一種電磁大地衝激響應的辨識方法
2023-05-08 11:26:16
一種電磁大地衝激響應的辨識方法
【專利摘要】本發明公開了一種電磁大地衝激響應的辨識方法，按照Wiener-Hopf方程設計電磁大地衝激響應辨識系統，利用偽隨機序列對人工源電磁方法發射波形進行編碼並發射，在觀測中對編碼發射波形與響應觀測信號進行同步採集，之後採用基於互相關辨識原理的方法，由收發信號中消除發射信號自相關旁瓣的複雜影響，實現對大地衝激響應的高精度辨識。與傳統階躍源激勵方式相比，本發明的方法由收發互相關中去除發射波形自相關旁瓣影響，從而顯著提高了電磁大地衝激響應的辨識精度。
【專利說明】-種電磁大地衝激響應的辨識方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及地球物理勘探領域，更具體地，設及一種電磁大地衝激響應的辨識方 法，該方法適用於由地球物理電磁勘探系統的觀測數據中高精度地辨識出大地衝激響應， 尤其適用於基於編碼發射電流的地球物理電磁勘探系統。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術地發展，研究人員面對的對象越發複雜，比如化學化工過程、生物醫 學系統、社會經濟系統、環境系統等，該些複雜的對象通常很難由理論分析的方法得到其數 學模型。對該類對象的研究就提出了一個問題；如何對該類對象的數學模型與參數進行辨 識？
[0003] 正是基於上述現實需求而產生了系統辨識理論與方法。系統辨識是現代控制論的 一個分支，它與狀態估計、控制理論構成了現代控制論的=大支柱。從控制理論的角度出 發，系統辨識的通俗定義是根據被控對象或被辨識系統的輸入、輸出觀測信息來估計它的 數學模型。凡是需要通過對系統的輸入輸出進行觀測，利用觀測數據對系統的數學模型與 重要參數進行研究的場合都屬於系統辨識過程。
[0004] 電磁法作為地球物理勘探方法的一種，依賴外界源（包括人工源與天然源）對大 地媒質進行激勵，通過觀測大地媒質受到激勵後產生的響應（傳統上稱作二次場）來建立 大地媒質電性參數隨空間分布變化的模型。該個過程從現代控制論的角度看實際上就是一 個系統辨識的過程，其包括4個方面；激勵源、信號觀測、辨識模型的建立與系統辨識方法。
[0005] 對於常見的頻率域方法，其激勵源包括天然源和人工源（電流波形常見為佔空比 為100%的雙極性方波）；信號觀測包括觀測數據的採集與觀測數據的處理，觀測數據的 採集一般包括正交分布的電場觀測和磁場觀測，觀測數據的處理一般包括濾波等預處理過 程；辨識模型的建立依據遠區假設，使發射源在測點滿足平面波條件，之後按照波阻抗模型 建立映射關係；系統辨識方法一般指基於最小二乘法的反演過程。
[0006] 對於常見的時間域方法，其激勵源一般為人工源（電流波形常見為佔空比非 100%的雙極性方波、雙極性半正弦W及佔空比為100%的雙極性梯形波、雙極性S角波）； 信號觀測包括觀測數據的採集與觀測數據的處理，觀測數據的採集一般包括單分量或多分 量磁場觀測和/或單分量或多分量電場觀測，觀測數據的處理一般包括平滑等預處理過 程；辨識模型的建立一般分為遠區法和近區法，通過特定的收發及觀測條件建立相對簡化 的映射關係；系統辨識方法一般包括基於最小二乘法的反演過程W及基於簡化算法的成像 過程。
[0007] 無論是頻率域方法還是時間域方法，就整個辨識過程而言實際都可W被區分為兩 個環節：第一個環節實現對電磁大地衝激響應的辨識，第二個環節實現由電磁大地衝激響 應對地下媒質電性參數分布模型的辨識。第一個辨識環節完全屬於"黑箱"辨識，因為它只 能通過測試系統的響應數據進行辨識；第二個辨識環節屬於"灰箱"辨識，因為電磁大地系 統響應與地下媒質電性參數分布之間的映射基本規律是掌握的（基於麥克斯韋方程組）， 但一些具體的機理尚未清楚，因此可稱之為"灰箱"辨識。因為第二個辨識環節的輸入信號 是第一個辨識環節的結果，因此第二個環節的辨識精度將很大程度上取決於第一個環節的 辨識精度。故此，如何提高第一個環節的辨識精度就對於整個辨識的精度具有重大意義。 [000引電磁法的辨識過程一般不具有實時性，按照系統辨識術語，屬於離線辨識。離線辨 識對於輸入信號具有一定要求，其最低要求是在整個觀測周期內，系統的所有模態必須被 輸入信號持續激勵。該就是要求輸入信號的帶寬要能夠覆蓋辨識系統的帶寬，輸入信號帶 寬相對於辨識系統帶寬足夠大，則對辨識系統的辨識也將更加精確。因此，為了能夠更高精 度地實現系統辨識，就必須對輸入信號進行設計，其包括輸入信號的類型選擇、幅值與帶寬 等參數的選擇。從該個角度觀察常見的人工源電磁法激勵波形，其在帶寬、幅值等方面均有 欠缺之處。正是因為如此，越來越多的研究者考慮使用W具有最長循環周期的偽隨機二進 制序列為代表的編碼波形作為激勵源波形。
[0009] 偽隨機二進位序列（Pseudo Random Binary Sequence,簡稱PRB巧是對多種二進 制偽隨機序列的總稱，所謂二進位意味著序列中的每一個隨機量只有1和0兩個邏輯狀態。 在所有PRBS中，有一類稱作具有最長循環周期的線性移位寄存器序列（Maximal Length Sequence,簡稱m序列），因具具有近似白噪聲的性質，工程上也易於實現，被廣泛地用作系 統辨識的輸入信號。
[0010] 在人工源電磁勘探中使用編碼波形作為發射電流波形並非新鮮事物。早在二十世 紀^；：十年代，Quinw、^vewort、Lindsay 1^及Duncan就已經展開了基於編碼電流波形的 人工源電磁勘探系統及方法的研究。在國內，何繼善於1982年提出了《^^序列偽隨機信號電 法，並於21世紀初對系統進行了進一步完善。1985年至1986年，中國地質大學電法科研組 在羅延鍾教授的主持下，開展偽隨機信號寬帶激電儀的研製工作。上世紀九十年代，Strack 在其著作中也同樣將偽隨機編碼作為L0TEM方法發射波形進行了研究，該項研究啟發蘇格 蘭愛了堡大學的科研工作者於2004年左右推出了 MTEM系統。在過去十年時間裡，國內基 於編碼發射電流的勘探系統研究也方興未艾，如趙碧如團隊於2007年至2009年研製了適 用於礦產勘查的偽隨機信號電阻率法和激電法儀器KGR。2013年啟動的國家重大科研裝備 研製項目"深部資源探測核屯、裝備研發"，其子項目"多通道大功率電法勘探儀"展開基於m 序列編碼電流波形的電法勘探裝置研發。
[001U 利用m序列進行系統辨識的基本原理基於Wiener-Hopf方程。對於如圖2所示的 一個線性時不變系統：
[0012] y (t) = z (t)+n(t) (13)
[0013] z (t) = g(t)*u(t) (14)
[0014] 其中u(t)為輸入信號，g(t)為系統的衝激響應，z(t)為u(t)經過系統的輸出信 號，n(t)為噪聲，y(t)是包含噪聲的輸出信號。基於圖2的系統描述，首先僅考慮u(t)與 Z (t)，Wiener-Hopf 方程可寫為；
[0015] CR(z，U) = g*AR(u) (15)
[0016] 其中，CR(1，m)表示信號1與m的互相關，ARa)表示信號1的自相關。式（巧） 表示輸入信號的自相關與系統衝激響應的卷積為輸入信號與輸出信號的互相關。考慮噪聲 n，則有：
[0017] CR(y,u) = CR(z, u)+CR(n, u) = g*AR(u)+CR(n, u) (16)
[0018] 式（16)即為基本相關辨識方法的數學描述。w式（16)為基礎選擇輸入信號，其 要求包括；首先，輸入信號應具有隨機性，使式中的CR(n，u)可忽略；其次，輸入信號自相關 應具有類似5 (t)函數的形態，則可使g*AR(u)近似等於g(t)。
[0019] m序列能夠較好地滿足上述要求，因此成為一種常見的系統辨識輸入信號。然而， 相對於5 (t)函數僅在一點上具有非零值的特性，即便m序列選擇較高的編碼階數、較短的 碼元寬度，其自相關序列尖峰兩側的非零旁瓣依然存在。該些旁瓣的影響複雜且無法忽略， 因此對於辨識精度有較高要求的EM方法，則不能簡單引用式（16)進行大地衝激響應辨識。
[0020] 綜上所述，使用m序列作為激勵源波形對電磁大地脈衝響應進行的辨識，具有一 系列優勢，比如高抗幹擾性、更寬的帶寬等。然而，對於使用基於m序列作為激勵源波形的 系統，由於如何克服發射信號自相關旁瓣影響的方法尚不成熟，導致辨識精度不足。本發明 正是針對此問題，提出一種去除自相關旁瓣影響的方法，從而顯著提高了對大地衝激響應 的辨識精度。
【發明內容】
[0021] 有鑑於此，本發明公開了一種電磁大地衝激響應的精確辨識方法，W從收髮結果 中更加精確地辨識出大地電磁脈衝響應，
[0022] 為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，本發明提供了一種電磁大地衝激響 應的辨識方法，其特徵在於，按照Wiener-Hopf方程設計電磁大地衝激響應辨識系統，利用 偽隨機序列對人工源電磁方法發射波形進行編碼並發射，在觀測中對編碼發射波形與響應 觀測信號進行同步採集，之後採用基於互相關辨識原理的方法，由收發信號中消除發射信 號自相關旁瓣的複雜影響，實現對大地衝激響應的高精度辨識。
[0023] 作為本發明的另一個方面，本發明還提供了一種電磁大地衝激響應的辨識方法， 包括W下步驟：
[0024] 對人工源電磁方法發射波形進行編碼；
[0025] 按照所述編碼生成發射驅動信號；
[0026] W所述發射驅動信號驅動發射機進行發射；
[0027] 使用具有相同系統響應的記錄裝置或各裝置間系統響應函數關係已知的記錄裝 置同時對所述發射機實際發射電流波形與觀測到的響應信號進行記錄存儲；
[002引根據記錄的所述發射機實際發射電流波形計算所述發射機實際發射電流波形的 自相關函數；
[0029] 根據記錄的所述觀測到的響應信號計算所述觀測到的響應信號與所述發射機實 際發射電流波形的互相關函數；
[0030] 基於互相關辨識原理，通過數學方法消除發射信號自相關旁瓣的複雜影響，實現 對大地衝激響應的高精度辨識。
[0031] 其中，所述對人工源電磁方法發射波形進行編碼的步驟是按照Wiener-Hopf方程 進行編碼的。
[0032] 其中，所述對人工源電磁方法發射波形進行編碼的步驟是採用偽隨機二進位序 列，即m序列進行編碼的。
[0033] 其中，所述計算發射機實際發射電流波形的自相關函數的步驟包括：
[0034] 計算AR(T,(t))，其中T,(t)為實際發射電流波形，ARa)表示信號1的自相關。
[0035] 其中，所述計算觀測到的響應信號與發射機實際發射電流波形的互相關函數的步 驟包括：
[0036] 對馬(t)與Tx W做互相關計算：
[0037] CR (Rx (t)，Tx (t)) = CR (g (t) *1, (t)曲,(t)，Tx (t)) +CR (V，Tx (t)) (3)
[003引其中，實際發射電流波形為T,(t)、觀測到的響應信號為R,(t) W及電磁大地衝激 響應為g(t)，I，(t)為發射機實際輸出的發射電流波形，htf(t)為用於記錄I，(t)的接收機 的系統響應，hf(t)為用於響應信號觀測的接收機的系統響應，V為噪聲，CR(l，m)表示信號 1與m的互相關。
[0039] 其中，所述具有相同系統響應的記錄裝置或各裝置系統響應函數關係已知的記錄 裝置滿足W下關係：
[0040] htr (t) = hr (t)妨
[0041] 或Mt)與hr(t)滿足w下關係：
[00創 htr (t) = f (t) *hr (t)化）
[00創其中，f(t)為已知的、t(t)和hfU)的關係函數。
[0044] 其中，所述基於互相關辨識原理的方法，消除發射信號自相關旁瓣的複雜影響的 步驟包括：
[0045]
【權利要求】
1. 一種電磁大地衝激響應的辨識方法，其特徵在於，按照Wiener-Hopf方程設計電磁 大地衝激響應辨識系統，利用偽隨機序列對人工源電磁方法發射波形進行編碼並發射，在 觀測中對編碼發射波形與響應觀測信號進行同步採集，之後採用基於互相關辨識原理的方 法，由收發信號中消除發射信號自相關旁瓣的複雜影響，實現對大地衝激響應的高精度辨 識。
2. -種電磁大地衝激響應的辨識方法，包括以下步驟： 對人工源電磁方法發射波形進行編碼； 按照所述編碼生成發射驅動信號； 以所述發射驅動信號驅動發射機進行發射； 使用具有相同系統響應的記錄裝置或各裝置間系統響應函數關係已知的記錄裝置同 時對所述發射機實際發射電流波形與觀測到的響應信號進行記錄存儲； 根據記錄的所述發射機實際發射電流波形計算所述發射機實際發射電流波形的自相 關函數； 根據記錄的所述觀測到的響應信號計算所述觀測到的響應信號與所述發射機實際發 射電流波形的互相關函數； 基於互相關辨識原理，通過數學方法消除發射信號自相關旁瓣的複雜影響，實現對大 地衝激響應的高精度辨識。
3. 根據權利要求2所述的電磁大地衝激響應的辨識方法，其中所述對人工源電磁方法 發射波形進行編碼的步驟是按照Wiener-Hopf?方程進行編碼的。
4. 根據權利要求3所述的電磁大地衝激響應的辨識方法，其中所述對人工源電磁方法 發射波形進行編碼的步驟是採用偽隨機二進位序列，即m序列進行編碼的。
5. 根據權利要求2所述的電磁大地衝激響應的辨識方法，其中所述計算發射機實際發 射電流波形的自相關函數的步驟包括： 計算AR(Tx(t))，其中Tx(t)為實際發射電流波形，AR(I)表示信號1的自相關。
6. 根據權利要求2所述的電磁大地衝激響應的辨識方法，其中所述計算觀測到的響應 信號與發射機實際發射電流波形的互相關函數的步驟包括： 對艮(0與1；(〇做互相關計算： CR(Rx (t)，Tx (t)) =CR(g(t) *IW (t) *hr (t)，Tx (t))+CR(v，Tx (t)) (3) 其中，實際發射電流波形為Tx(t)、觀測到的響應信號為Rx(t)以及電磁大地衝激響應 為g(t)，Iw(t)為發射機實際輸出的發射電流波形，ht,(t)為用於記錄Iw(t)的接收機的系 統響應，Mt)為用於響應信號觀測的接收機的系統響應，V為噪聲，CR(l，m)表示信號1與 m的互相關。
7. 根據權利要求2所述的電磁大地衝激響應的辨識方法，其中所述具有相同系統響應 的記錄裝置或各裝置系統響應函數關係已知的記錄裝置滿足以下關係： htr(t) =hr(t) (5) 或Mt)與^⑴滿足以下關係：hr(t) =f(t)*hr(t) (6) 其中，f(t)為已知的ht,(t)和h,(t)的關係函數。
8. 根據權利要求7所述的電磁大地衝激響應的辨識方法，其中所述基於互相關辨識原 理的方法，通過數學方法消除發射信號自相關旁瓣的複雜影響的步驟包括：
且當htt(t)與匕⑴之間的關係如權利要求7所述時， 則式（4)可被矩陣化為： A=BG+cv (11) 其中：
Ng為辨識大地衝激響應的採樣點數；nJPn2分別為a(n)和b(n)序列中最大值採樣點 的序列號； 通過最小二乘法計算，將矢量G從矢量A中分離出來： G= (BtBK1BtA(12)， 由此得到的G實現了將發射信號自相關旁瓣的影響從收發互相關中去除，實現了對大 地衝激響應的高精度辨識。
9. 根據權利要求8所述的電磁大地衝激響應的辨識方法，其中在所述基於互相關辨識 原理的方法，消除發射信號自相關旁瓣的複雜影響的步驟中，對所述式（12)進行多次迭代 計算，以進一步提高辨識精度。
10. 根據權利要求8所述的電磁大地衝激響應的辨識方法，其中在所述基於互相關辨 識原理，消除發射信號自相關旁瓣的複雜影響的步驟之前還包括對數據進行去偏置處理， 即使用低通濾波將信號帶寬限制在相應的範圍內的步驟；以及 在完成辨識之後，還包括根據接收機採樣頻率對G的幅度進行修正，並對G曲線進行平 滑處理的步驟。
【文檔編號】G01V3/08GK104502980SQ201410743525
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月8日 優先權日:2014年12月8日
【發明者】武欣, 方廣有, 薛國強, 底青雲, 張一鳴 申請人:中國科學院電子學研究所, 中國科學院地質與地球物理研究所, 北京工業大學