CN102780492B - 高密度电法仪发射波形的自定义编码方法 - Google Patents
高密度电法仪发射波形的自定义编码方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102780492B CN102780492B CN201210277144.2A CN201210277144A CN102780492B CN 102780492 B CN102780492 B CN 102780492B CN 201210277144 A CN201210277144 A CN 201210277144A CN 102780492 B CN102780492 B CN 102780492B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- frequency
- user
- mixing
- code
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
本发明涉及一种高密度电法仪发射波形的自定义编码方法。高密度发射机发射信号采用的是基于随机高斯白噪声的自定义编码，编码过程由选择主频、混频处理及按编码原则进行整形编码组成，形成的自定义编码后再由高密度发射机向地下发射。主频的个数、幅度、主频的范围及各主频的位置是由使用者根据具体勘探目标的需要来确定，加大了对信号选择的灵活性，该码型对地电勘测十分有利，它既可以人为的设计勘探深度又可以有效的压制噪声干扰信号有利于突显地电体的激电性质，同时可以提高深部探测的分辨率。具有良好的自相关峰，抗干扰能力强，有利于后期的信号去噪处理。
Description
技术领域：
本发明涉及一种地球物理勘探电法仪器的发射信号，尤其是高密度电法仪发射波形的自定义编码方法。
背景技术：
高密度电法勘探系统在当今物探领域中发挥着非常重要的作用，传统的电法仪以发射直流方波信号为主，不利于提取不同的频率成分。
2010年7月，何继善院士在《广域电磁法和伪随机信号电法》一书中提出了基于2n(n为奇数)m序列伪随机编码的电法混频发射技术，该技术在一次发射中完成了混频发射的目的，且m序列伪随机编码的主频在对数坐标上是等距的，有利于地电勘探。但是伪随机码也有几点不足：首先伪随机编码主频虽然在对数坐标轴上是等距的，但相邻主频间的频率是呈倍数增长，导致高密度电法探测深度点跨度过大，分辨率差；另外，从伪随机编码的频谱可以看出，该编码信号的频带较窄，从某种程度上讲，不利于后期的去噪处理。
CN 2042601U公布了一种电法勘探直流数字电测仪，该电法仪采用的是发射直流信号。
CN 102129088公开了一种探地仪发射机，包括电源、主控电路、数模转换电路、发射电路和监测电路。该发射机发射双极性矩形波，应用于瞬变电磁探测。
CN 102053278公开了一种电法勘探方法及测量装置，由计算机、可编程逻辑器件、发射机同步时钟电路、逻辑时序发生器等组成。该仪器通过向地下发送具有伪随机码特性的电流信号进而对波形通过数据处理得到幅相频特性曲线，该电法仪发射的是伪随机编码信号。
CN 102426393 A公分开了一种电法勘探方法和装置，该装置由发送机和接收机两部分组成。发送机发送伪随机序列，并对接收机接收到的伪随机序列进行互相关处理。文中没有叙述发射信号的过程。
CN 1916661公开了一种多功能电法勘探信号发送机控制器，主要由计算机系统、总线接口、波形选择寄存器、分频因子寄存器、石英晶体振荡器、EPROM存储器等组成，可以产生方波，伪随机码波形，以及用户自定义波形，文中只提到了能产生自定义波形，但没有叙述产生的过程及方法，以及自定义波形的有益效果。
CN 1916662公开了一种多功能电法勘探信号发生器，采用的是由计算机控制，通过波形选择寄存器、分频因子寄存器，移位寄存器等逻辑器件组成，可以发射方波，伪随机码波形，以及用户自定义波形，由上位机控制，通过上位机键盘输入选择不同的发射信号。文中只提到了可以发射自定义波形，但没有叙述产生的过程及方法，以及如何发射自定义码。
发明内容：
本发明的目的就在于针对上述现有发射机编码信号的不足，提供一种高密度电法仪发射波形的自定义编码方法，它具有如下特点：由于产生的自定义码是基于随机高斯白噪声和所需频率信号叠加形成的信号，频带宽，自相关性良好，与其它信号几乎不相关，故有较强的抗干扰能力，有利于后期信号的去噪处理；并且可以根据需要方便灵活地将N根主频设置在较宽的频带范围内，达到混频发射的目的，有利于观测地电体的激电性质，并能提高深部探测的分辨率的一种高密度电法仪发射波形的自定义编码方法，尤其是一种基于随机高斯白噪声的高密度电法仪发射波形的自定义编码方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
高密度电法仪发射波形的自定义编码方法产生过程分四步。
第一步：选择主频，
根据电法勘探所要采用的方法和测量区域的地质情况以及工程的具体要求，综合分析，确定出主频带范围，以及主频的分布情况；
在上位机随机码生成软件的主频选取对话框中输入预先确定的n个主频频率以及其幅值，由Matlab软件自动生成n个频率的正弦波，得到的n个正弦波信号为F1=A1sin(2πf1t)，F2=A2sin(2πf2t)，……，Fn=Ansin(2πfnt)；
第二步：混频处理
将F1，F2，……，Fn个正弦波信号混合在一起得到原始信号Fa，Fa=A1sin(2πf1t)+A2sin(2πf2t)+……+Ansin(2πfnt)；
高密度电法仪发射波形Fa需要进一步拓宽频率范围和增加发射码型的复杂程度，为此，将Fa叠加随机高斯白噪声，加上随机高斯白噪声后的混频信号频带宽度满足拓宽频率范围要求，自相关性好，并且与其它信号互不相关；
混频过程是：原始信号的主频分别为f1、f2、f3、…fn，若信号采样率为Fs，则原始信号Fa一个周期的长度L=Fs/fmin，其中fmin为f1、f2、…、fn中频率最小值，然后调用随机高斯白噪声产生的函数，噪声信号的幅度取A0，生成一个长度为L的随机高斯白噪声序列，并将这个序列周期延拓m(m=1～100)次得到随机信号Fb，再将Fa与Fb混合在一起得到混频后的信号y=Fa+Fb；
第三步：整形编码
混频后的信号y使用编码原则得到自定义编码，编码的码元由1、0、-1组成；
编码原则：整型过程中先取出信号y的最大值Ymax和最小值Ymin，根据Ymean=(|Ymax|+|Ymin|)/K得到编码参考值Ymean，而后根据在信号y的大于Ymean的点处取1，在小于-Ymean的点处取-1，其它的点取0原则，得到数字编码信号Xsignal；K的取值范围控制在2.0到20.0之间；
对Xsignal信号进行周期延拓后作出它的频谱图，判断主频的位置是否在设定的位置，且幅度占总能量的比例较大，否则重新设置编码参考值，即重新选取K值，按编码原则进行重新编码，直到产生的自定义编码信号Xsignal信号满足主频的位置在设定的位置，且幅度占总能量的比例较大；
第四步：发射波形，
混频后的信号y经“整形编码”后，再由能够发送任意由1，0，-1三元数字码组合成的发射波形码，既能发射时域方波码、频域矩形波码和具有混频性质的伪随机编码，又能发射经混频“整形编码”后的高斯白噪声波形码的高密度发射机向地下发射波形。。
发射电路是由隔离延时电路、桥臂驱动电路、H桥桥臂、浪涌电压吸收电路、自启动过流保护电路、过流保护采样电路和外部高压电源组成。其中隔离延时电路、桥臂驱动电路、H桥桥臂和外部高压电源顺次连接。过流保护采样电路一端与H桥桥臂连接，另一端与自启动过流保护电路连接，自启动过流保护的另一端跟隔离延时电路的输入端连接。浪涌电压吸收电路与H桥桥臂连接。
所述上位机，是指可运行Matlab和VC++软件，并能进行数据处理的微处理器或计算机。
所述随机高斯白噪声，它的幅度服从高斯分布，而它的功率谱密度是均匀分布的并且它的频带范围很宽。随机高斯白噪声的二阶矩是不相关的，一阶矩为常数，即随机高斯白噪声和其它信号的几乎不相关，而它的自相关性却很好。
所述主频指的是信号做傅氏变换后得到的频谱中幅值明显的那些频率，即在高密度电法勘探中对地电勘探有效的频率。
所述自定义编码，是由操作者根据需要选定的多个主频，产生一个目标信号Fa，然后叠加随机高斯白噪声信号Fb，再通过编码原则得到的自定义编码，且码元是由1，0，-1三元数字码元构成。
有益效果：本发明与现有技术不同的是：高密度发射机信号采用的是基于随机高斯白噪声的自定义编码，并且主频的个数、幅度、主频的范围及各主频的位置是由使用者根据具体勘探目标的需要来确定，能够确保在很宽的频带内有符合需要的地电频率信号，加大了对信号选择的灵活性，能够更好的利用好各种方法实现电法勘探。同时，发射机采用数控直发形式，可以发送任意由1，0，-1三元数字码元组合成的发射波形码，因此既可以发射时域的方波码，又可以发射频域的矩形波码和具有混频性质的伪随机编码。更为特别的是它可以发射经混频、“整形编码”后的随机高斯白噪声码，该码型对地电勘测十分有利，它既可以人为的设计勘探深度又可以有效的压制噪声干扰信号。其优点：
1、根据探测深度、地质条件和勘探方法，人为设置主频的频率以及频率个数，能够灵活地运用不同的信号满足勘探要求。
2、编码波形中主频的个数、幅度、主频的范围及各主频的位置是由使用者根据具体勘探目标确定，有利于突显地电体的激电性质，同时可以提高深部探测的分辨率。
3、由于产生的编码波形是基于随机高斯白噪声Fb与选定的n个主频叠加的编码，具有良好的自相关峰，抗干扰能力强，有利于后期的信号去噪处理。
附图说明：
图1为高密度电法仪发射波形的自定义编码方法原始信号Fa的曲线图
图2为高密度电法仪发射波形的自定义编码方法原始信号Fa的频谱图
图3为高密度电法仪发射波形的自定义编码方法混频后信号y的曲线图
图4为高密度电法仪发射波形的自定义编码方法混频后信号y的频谱图
图5为高密度电法仪发射波形的自定义编码方法混频后信号整形后的编码序列波形图
图6为高密度电法仪发射波形的自定义编码方法混频信号整形后的信号频谱图
图7为能够发射自定义编码波形的高密度电法仪发射机电路框图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的进行详细说明：
第一步：选择主频
根据电法勘探所要采用的方法和测量区域的地质情况以及工程的具体要求作一个综合分析，确定出主频带范围，以及主频的分布情况。下面以实例具体说明选频过程。
某工区地质情况如下，该工区地势平坦，第四系覆盖厚度15-20m，基岩为花岗岩，深度约500m，上覆的沉积岩主要是砂岩和泥岩，富含构造水。工程具体要求：1、测量方法：温纳方法。2、勘测目的：查明该工区范围内深度90m以上的含水断层及断层走向。根据上述要求，勘探的目的是以查清该区域含水构造及构造走向。故本实例确定3个主频，分别是250Hz，2kHz和10kHz。
在上位机随机码生成软件的主频选取对话框中输入选定的三个频率以及其幅值，由Matlab软件自动生成三个频率的正弦波，幅值均取0.5，得到三个正弦波信号F1＝0.5sin(2π250t)，F2＝0.5sin(2π2000t)，F3＝0.5sin(2π10000t)。
第二步：混频处理
将F1，F2，F3三个正弦波信号混合在一起得到原始信号Fa，Fa＝0.5sin(2π250t)+0.5sin(2π2000t)+0.5sin(2π10000t)，其波形如图1所示，对上述信号作傅氏变换，得到其频谱如图2所示，可以看到三根等幅值的频谱，与设定的主频一致。
设信号的采样率Fs＝50K，原始信号Fa一个周期的长度为200个点。调用随机高斯白噪声产生函数，噪声信号的幅度取A0＝0.6，生成一个相同长度的随机噪声序列，并将这个序列周期延拓100次得到随机信号Fb，再将Fa与Fb叠加在一起得到混频后的信号y＝Fa+Fb，如图3所示。对信号y作傅氏变换，得到如图4所示的频谱，主频的位置依旧在设置的频率位置250Hz，2kHz和10kHz。
第三步：编码整形
由于发射机发射编码码元由1、0、-1组成，将上述信号整型，转换成我们需要的编码形式。
混频后的信号y经过编码原则整型后得到自定义编码。整型过程中先取出最大值Ymax和最小值Ymin，得到参考值Ymean＝(|Ymax|+|Ymin|)/8，而后根据算法在大于Ymean的点处取1，在小于-Ymean的点处取-1，其它的点取0，得到数字编码信号Xsignal，整形后的信号由200个码元组成，如图5所示。图5给出了含有200个码元的Xsignal信号的编码序列Xsignal＝[
-1 1 0 1 -1 1 1 1 1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 0 0 -1 1 0
1 -1 0 -1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 -1 1 1 0 1
0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1
0 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 0 0 -1 1 1 1 -1 1 1 1 1
0 -1 0 -1 -1 -1 -1 -1 1 0 -1 0 -1 1 1 0 0 0 1 0 -1 0
1 1 0 -1 0 0 0 -1 -1 -1 0 -1 -1 0 -1 -1 -1 0 -1 -1 -1 1
0 -1 -1 -1 1 1 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 1 0
-1 0 0 -1 -1 -1 1 0 0 -1 -1 -1 -1 0 0 -1 0 0 -1 -1 -1 0
1 1 0 -1 1 -1 0 1 -1 1 1 -1 -1 -1 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1
-1 -1]。
对Xsignal信号进行周期延拓后作出它的频谱图，如图6所示，三根主频依旧在设定的频率位置，且幅度占总能量的比例较大，完成自定义编码过程。
第四步：发射自定义编码信号
发射电路由隔离延时电路14、桥臂驱动电路15、H桥桥臂16、浪涌电压吸收电路18、自启动过流保护电路20、采样电路19和外部高压电源17组成。其中隔离延时电路14、桥臂驱动电路15、H桥桥臂16和外部高压电源17顺次连接。采样电路19一端与H桥桥臂16连接，另一端与自启动过流保护电路20连接，自启动过流保护20的另一端跟隔离延时电路14的输入端连接。浪涌电压吸收电路18由压敏电阻连接在各个桥臂两端，与H桥桥臂16连接。该发射电路接收由上位机传过来的自定义编码信号，然后根据用户选择的频率发射该目标编码信号。
Claims (1)
1. 一种高密度电法仪发射波形的自定义编码方法，是由选择主频、混频处理及按编码原则进行整形编码，形成的自定义编码，再由高密度发射机向地下发射构成，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：选择主频，
根据电法勘探所要采用的方法和测量区域的地质情况以及工程的具体要求，综合分析，确定出主频带范围，以及主频的分布情况；
在上位机随机码生成软件的主频选取对话框中输入预先确定的n个主频频率以及其幅值，由Matlab软件自动生成n个频率的正弦波，得到的n个正弦波信号为F1=A1sin(2πf 1 t)，F2=A2sin(2πf 2 t)，……，Fn=An sin (2πfn t)；
式中：A1为f1频率信号的幅度，A2为f2频率信号的幅度，An为fn频率信号的幅度；
第二步：混频处理
将F1，F2，……，Fn个正弦波信号混合在一起得到原始信号Fa，Fa= A1sin(2πf 1 t) +A2sin(2πf 2 t) +……+An sin (2πfn t)；
高密度电法仪发射波形Fa需要进一步拓宽频率范围和增加发射码型的复杂程度，为此，将Fa叠加随机高斯白噪声，加上随机高斯白噪声后的混频信号频带宽度满足拓宽频率范围要求，自相关性好，并且与其它信号互不相关；
混频过程是：原始信号的主频分别为f1、f2、f3、…fn，若信号采样率为Fs，则原始信号Fa一个周期的长度L=Fs/fmin，其中fmin为f1、f2、…、fn中频率最小值，然后调用随机高斯白噪声产生的函数，噪声信号的幅度取A0，生成一个长度为L的随机高斯白噪声序列，并将这个序列周期延拓m=1～100次得到随机信号Fb，再将Fa与Fb混合在一起得到混频后的信号y=Fa+Fb；
第三步：整形编码
混频后的信号y使用编码原则得到自定义编码，编码的码元由1、0、-1组成；
编码原则：整型过程中先取出信号y的最大值Ymax和最小值Ymin，根据Ymean=(|Ymax|+|Ymin|)/K得到编码参考值Ymean，而后根据在信号y的大于Ymean的点处取1，在小于-Ymean的点处取-1，其它的点取0原则，得到数字编码信号Xsignal；K的取值范围控制在2.0到20.0之间；
对Xsignal信号进行周期延拓后作出它的频谱图，判断主频的位置是否在设定的位置，且幅度占总能量的比例较大，否则重新设置编码参考值，即重新选取K值，按编码原则进行重新编码，直到产生的自定义编码信号Xsignal信号满足主频的位置在设定的位置，且幅度占总能量的比例较大；
第四步：发射波形，
混频后的信号y经“整形编码”后，再由能够发送任意由1，0，-1三元数字码组合成的发射波形码，既能发射时域方波码、频域矩形波码和具有混频性质的伪随机编码，又能发射经混频“整形编码”后的高斯白噪声波形码的高密度发射机向地下发射波形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210277144.2A CN102780492B (zh) | 2012-08-06 | 2012-08-06 | 高密度电法仪发射波形的自定义编码方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210277144.2A CN102780492B (zh) | 2012-08-06 | 2012-08-06 | 高密度电法仪发射波形的自定义编码方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102780492A CN102780492A (zh) | 2012-11-14 |
| CN102780492B true CN102780492B (zh) | 2015-04-22 |
Family
ID=47125269
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210277144.2A Expired - Fee Related CN102780492B (zh) | 2012-08-06 | 2012-08-06 | 高密度电法仪发射波形的自定义编码方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102780492B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103837898B (zh) * | 2014-02-24 | 2016-08-17 | 吉林大学 | 高密度电法近端偶极电磁测深方法 |
| CN105467434B (zh) * | 2016-01-15 | 2017-09-19 | 吉林大学 | 冲击夯可控震源变频伪随机编码扫描的控制方法 |
| CN111505722B (zh) * | 2020-04-27 | 2021-04-16 | 山东大学 | 一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法及系统 |
| CN111505723B (zh) * | 2020-04-27 | 2021-03-16 | 山东大学 | 一种2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法及系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1162874A (zh) * | 1996-04-17 | 1997-10-22 | 三星电子株式会社 | 维特比译码方法及适用于该方法的电路 |
| CN1916661A (zh) * | 2006-09-01 | 2007-02-21 | 中南大学 | 多功能电法勘探信号发送机控制器 |
| CN102540259A (zh) * | 2011-12-21 | 2012-07-04 | 吉林大学 | 高密度电法发射机 |
| CN202330736U (zh) * | 2011-11-16 | 2012-07-11 | 中国地质大学（北京） | 一种电法勘探装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4603573A (en) * | 1983-06-23 | 1986-08-05 | Moskovskoe Vysshee Tekhnicheskoe Uchilische Imeni N.E. Baumana | Press |
-
2012
- 2012-08-06 CN CN201210277144.2A patent/CN102780492B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1162874A (zh) * | 1996-04-17 | 1997-10-22 | 三星电子株式会社 | 维特比译码方法及适用于该方法的电路 |
| CN1916661A (zh) * | 2006-09-01 | 2007-02-21 | 中南大学 | 多功能电法勘探信号发送机控制器 |
| CN202330736U (zh) * | 2011-11-16 | 2012-07-11 | 中国地质大学（北京） | 一种电法勘探装置 |
| CN102540259A (zh) * | 2011-12-21 | 2012-07-04 | 吉林大学 | 高密度电法发射机 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王华奎.第3章快速傅里叶变换.《数字信号处理及应用》.高等教育出版社,2009,(第2版),第165页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102780492A (zh) | 2012-11-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102780492B (zh) | 高密度电法仪发射波形的自定义编码方法 | |
| CN103837898B (zh) | 高密度电法近端偶极电磁测深方法 | |
| Xue et al. | A review of electrical and electromagnetic methods for coal mine exploration in China | |
| CN102053278B (zh) | 电法勘探方法及测量装置 | |
| CN109143374B (zh) | 一种井周散射体成像方法及系统 | |
| CN103885085B (zh) | 一种压制可控震源谐波干扰的方法 | |
| CN109001828B (zh) | 一种地下目标体的识别方法及装置、存储介质 | |
| CN105388528A (zh) | 一种利用声波测量地层密度方法及其探测装置 | |
| Stage | Signal analysis of cyclicity in Maastrichtian pelagic chalks from the Danish North Sea | |
| Huang et al. | Legendre coding for digital ionosondes | |
| Simpson et al. | A novel ELF radar for major oil deposits | |
| Ma et al. | Single borehole radar for well logging in a limestone formation: Experiments and simulations | |
| JPH04130294A (ja) | 地中レーダトモグラフィ装置 | |
| CN104217099A (zh) | 一种用于产生并处理可控震源的扫描信号的方法 | |
| Li et al. | Development and application of large-depth and multi-function electromagnetic survey system | |
| CN102540259A (zh) | 高密度电法发射机 | |
| RU75238U1 (ru) | Устройство для профилирования донных отложений | |
| Ryabov et al. | Direct Digital Synthesizers of Complex Broadband Signals | |
| Cheng et al. | Test analysis of high-power multifunction borehole-ground electromagnetic transmitting system under field conditions | |
| Zhou et al. | Realization of Signal Acquisition System in Seismoelectric Logging | |
| Cristini et al. | Numerical simulation of pile-driving induced-noise propagation into the ocean: effects of sedimentary basins and interaction of two distant pile driving operations | |
| Song et al. | Research on cross‐well pseudorandom electromagnetic detection method and extraction of response characteristics | |
| CN112360447B (zh) | 一种评价储层射孔效果的方法 | |
| Svendsen et al. | Ground-Penetrating Radar Response from Small-Scale Heterogeneities in Clay-Rich Till | |
| Man et al. | Blasting Vibration Signal Transform in Geotechnical Engineering Applied HHT and S Transform for Time‐Frequency Analysis |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150422 Termination date: 20170806 |