系統的探測方法再進一步詳細說明；

如圖2所示：

步驟201：上電，啟動系統；

步驟202：系統通電之后，首先執行一系列的準備工作，對各模塊開進行初始化工作。初始化工作包括對這些模塊做操作的預處理，設置好各模塊之間的通信協議，檢查各模塊工作是否正常，配置時鐘；

步驟J01：判斷各個模塊是否初始化成功，如果是，則執行步驟204；如果否，則執行步驟203；

步驟203：初始化失敗，則顯示對應的錯誤信息，必要時發出預警信息，例如，通過蜂鳴器發出報警響聲；

步驟204：初始化成功后，則根據需求設置參數，所述參數包括但不限于采樣率、m序列的碼片寬度、m序列的周期、m序列的幅值、m序列的階數、發送接收時刻、發送接收時間間隔；執行步驟205；

步驟205：實時獲取GPS的時間，不斷更新儀器的現在時刻，然后執行步驟206；

步驟206：FPGA提供秒脈沖計時，實時更新現在時刻；執行步驟J02；

步驟J02：判斷時間是否到達接收時刻，如果是，則執行步驟208；如果否，則執行步驟207；

步驟207：等待時間到達接收時刻；

步驟208：到達設置的發送接收時間后并且在發送接收時間間隔內，產生并發送m序列；然后執行步驟209；

步驟209：發送和接收端采集相應電極的電壓數據，然后執行步驟210；

步驟210：將采集的數據傳輸給DSP緩存，緩存的數據一部分用來存儲在SD卡內部，另一部分用來做辨識運算；

步驟211：存儲采集的數據到SD卡內，發送數據和接受數據分別存儲在兩個文件里，然后執行步驟J03；

步驟J03：判斷時間是否大于等于接收時間間隔，如果是，則執行步驟212；如果否，則執行步驟208；

步驟212：利用自相關和互相關的定義計算自相關和互相關，具體的計算公式為

以及

其中，a(t)表示輸入大地系統的信號，b(t)表示輸出大地系統的信號，R_aa(t)表示輸入信號的自相關，R_ab(t)表示輸入與輸出信號的互相關，i表示內插次數，q表示周期數，N表示m序列的碼片數；

步驟213：計算出自相關和互相關的結果后，轉換結果到頻域上便可計算出系統函數的頻域響應，具體計算公式為

$H\left(w\right)=\frac{FFT\left(R_{ab}\right(t))}{FFT\left(R_{aa}\right(t))}$

計算出系統函數的頻域響應后，將系統函數顯示在TFTLCD屏上；

步驟214：結束辨識工作。

本發明的說明書中并未做詳細的該專業領域的技術人員公知的現有技術。

以上所述的方案是該系統的一種應用場合，將該發明用在別的領域或做相應的修飾和若干改進也應當視為該發明的保護范圍。