CN101833110A - 一种地质信息勘探方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地质信息勘探方法，该勘探方法包括以下步骤：选择特定序列码，将该序列码处理后扩频调制到低频载波信号上，并对已调载波信号进行放大。放大后的电信号由扬声器(弹性波发射天线)转化为包含一定勘探信息的弹性波耦合到大地信道中进行传输。经过大地传播和各个地层交界面反射后不同路径的弹性波信号由拾音器(弹性波接收天线)进行接收，把得到的弹性波信号再转化为电信号。得到的电信号使用选频滤波器去除噪声和干扰，并采用均衡处理、频谱分析、数字信号处理，之后经微机数据处理和融合后，根据多径信号处理的有关算法得出信号的多径时延、信号能量、噪声能量和信噪比参数。

Description

一种地质信息勘探方法

技术领域

本发明涉及一种地质信息勘探方法，特别涉及一种基于扩频技术和相关接收的地质信息勘探方法。

背景技术

传统的地质勘探一般都是使用微震勘探方法。它是根据弹性力学原理，当竖向激振力作用于均质地基表面时，地基表面和内部由近及远产生弹性波的传播现象，其中包括压缩变形产生的纵波(P波)和剪切变形产生的横波(S波)，当这两种波耦合时生成大量的瑞雷波(R波)。人们常采用更容易实测的R波速度来确定地基的S波速度。根据半长波理论可知，所测量的瑞雷波的平均速度v_R可以认为是1/2波长深度处介质的平均弹性参数，该特性为利用瑞雷波进行地质勘探提供了理论依据。瑞雷波测试包括在介质表面采用不同大小的振源进行激振，并在其他的两点或更多测试点布置传感器，接收由振源传播过来的振动信号。传感器的布置一般采用与振源成一条直线或围绕振源成辐射状排列。在直线型分布测试中，测试工点与振源之间的距离以及传感器之间的距离需保持相等。采用小锤激振时，产生的主要是高频信号，宜采用较小的间距布置传感器，采用大锤激振时，产生的主要是低频信号，宜采用较大的间距布置传感器。

不同大小的激振源所产生的瑞雷波波长和波速都不一样，能量较小的激振源主要产生高频信号，波长较短，反映的是浅层土的特性，而能量较大的激振源主要产生低频信号，波长较长，反映了较深土层的特性。对采集的时域信号进行相关分析得到两信号在频域内相干系数和相位差，随后采用瑞雷波波速计算公式可以得到测试工点瑞雷波波长与波速关系的实测频散曲线，最后采用程序对实测频散曲线进行拟合可以得到一条随不同深度变化的剪切波波速曲线，曲线拐弯处为地层分界面。剪切波的波速能反映地基的物理特性，根据不同深度土层的剪切波波速分布可以反求得到各土层的物理特性。

由于弹性波传播媒质为分层大地，其传播过程中干扰严重，传输环境恶劣，导致信号衰减大，接收点信号微弱，信噪比低，弱信号接收困难，勘探的可靠性低，所以传统的地质勘探方法存在较多问题。具体来说，关于实测面波频散曲线的“Z”字现象，从理论模型的解析中还不能精确解释，而且传统的微震勘探方法测试深度相对较浅。当测试深度加大时，振源信号就必须具有足够的低频信号功率，目前技术尚难满足此要求。

扩频技术的一个最为主要的特点是用带宽换取接收增益。在发送端，将一个足够长的序列码调制到载波上，获得很高的编码增益，将已调波放大后发送；在接收端，利用序列码进行相关接收。扩频技术的一个重要特征就是大大提高了接收机的接收能力。在现代通信系统中采用的扩频通信方式，具有良好的抗干扰能力，而且频谱的密度比较低，对于信息勘探的弹性波非常合适，另外扩频通信方式具有高分辨率测距，产生长周期伪随机码，用于克服测量距离较大，反射信号微弱，接收比较困难的难题。因此，本发明我们将扩频技术应用于信息勘探中。

在地质勘探中，随着信号传输距离的增大，反射信号会变弱，也就是说在接收点处得到的信号非常微弱，为了解决这一难题，就必须要加大发射信号的功率，但是增大脉冲信号的峰值功率，通常会受到设备与器件的限制，加大信号的脉冲宽度，又会降低分辨率，因此在本发明中我们采用扩频技术扩频码序列的长度决定了系统的最大不模糊距离，而扩频码序列的速率(或码元宽度)决定了系统的分辨率，所以只需要产生长周期高速率的伪随机码，就可以解决这个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用扩频技术和相关检测原理来进行地质信息勘探的方法。这种地质信息勘探方法在发射的弹性波中携带足够码长的扩频信息进行探测，解决了大地干扰对信息传递的不良影响和信道衰落的问题；使用弹性波作为探测信号的载波，与电磁波相比，低频弹性波在地壳中传输衰减相对较小，有优良的载波特性和穿透能力；在接收端进行相关检测和接收，解决了接收点因为信号微弱、信噪比低和信道干扰造成的信号难以接收和通信不可靠的问题。

本发明为实现上述目的，采用的技术解决方案是：

一种地质信息勘探方法，包括以下步骤：

(1)选择特定序列码，将该序列码处理后扩频调制到低频载波信号上，并对已调载波信号进行放大；

(2)根据上述步骤(1)放大后的电信号由扬声器(弹性波发射天线)转化为包含一定勘探信息的弹性波耦合到大地信道中进行传输；

(3)根据上述步骤(2)经过大地传播和各个地层交界面反射后不同路径的弹性波信号由拾音器(弹性波接收天线)进行接收，把得到的弹性波信号再转化为电信号；

(4)根据上述步骤(3)得到的电信号使用选频滤波器去除噪声和干扰，并采用均衡处理，利用步骤(1)特定序列码通过多个滤波器进行检测和接收；

(5)根据上述步骤(4)检测和接收得到的电信号进行频谱分析，通过信道估计算法算出大地信道的频率响应，从而找到弹性波信号在大地中的传输频段；

(6)根据上述步骤(4)检测和接收得到的电信号进行数字信号处理，应用合适的多径时延的估计算法和均衡算法；

(7)根据上述步骤(5)和(6)所得的信息经微机数据处理和融合后，根据多径时延的估计算法和均衡算法得出信号的多径时延、信号能量、噪声能量和信噪比参数；

上述方法还包括步骤(8)根据步骤(7)得到的参数，依据地质勘探原理分析地层分界情况，并反求得到各地层的物理特性。

上述步骤(1)特定序列码由PN码(伪随机码)与编码数据信号进行模二加(异或运算)，产生一扩频序列，用扩频序列去调制低频载波信号；步骤(4)用与步骤(1)相同且周期相同的伪随机码对电信号进行解扩，由于两伪随机码的相关系数为1，可以完全正确地检测发送端发送的信号，而干扰和噪声由于与上述伪随机码不相同，在解调时被极大地降低，该步骤(4)能够正确计算低频载波信号由发送到达接收的传输时间。

上述步骤(4)通过多个滤波器对多径信号进行检测，区分各个多径信号，得到不同路径信号传输时间。

本发明的有益效果：

在勘测信息的发射端，采用扩频方式，在信息中加入选定随机序列，并用弹性波作为载波进行勘测信息的传输。用扩频方式在弹性波中加入所需的探测信息，用增大随机序列码长度和码片周期的方法来取代探测所需的发射功率，使传统的微震勘探中存在的由于激振源功率难以满足导致传输距离短和信号微弱问题得以解决。

在大地媒质表面使用扬声器将电磁波转换为更适于在大地信道中传播的弹性波进行传递，解决了电磁波在穿透地层时信号衰减大以及通信不可靠的问题。而且，随机序列的长度(或周期)可根据实际情况做出灵活调整，以得到最佳勘测效果。

在信号的检测和接收端，对载有扩频信息的弹性波经过大地传播和不同地层反射后用拾音器进行接收，并对多径信号进行均衡、相关检测，通过选频滤波器去除噪声和干扰。利用不同地层对弹性波的反射所引起的多径效应和传输时延提取出信号传递的各个有效路径。

最后，通过对信号的频谱分析、信号处理和数据融合，得到所需信号的时延和能量参数。基于以上数据，根据地质勘探原理分析地层分界情况，并反求得到各地层的物理特性。

本发明采用扩频技术来进行地质勘探和地层结构的探测，分析勘测区域的地层分布情况和各层的物理特性。用扩频信号调制弹性波进行探测，取代了传统地震勘探中使用的微震方式；采用相关检测的方法接收扩频信号，并进行信道分析，得出地层结构。本发明基于扩频技术，用增长扩频码序列周期的方法解决了微震勘探中功率难以实现、地层反射信号微弱、衰减严重、和接收困难的问题，在地质探测信号的发送和接收方面都有较大的改善。

特别需要指出的就是，本发明在使用扩频技术时与传统的应用方法不同。传统的应用方法是采用增加频带宽度的方法来换取信号传输的优良特性，而本发明中，我们不改变载波信号带宽，采用增加总的发送周期的方法来换取其优良特性。也就是说用低功率持续时间长来获得高震源能量；因扩频序列长度可以足够长，系统的扩频增益并不受影响。

特别需要指出的就是，本发明在使用相关接收时与传统的应用方法不同。传统的应用方法常采用多径分集(如RAKE接收)来消除多径效应的影响，对各个路径的时延信息并不关心；而本发明则同时关心各个多径信号的时延信息和能量信息，来分析各个路径的分布情况，并不进行分集处理。

附图说明

图1为地质信息勘探方法的原理框图。

图2为扩频信号发射系统原理框图。

图3为扩频信号接收系统原理框图。

图4为接收机结构框图。

具体实施方式

一种地质信息勘探方法，包括以下步骤：

(1)选择特定序列码，将该序列码处理后扩频调制到低频载波信号上，并对已调载波信号进行放大；

(2)根据上述步骤(1)放大后的电信号由扬声器(弹性波发射天线)转化为包含一定勘探信息的弹性波耦合到大地信道中进行传输；

(3)根据上述步骤(2)经过大地传播和各个地层交界面反射后不同路径的弹性波信号由拾音器(弹性波接收天线)进行接收，把得到的弹性波信号再转化为电信号；

(4)根据上述步骤(3)得到的电信号使用选频滤波器去除噪声和干扰，并采用均衡处理，利用步骤(1)特定序列码通过多个滤波器进行检测和接收；

(5)根据上述步骤(4)检测和接收得到的电信号进行频谱分析，通过信道估计算法算出大地信道的频率响应，从而找到弹性波信号在大地中的传输频段；

(6)根据上述步骤(4)检测和接收得到的电信号进行数字信号处理，应用合适的多径时延的估计算法和均衡算法；

(7)根据上述步骤(5)和(6)所得的信息经微机数据处理和融合后，根据地质勘探有关算法得出信号的多径时延、信号能量、噪声能量和信噪比参数；

(8)根据步骤(7)得到的参数，依据地质勘探原理分析地层分界情况，并反求得到各地层的物理特性。

上述步骤(1)特定序列码由PN码(伪随机码)与编码数据信号进行模二加(异或运算)，产生一扩频序列，用扩频序列去调制低频载波信号；步骤(4)用与步骤(1)相同且周期相同的伪随机码对电信号进行解扩，由于两伪随机码的相关系数为1，可以完全正确地检测发送端发送的信号，而干扰和噪声由于与上述伪随机码不相同，在解调时被极大地降低，该步骤(4)能够正确计算低频载波信号由发送到达接收的传输时间。

上述步骤(4)通过多个滤波器对多径信号进行检测，区分各个多径信号，得到不同路径信号传输时间。

结合附图配合硬件具体说明本发明地质信息勘探方法的应用。

如图1所示，本发明的信息勘探方法系统由探测信号发生器、功率放大器、扬声器、拾音器、选频滤波器、频谱分析仪、数字信号处理器和微机八部分构成。微机控制探测信号发生器产生用于地质勘探的扩频信号，经过功率放大器后将信号功率和强度放大，由扬声器把电信号转化为弹性波信号耦合到大地中进行传输，经过地层介质传递和反射后，信号会有大量衰减和损耗。拾音器把接收到的微弱弹性波信号再转化为电信号，经过前置放大、选频滤波器滤波，去除噪声和干扰后，一方面送入频谱分析仪进行信号的频谱分析，通过信道估计算法计算出大地信道的频率响应，从而找到弹性波信号在大地中的传输频段；另一方面通过数字信号处理器，选择适合的多径时延的估计算法和均衡算法，经微机数据处理和融合后，统计得出信号的多径时延、信号能量、噪声能量和信噪比参数。

信息勘探在发送端采用扩频码序列PN码(伪随机码)与编码数据信号进行模二加(异或运算)，产生一扩频序列，该序列由于码长度较长，在相同的频带宽度下，占用了很大的发送时长，然后用扩频序列去调制载波并予以传输。在接收端接收到的已调信号经放大之后，用与发送端相同且周期相同的伪随机码对扩频信号进行相关解扩，由于收发端伪随机码的相关系数为1，故可以完全正确地检测发送端发送的信号，而干扰和噪声由于与接收机伪随机码不相关，在相关解调时被极大地降低。通过此方法，正确计算载波信号由发送端到达接收端的传输时间。

探测信号经过功率放大器后把信号功率和强度放大，由扬声器把电信号转化为弹性波信号耦合到大地信道中进行传输。将电磁波转化为弹性波传输，这也是十分关键的。因为电磁波要穿过地层来传播，其衰减较大，而且接收点信号十分微弱，信噪比低，信号干扰很大，传输十分不可靠。因此，本发明中信息勘探方法我们选用弹性波来进行探测。与电磁波透地相比，低频弹性波在地层中传输衰减相对较小，有着更为优良的载波特性和穿透能力，会实现更好的勘探质量。

图1中，频谱分析仪可外置也可由数字信号处理器采用频谱算法实现。

图2示出了本发明信息勘探方法中发送端原理框图。如图2所示，输入数据处理模块将基带信号的二进制不归零序列分成奇偶两路，完成单个位输入输出数据与“双”位数据之间的相位转换。当系统工作于QPSK模式时，每个基本数据单元要发送或接收两位信息数据，即I和Q通道数据。发送的信号在被PN码扩频前要进行差分编码以避免相位模糊问题。XNOR(异或运算)及伪码寄存器部分实现数字信号的扩频运算。事先存储在伪码寄存器中的伪码(即PN码)与I、Q通道的数据分别进行模二加(相当于进行逻辑异或运算)以实现扩频。扩频后的I、Q通道的数据分别送到QPSK调制器进行QPSK调制。QPSK调制模块利用数控振荡器输出的正、余弦信号来调制经过差分编码和扩频运算的数据，产生数字化己调制的中频输出信号。数控振荡器(NCO模块)以系统时钟为时钟信号，产生高频分辨率的正、余弦信号输出，用来对发射信号进行调制，或供接收系统的下变频模块使用。

图3示出了本发明信息勘探方法中接收端原理框图。下变频模块及积分清洗电路对已经过采样和量化的接收中频信号进行数字式下变频，去掉高频分量，并完成相应的QPSK解调，产生下一步扩频匹配滤波相干解扩需要的基带信号。在匹配滤波器中，用存储在其中的PN码进行相关运算，并分别计算出I通道和Q通道的相关运算的和，以实现对接收信号的解扩。差分解调器利用经过匹配滤波器解扩的I、Q两路通道信息，在差分解调器中进行运算，以恢复原始基带信号。输出数据处理模块将差分解调器送来的I、Q两路通道信息经过并-串转换处理后，恢复出原始数据。频率控制器(AFC模)块利用I、Q两路通道产生的信息进行运算，产生AFC(自动频率控制)信号以实现对下变频模块中数控振荡器的输出频率进行控制和调节。

本发明信息勘探方法发送端所发送的信号经过地层介质不同地层的反射、散射等传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落。信息勘探接收端的多径搜索模块采用基于相关能量的判决方法。在一定的延时范围内，各个延时位置上的相关能量表征了各条路径上信号强度的大小，因此，可根据一定的判决原则，将不同相关能量值的路径信号筛选出来。记录各路径的到达时间得到多个时延信息。

携带扩频信息的弹性波经过大地信道的传输和不同地层分界面的反射之后会形成多条路径，信号会有大量衰减和损耗，拾音器把接收到的微弱弹性波信号再转化为电信号，经过选频滤波器滤波，去除噪声和干扰。图4示出了多径信号接收机结构框图，如图4所示，本发明中信息勘探的接收端要进行多径搜索、信道估计和多径分析。多径搜索模块从多径信号中搜索可能存在的多条路径信号，并根据预先确定的原则筛选出若干条路径的信号提供给解调模块和信道估计模块。信道估计模块可根据各路径信号的导频符号信息估计出该路径信号每个传输数据符号位置上的信道参数，并提供给解调模块。解调模块利用该信道估计值对多径搜索模块筛选出来的多径信道解调并得到它们的估计值。多径分析单元将解调模块解调出来的多径信号的时延和能量信息进行分析计算。

信息勘探信号经过以上处理后，再通过数字信号处理器，选择适合的多径时延的估计算法，经微机数据处理和融合后，统计得出信号的多径时延、信号能量、噪声能量和信噪比参数。经过数据处理和融合后，就可完全勘探出大地各层介质的分布及物理特性，实现了基于扩频技术的弹性波透地通信的信息勘探方法。

本发明中的信息勘探方法采用扩频技术来进行地质勘探和地层结构的探测，得到所需信号的多径时延和能量参数。基于以上数据，根据地质勘探原理分析地层分界情况，并反求得到各地层的物理特性。它采用扩频信号调制弹性波进行探测，取代了传统地震勘探中使用的微震方式；并采用相关检测的方法接收扩频信号，并进行信道分析，得出地层结构。本发明基于扩频通信系统的多径效应和检测方法，用增长扩频码序列周期的方法解决了微震勘探中功率难以实现、地层反射信号微弱、衰减严重、和接收困难的问题。信息勘探方法融合无线扩频通信的关键理论和技术，进一步改善了在地质勘探的方法，以全新的理念进行勘探并取得更准确的结果。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种地质信息勘探方法，其特征在于：所述勘探方法包括以下步骤：

(1)选择特定序列码，将该序列码处理后扩频调制到低频载波信号上，并对已调载波信号进行放大；

(2)根据上述步骤(1)放大后的电信号由扬声器(弹性波发射天线)转化为包含一定勘探信息的弹性波耦合到大地信道中进行传输；

(3)根据上述步骤(2)经过大地传播和各个地层交界面反射后不同路径的弹性波信号由拾音器(弹性波接收天线)进行接收，把得到的弹性波信号再转化为电信号；

(4)根据上述步骤(3)得到的电信号使用选频滤波器去除噪声和干扰，并采用均衡处理，利用步骤(1)特定序列码通过多个滤波器进行检测和接收；

(5)根据上述步骤(4)检测和接收得到的电信号进行频谱分析，通过信道估计算法算出大地信道的频率响应，从而找到弹性波信号在大地中的传输频段；

(6)根据上述步骤(4)检测和接收得到的电信号进行数字信号处理，应用合适的多径时延的估计算法和均衡算法；

(7)根据上述步骤(5)和(6)所得的信息经微机数据处理和融合后，根据多径时延的估计算法和均衡算法得出信号的多径时延、信号能量、噪声能量和信噪比参数。

2.根据权利要求1所述的一种地质信息勘探方法，其特征在于：所述方法还包括步骤(8)根据步骤(7)得到的参数，依据地质勘探原理分析地层分界情况，并反求得到各地层的物理特性。

3.根据权利要求1或2所述的一种地质信息勘探方法，其特征在于：所述步骤(1)特定序列码由PN码(伪随机码)与编码数据信号进行模二加(异或运算)，产生一扩频序列，用扩频序列去调制低频载波信号；步骤(4)用与步骤(1)相同且周期相同的伪随机码对电信号进行解扩，由于两伪随机码的相关系数为1，可以完全正确地检测发送端发送的信号，而干扰和噪声由于与上述伪随机码不相同，在解调时被极大地降低，该步骤(4)能够正确计算低频载波信号由发送到达接收的传输时间。

4.根据权利要求3所述的一种地质信息勘探方法，其特征在于：所述步骤(4)通过多个滤波器对多径信号进行检测，区分各个多径信号，得到不同路径信号传输时间。

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