高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法
2023-08-02 16:13:16 2
專利名稱：高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法
技術領域：
本發明涉及一種地球物理勘探電法儀器的發射信號，尤其是高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法。
背景技術：
高密度電法勘探系統在當今物探領域中發揮著非常重要的作用，傳統的電法儀以發射直流方波信號為主，不利於提取不同的頻率成分。2010年7月，何繼善院士在《廣域電磁法和偽隨機信號電法》一書中提出了基於2n(n為奇數)m序列偽隨機編碼的電法混頻發射技術，該技術在一次發射中完成了混頻發射的目的，且m序列偽隨機編碼的主頻在對數坐標上是等距的，有利於地電勘探。但是偽隨機碼也有幾點不足首先偽隨機編碼主頻雖然在對數坐標軸上是等距的，但相鄰主頻間的頻 率是呈倍數增長，導致高密度電法探測深度點跨度過大，解析度差；另外，從偽隨機編碼的頻譜可以看出，該編碼信號的頻帶較窄，從某種程度上講，不利於後期的去噪處理。CN 2042601U公布了一種電法勘探直流數字電測儀，該電法儀採用的是發射直流信號。CN 102129088公開了一種探地儀發射機，包括電源、主控電路、數模轉換電路、發射電路和監測電路。該發射機發射雙極性矩形波，應用於瞬變電磁探測。CN 102053278公開了一種電法勘探方法及測量裝置，由計算機、可編程邏輯器件、發射機同步時鐘電路、邏輯時序發生器等組成。該儀器通過向地下發送具有偽隨機碼特性的電流信號進而對波形通過數據處理得到幅相頻特性曲線，該電法儀發射的是偽隨機編碼信號。CN 102426393 A公分開了一種電法勘探方法和裝置，該裝置由發送機和接收機兩部分組成。發送機發送偽隨機序列，並對接收機接收到的偽隨機序列進行互相關處理。文中沒有敘述發射信號的過程。CN 1916661公開了一種多功能電法勘探信號發送機控制器，主要由計算機系統、總線接口、波形選擇寄存器、分頻因子寄存器、石英晶體振蕩器、EPROM存儲器等組成，可以產生方波，偽隨機碼波形，以及用戶自定義波形，文中只提到了能產生自定義波形，但沒有敘述產生的過程及方法，以及自定義波形的有益效果。CN 1916662公開了一種多功能電法勘探信號發生器，採用的是由計算機控制，通過波形選擇寄存器、分頻因子寄存器，移位寄存器等邏輯器件組成，可以發射方波，偽隨機碼波形，以及用戶自定義波形，由上位機控制，通過上位機鍵盤輸入選擇不同的發射信號。文中只提到了可以發射自定義波形，但沒有敘述產生的過程及方法，以及如何發射自定義碼。
發明內容
本發明的目的就在於針對上述現有發射機編碼信號的不足，提供一種高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法，它具有如下特點由於產生的自定義碼是基於隨機高斯白噪聲和所需頻率信號疊加形成的信號，頻帶寬，自相關性良好，與其它信號幾乎不相關，故有較強的抗幹擾能力，有利於後期信號的去噪處理；並且可以根據需要方便靈活地將N根主頻設置在較寬的頻帶範圍內，達到混頻發射的目的，有利於觀測地電體的激電性質，並能提高深部探測的解析度的一種高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法，尤其是一種基於隨機高斯白噪聲的高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的
高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法產生過程分四步。第一步選擇主頻，根據電法勘探所要採用的方法和測量區域的地質情況以及工程的具體要求，綜合分析，確定出主頻帶範圍，以及主頻的分布情況；在上位機隨機碼生成軟體的主頻選取對話框中輸入預先確定的n個主頻頻率以及其幅值，由Matlab軟體自動生成n個頻率的正弦波，得到的n個正弦波信號為F1=A1Sin (2 n f:t)，F2=A2Sin (2 n f2t)，......，Fn=AnSin (2 n fnt)；第二步混頻處理將F1, F2,……，Fn個正弦波信號混合在一起得到原始信號Fa，Fa=A1Sin (2 n f:t) +A2Sin (2 n f2t) +......+Ansin (2 n fnt)；高密度電法儀發射波形Fa需要進一步拓寬頻率範圍和增加發射碼型的複雜程度，為此，將Fa疊加隨機高斯白噪聲，加上隨機高斯白噪聲後的混頻信號頻帶寬度滿足拓寬頻率範圍要求，自相關性好，並且與其它信號互不相關；混頻過程是原始信號的主頻分別為f\、f2、f3、…匕，若信號採樣率為Fs，則原始信號Fa —個周期的長度L=Fs/fmin，其中fmin為f\、f2、…、fn中頻率最小值，然後調用隨機高斯白噪聲產生的函數，噪聲信號的幅度取Atl，生成一個長度為L的隨機高斯白噪聲序列，並將這個序列周期延拓m(m=l 100)次得到隨機信號Fb，再將Fa與Fb混合在一起得到混頻後的信號y=Fa+Fb ；第三步整形編碼混頻後的信號y使用編碼原則得到自定義編碼，編碼的碼元由1、0、_1組成；編碼原則整型過程中先取出信號y的最大值Ymax和最小值Ymin,根據Ymean= (| Ymax | +1 Ymin |) /K得到編碼參考值Ymean,而後根據在信號y的大於Ymean的點處取1，在小於-Ymean的點處取_1，其它的點取0原則，得到數字編碼信號Xsignal ；K的取值範圍控制在2.0到20.0之間；對Xsignal信號進行周期延拓後作出它的頻譜圖，判斷主頻的位置是否在設定的位置，且幅度佔總能量的比例較大，否則重新設置編碼參考值，即重新選取K值，按編碼原則進行重新編碼，直到產生的自定義編碼信號Xsignal信號滿足主頻的位置在設定的位置，且幅度佔總能量的比例較大；第四步發射波形，混頻後的信號y經「整形編碼」後，再由能夠發送任意由1，0，-I三元數字碼組合成的發射波形碼，既能發射時域方波碼、頻域矩形波碼和具有混頻性質的偽隨機編碼，又能發射經混頻「整形編碼」後的高斯白噪聲波形碼的高密度發射機向地下發射波形。。
發射電路是由隔離延時電路、橋臂驅動電路、H橋橋臂、浪湧電壓吸收電路、自啟動過流保護電路、過流保護採樣電路和外部高壓電源組成。其中隔離延時電路、橋臂驅動電路、H橋橋臂和外部高壓電源順次連接。過流保護採樣電路一端與H橋橋臂連接，另一端與自啟動過流保護電路連接，自啟動過流保護的另一端跟隔離延時電路的輸入端連接。浪湧電壓吸收電路與H橋橋臂連接。所述上位機，是指可運行Matlab和VC++軟體，並能進行數據處理的微處理器或計算機。所述隨機高斯白噪聲，它的幅度服從高斯分布，而它的功率譜密度是均勻分布的並且它的頻帶範圍很寬。隨機高斯白噪聲的二階矩是不相關的，一階矩為常數，即隨機高斯白噪聲和其它信號的幾乎不相關，而它的自相關性卻很好。所述主頻指的是信號做傅氏變換後得到的頻譜中幅值明顯的那些頻率，即在高密 度電法勘探中對地電勘探有效的頻率。所述自定義編碼，是由操作者根據需要選定的多個主頻，產生一個目標信號Fa，然後疊加隨機高斯白噪聲信號Fb，再通過編碼原則得到的自定義編碼，且碼元是由1，0，-1三元數字碼元構成。有益效果本發明與現有技術不同的是高密度發射機信號採用的是基於隨機高斯白噪聲的自定義編碼，並且主頻的個數、幅度、主頻的範圍及各主頻的位置是由使用者根據具體勘探目標的需要來確定，能夠確保在很寬的頻帶內有符合需要的地電頻率信號，力口大了對信號選擇的靈活性，能夠更好的利用好各種方法實現電法勘探。同時，發射機採用數控直發形式，可以發送任意由1，0，-I三元數字碼元組合成的發射波形碼，因此既可以發射時域的方波碼，又可以發射頻域的矩形波碼和具有混頻性質的偽隨機編碼。更為特別的是它可以發射經混頻、「整形編碼」後的隨機高斯白噪聲碼，該碼型對地電勘測十分有利，它既可以人為的設計勘探深度又可以有效的壓制噪聲幹擾信號。其優點I、根據探測深度、地質條件和勘探方法，人為設置主頻的頻率以及頻率個數，能夠靈活地運用不同的信號滿足勘探要求。2、編碼波形中主頻的個數、幅度、主頻的範圍及各主頻的位置是由使用者根據具體勘探目標確定，有利於突顯地電體的激電性質，同時可以提高深部探測的解析度。3、由於產生的編碼波形是基於隨機高斯白噪聲Fb與選定的n個主頻疊加的編碼，具有良好的自相關峰，抗幹擾能力強，有利於後期的信號去噪處理。
圖I為高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法原始信號Fa的曲線2為高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法原始信號Fa的頻譜3為高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法混頻後信號y的曲線4為高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法混頻後信號y的頻譜5為高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法混頻後信號整形後的編碼序列波形6為高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法混頻信號整形後的信號頻譜7為能夠發射自定義編碼波形的高密度電法儀發射機電路框圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的進行詳細說明第一步選擇主頻根據電法勘探所要採用的方法和測量區域的地質情況以及工程的具體要求作一個綜合分析，確定出主頻帶範圍，以及主頻的分布情況。下面以實例具體說明選頻過程。某工區地質情況如下，該工區地勢平坦，第四系覆蓋厚度15-20m，基巖為花崗巖，深度約500m，上覆的沉積巖主要是砂巖和泥巖，富含構造水。工程具體要求1、測量方法溫納方法。2、勘測目的查明該工區範圍內深度90m以上的含水斷層及斷層走向。根據上述要求，勘探的目的是以查清該區域含水構造及構造走向。故本實例確定3個主頻，分別是250Hz,2kHz 和 IOkHz。 在上位機隨機碼生成軟體的主頻選取對話框中輸入選定的三個頻率以及其幅 值，由Matlab軟體自動生成三個頻率的正弦波，幅值均取0. 5，得到三個正弦波信號Fl =
0.5sin (2 250t), F2 = 0. 5sin (2 n 2000t), F3 = 0. 5sin (2 n IOOOOt)。第二步混頻處理將F1，F2，F3三個正弦波信號混合在一起得到原始信號Fa，Fa = 0. 5sin(2 250t)+0. 5sin (2 3i 2000t) +0. 5sin (2 IOOOOt)，其波形如圖I所示，對上述信號作傅氏變換，得到其頻譜如圖2所示，可以看到三根等幅值的頻譜，與設定的主頻一致。設信號的採樣率Fs = 50K，原始信號Fa —個周期的長度為200個點。調用隨機高斯白噪聲產生函數，噪聲信號的幅度取Atl = 0. 6,生成一個相同長度的隨機噪聲序列，並將這個序列周期延拓100次得到隨機信號Fb，再將Fa與Fb疊加在一起得到混頻後的信號I = Fa+Fb,如圖3所示。對信號y作傅氏變換,得到如圖4所示的頻譜,主頻的位置依舊在設置的頻率位置250Hz，2kHz和10kHz。第三步編碼整形由於發射機發射編碼碼元由1、0、-I組成，將上述信號整型，轉換成我們需要的編碼形式。混頻後的信號y經過編碼原則整型後得到自定義編碼。整型過程中先取出最大值Ymax和最小值Ymin,得到參考值Ymean = (| Ymax | +1 Ymin )/8,而後根據算法在大於Ymean的點處取1，在小於-Ymean的點處取-I，其它的點取0，得到數字編碼信號Xsignal，整形後的信號由200個碼元組成，如圖5所示。圖5給出了含有200個碼元的Xsignal信號的編碼序列Xsignal =[-I I 0 I -I I I I 1-11 1-1-1-1110 0-11 01-10-11111110111110-111010 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -10 -I -I -I -I I I -11-11 0 0 -I I 11-111 I I0 -10 -I -I -I -1-110 -10-11 I 0 0 0 1 0 -1 0I I 0 -10 0 0-1-1-10 -1-10 -1-1-10 -I -I -I I0 -I -I -I I I 0-1 -I -I -I -I -I -I -I -I -1-1-10 I 0-10 0 -1-1-110 0 -1-1-1-10 0 -10 0 -I -I -I 0
I I 0 -I I -10 1 -I I I -1-1-10 0 -I -I -I -I -I -I-I -I]。對Xsignal信號進行周期延拓後作出它的頻譜圖，如圖6所示，三根主頻依舊在設定的頻率位置，且幅度佔總能量的比例較大，完成自定義編碼過程。第四步發射自定義編碼信號發射電路由隔離延時電路14、橋臂驅動電路15、H橋橋臂16、浪湧電壓吸收電路 18、自啟動過流保護電路20、採樣電路19和外部高壓電源17組成。其中隔離延時電路14、橋臂驅動電路15、H橋橋臂16和外部高壓電源17順次連接。採樣電路19 一端與H橋橋臂16連接，另一端與自啟動過流保護電路20連接，自啟動過流保護20的另一端跟隔離延時電路14的輸入端連接。浪湧電壓吸收電路18由壓敏電阻連接在各個橋臂兩端，與H橋橋臂16連接。該發射電路接收由上位機傳過來的自定義編碼信號，然後根據用戶選擇的頻率發射該目標編碼信號。
權利要求
1.一種高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法，是由選擇主頻、混頻處理及按編碼原則進行整形編碼，形成的自定義編碼，再由高密度發射機向地下發射構成，其特徵在於包括以下步驟 第一步選擇主頻， 根據電法勘探所要採用的方法和測量區域的地質情況以及工程的具體要求，綜合分析，確定出主頻帶範圍，以及主頻的分布情況； 在上位機隨機碼生成軟體的主頻選取對話框中輸入預先確定的n個主頻頻率以及其幅值，由Matlab軟體自動生成n個頻率的正弦波，得到的n個正弦波信號為F1=A1Sin (2 f^t)，F2=A2Sin (2 f2t)，......, Fx=Ansin (2 n fnt)； 第二步混頻處理 將F1, F2,……，Fn個正弦波信號混合在一起得到原始信號Fa，Fa=A1Sin (2 n f:t) +A2Sin (2 n f2t) +......+Ansin (2 n fnt)； 高密度電法儀發射波形Fa需要進一步拓寬頻率範圍和增加發射碼型的複雜程度，為此，將Fa疊加隨機高斯白噪聲，加上隨機高斯白噪聲後的混頻信號頻帶寬度滿足拓寬頻率範圍要求，自相關性好，並且與其它信號互不相關； 混頻過程是原始信號的主頻分別為f\、f2> f3>…fn，若信號採樣率為Fs，則原始信號Fa —個周期的長度L=Fs/fmin，其中fmin為f\、f2、…、fn中頻率最小值，然後調用隨機高斯白噪聲產生的函數，噪聲信號的幅度取Atl，生成一個長度為L的隨機高斯白噪聲序列，並將這個序列周期延拓m(m=l 100)次得到隨機信號Fb,再將Fa與Fb混合在一起得到混頻後的信號y=Fa+Fb ； 第二步整形編碼 混頻後的信號y使用編碼原則得到自定義編碼，編碼的碼元由1、0、-1組成； 編碼原則整型過程中先取出信號y的最大值Ymax和最小值Ymin,根據Ymean= (| Ymax | +1 Ymin |) /K得到編碼參考值Ymean,而後根據在信號y的大於Ymean的點處取1，在小於-Ymean的點處取_1，其它的點取0原則，得到數字編碼信號Xsignal ；K的取值範圍控制在2. 0到20. 0之間； 對Xsignal信號進行周期延拓後作出它的頻譜圖，判斷主頻的位置是否在設定的位置，且幅度佔總能量的比例較大，否則重新設置編碼參考值，即重新選取K值，按編碼原則進行重新編碼，直到產生的自定義編碼信號Xsignal信號滿足主頻的位置在設定的位置，且幅度佔總能量的比例較大； 第四步發射波形， 混頻後的信號y經「整形編碼」後，再由能夠發送任意由1，0，-I三元數字碼組合成的發射波形碼，既能發射時域方波碼、頻域矩形波碼和具有混頻性質的偽隨機編碼，又能發射經混頻「整形編碼」後的高斯白噪聲波形碼的高密度發射機向地下發射波形。
全文摘要
本發明涉及一種高密度電法儀發射波形的自定義編碼方法。高密度發射機發射信號採用的是基於隨機高斯白噪聲的自定義編碼，編碼過程由選擇主頻、混頻處理及按編碼原則進行整形編碼組成，形成的自定義編碼後再由高密度發射機向地下發射。主頻的個數、幅度、主頻的範圍及各主頻的位置是由使用者根據具體勘探目標的需要來確定，加大了對信號選擇的靈活性，該碼型對地電勘測十分有利，它既可以人為的設計勘探深度又可以有效的壓制噪聲幹擾信號有利於突顯地電體的激電性質，同時可以提高深部探測的解析度。具有良好的自相關峰，抗幹擾能力強，有利於後期的信號去噪處理。
文檔編號G01V3/00GK102780492SQ20121027714
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月6日 優先權日2012年8月6日
發明者何剛, 凌若飛, 張碧勇, 朱士, 焦陽, 王一, 王君, 趙靜 申請人:吉林大學