CN103969688B - 伪随机信号电法勘查的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种伪随机信号电法勘查的方法和装置，可以长时间、全自动、全频段和高精度实现各种主动源电法勘查，同时支持导线连接、地球卫星授时和晶体钟三种时间同步方案，能保证在发送机和接收机不用连线的情况下，获得高精度时间同步，解决了大收发距的轻便和可靠观测；设计了对观测数据实时计算平均值，相对误差和方差，利用相对误差实时和自动删除“坏数”；利用方差控制观测精度和自动选择叠加次数；自动切换高、中、低三个频段，并设置相应的m序列参数，保证能在很宽频带范围和瞬变时间范围获得高精度的频率响应和瞬变响应。

Description

伪随机信号电法勘查的方法和装置

技术领域

本发明涉及矿产勘查工程及环境勘技术领域，尤其涉及一种伪随机信号电法勘查的方法5和装置。

背景技术

电法勘查是矿产勘查和工程及环境勘查中应用最广和最有效的方法之一。但是，长期以来，这一类方法受到以下几个方面的困扰：

首先，其抗干扰能力较低，特别是在工矿区或城市中开展工作，易受各种电气干扰；其中，尤以时间域观测受电磁干扰最甚；其次，常用的频率域方法，例如频谱激电法和各种频率域电磁测深法，需要在一定的频段范围内，逐个频率进行观测，生产效率较低；第三，某些电法勘查方法在野外观测中，需要布置长达几到十几公里的导线，这不仅使其观测装置笨重和进一步降低生产效率，而且使其难于在城市或其它地形、地物条件复杂的地区开展工作。

为了克服上述困难，上世纪七十年代，加拿大的工程技术人员曾探索利用伪随机信号源开展电磁勘查，但由于他们的方案不合理，这一工作未能圆满实现和继续。自上世纪八十年代中期，申请人罗延钟基于系统科学关于伪随机信号系统辨识的思想，结合电法勘查的理论和实践，提出了研制“新一代”“全功能”主动源电法勘查仪器——伪随机信号电法仪”的设想。经过三十年的探索和近年与合作者们共同工作，完善了研制方案，研制出试验样机，初步验证了新一代伪随机信号电法仪的设计思想。

20世纪中后期，系统辨识理论发展了一种“伪随机二进制输入信号的系统识别”方法。伪随机二进制信号序列(PRBS)是幅度不变，而宽度随机变化的周期性方波脉冲系列。它可以由专用设备产生，也可以由数字计算机简单地产生。上述“系统识别”的基本原理是，利用伪随机二进制信号源向待识别系统(例如，地质勘查对象——大地)输入伪随机信号(电流)，同时观测该系统的输出信号(电压)。根据输出信号和输入信号的互相关函数，识别该系统。

互相关函数的计算是一个数值滤波运算过程，因此利用互相关函数识别系统具有很强的抗干扰能力。在适当选择伪随机二进制信号序列(PRBS)相关参数的情况下，互相关函数很接近系统的冲激响应，由此，易于算得系统的频率响应，而不需要进行耗时的逐个频率测量，从而大大提高观测效率。此外，采用PRBS作为信号源，也易于实现输入(供电)装置和输出(测量)装置之间的无线联系，从而使观测装置轻便化，不仅会提高生产效率，而且能扩大其应用范围。

可见，研究利用PRBS的电法勘查仪器，确实可望解决困扰当前电法勘查的三个主要问题。如果能将现代系统辨识理论有关“伪随机二进制输入信号的系统识别”方法，成功地应用于电法勘查，不仅对发展电法勘查有重大的实用价值，而且在学术上对发展系统辨识理论也有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷和问题，本发明实施例的目的是提供一种伪随机信号电法勘查的方法和装置，利用伪随机电法勘查方法的特点，提出一种支持各种主动源电法勘查方法的全频段和全时域伪随机信号电法仪器方法和装置，从而使观测装置轻便化，不仅会提高生产效率，而且能扩大其应用范围。

为了达到上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种伪随机信号电法勘查装置，其特征在于，由发送系统与接收系统构成，发送系统由电流源和发送装置构成，接收系统由电位仪和接收装置构成，发送装置由发送传感器、为设备所有单元供电的电源模块、GPS接收模块、有一本地高精度晶振的时钟模块、参数自适应m序列发生模块和处理与控制单元构成，其中电源模块分别与GPS接收模块、时钟模块、参数自适应m序列发生模块相连，参数自适应m序列发生模块和处理与控制单元相连，时钟模块与GPS接收模块、参数自适应m序列发生模块分别相连；发送传感器是发送机向大地发送信号的一种传感器，为接地电偶源或者不接地的磁偶源；接收装置由为设备所有单元供电的电源模块、GPS接收模块、有一本地高精度晶振的时钟模块、伪随机信号接收和处理模块、处理结果反馈模块和磁感应强度接收器构成，其中电源模块分别与GPS接收模块、时钟模块、伪随机信号接收和处理模块、处理结果反馈模块相连，时钟模块与GPS接收模块、伪随机信号接收和处理模块、处理结果反馈模块分别相连，处理结果反馈模块还连接有伪随机信号接收和处理模块，伪随机信号接收和处理模块还连接有磁感应强度接收器。

作为上述技术方案的优选，所述发送装置还包括DAC模块与信号显示设备，且DAC模块与时钟模块、参数自适应m序列发生模块、信号显示设备分别相连。

作为上述技术方案的优选，所述磁感应强度接收器为磁力仪或带反馈的感应线圈，处理与控制单元为计算机电脑。

本发明同时提供一种伪随机信号电法勘查的方法，其特征在于，包括如下步骤：

Q1：接收机接收由发送机发射出来的伪随机序列的电流或电压或电磁信号，其中信号源发出的信号可以由本地重构产生；

Q2：在接收机内部，接收机将接收到的信号与信号源发出的信号进行互相关运算；

Q3：从运算结果中进一步得出与电法勘查相关的参数；

Q4：接收机向信号发送方反馈的与其运算结果相关的信息。

作为上述技术方案的优选，在发送装置和接收装置中，所述电源模块均用于为设备所有单元供电；GPS接收模块均用于接收GPS信号、设备定时；有一本地高精度晶振的时钟模块，均用于定时对晶体钟自动校准，同时，时钟模块均用于产生固定间隔的时钟脉冲，给发送装置的参数自适应m序列发生模块提供时钟信号；时钟模块同时支持导线连接，地球卫星授时和晶体钟三种时间同步方案。

作为上述技术方案的优选，所述发送装置中的处理与控制单元用于获取处理结果，并根据这些处理结果调整信号后发送参数：接收来自于参数自适应m序列发生模块的处理结果，包括观测数据实时计算平均值，相对误差和方差，再利用方差，控制重复测量的次数，具体的，当方差太大，则提高重复测量的次数，当某次测量结果偏离计算平均值太大，则判定是受突发干扰信号影响，即删除该信号，或反馈给发送装置并请求重新发送相关信号并启动重复测量程序；

在宽频带范围0.005Hz－10kHz、和瞬变时间范围n×10μs－n×10s下，自动切换高、中、低三个频段，并设置相应的伪随机序列参数，伪随机序列是m序列，由n级移位寄存器所能产生的周期最长的伪随机二进制序列，参数为：阶数n，位宽Δt和计算加密指数MDT；获得高精度的频率响应和瞬变响应，即预先设定一个序列，包括预订的对应高、中、低三个频段相关的m序列参数n、Δt和MDT，或根据处理与控制单元的处理结果，确定对应于高、中、低三个频段具体的m序列的参数值n、Δt和MDT。

作为上述技术方案的优选，所述发送装置中的参数自适应m序列发生模块用于接收来自处理与控制单元的配置信息，包括调整m序列的位宽、位数等参数以及信号发送开始和停止等控制信息，参数自适应m序列发生模块产生的信号一路输出到外部电极，另外一路经过DAC模块转换成模拟信号后，外接信号显示设备，以用于实时观测发出的信号波形。

作为上述技术方案的优选，所述接收装置中的伪随机信号接收和处理模块用于接收来自发送装置的处理与控制单元的配置信息，包括配置自动调整m序列参数的的位宽、位数、以及信号接收和处理的开始和停止的控制信号；伪随机信号接收和处理模块产生的信号经过发送传感器导入地下，并通过接收装置的磁感应强度接收器传输到处理结果反馈模块；处理结果反馈模块根据信号接收和处理的结果，向发送装置提供与m序列参数的的位宽、位数等参数调整有关的信息。

作为上述技术方案的优选，所述接收装置中的伪随机信号接收和处理模块的对伪随机信号的接收和处理为：

对所接收到的信号进行AD转换，将其变换成数字信号；

通过计算大地系统的输入I(t)和输出ΔU(t)的互相关R_IU(t)，R_UI(t)和自相关R_II(t)，同时获得大地的冲激响应阶跃响应Z(t)和频率响应Z(iω)；

对所得到的结果进行进一步处理和解释，得出与电法勘查相关的参数。

本发明实施例提供的一种伪随机信号电法勘查的方法和装置，可以长时间、全自动、全频段和高精度实现各种主动源电法勘查，具有“全功能”电法勘查的能力，与现有技术相比，本发明的优点就在于：

同时支持导线连接、地球卫星授时和晶体钟三种时间同步方案，能保证在发送机和接收机不用连线的情况下，获得高精度时间同步，解决了大收发距的轻便和可靠观测；

设计了对观测数据实时计算平均值，相对误差和方差，利用相对误差实时和自动删除“坏数”(个别偏离均值很大的观测值)；利用方差，控制观测精度和自动选择叠加次数；

自动切换高、中、低三个频段，并设置相应的m序列参数，从而保证能在各种主动源电法勘查方法所需很宽频带范围和瞬变时间范围，获得高精度的频率响应和瞬变响应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种伪随机信号电法勘查的方法和装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的一种伪随机信号电法勘查的方法和装置的原理示意图。

图3为本发明实施例的一种伪随机信号电法勘查的方法和装置的等效电路示意图。

图4为本发明实施例的一种伪随机信号电法勘查的方法和装置的发送装置的结构示意图。

图5为本发明实施例的一种伪随机信号电法勘查的方法和装置的接收装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所涉及的“电法勘查”，是指包括观测和研究有源电流场(戈伐尼电流场)的“传统电法勘查”，及观测和研究涡旋电流场(感应电流场)的“电磁法勘查”方法；“电流场”是指包括有源电流场(戈伐尼电流场)和涡旋电流场(感应电流场)。

伪随机信号(序列)是指，特征与随机信号的特征充分相似的确定性信号。有各种各样的伪随机信号，其中，最大长度伪随机二进制序列(m序列)是同时具有平衡标准、游程标准和相关性标准的最佳周期自相关函数序列。在n阶GF(p)域序列中，总数(即“位数”N)为_p ⁿ-1的序列，定义为“最大长度序列”。因此，n阶最大长度伪随机二进制序列(m序列)的位数N＝2ⁿ-1。所谓“n阶”是指序列中连续出现某一数的最大次数为n。

本发明本的伪随机电法勘方法的原理为：

由最长二进制伪随机信号(m序列)发生器控制的供电电流I(t)，供入大地系统。其输出电位差ΔU(t)进入伪随机信号接收和处理模块，与来自参数自适应m序列发生模块、经时间偏移的供电电流信号I(t-τ)计算互相关函数R_I,U(τ)，按理有

对其分别做时间积分和傅氏变换最后输出阶跃响应Z(t)和频谱Z(iω)；

从阶跃响应Z(t)和频谱Z(iω)信息中可以进一步通过数据处理和分析得到电阻率、充电率、时间常数和频率相关系数等电性参数进行地球物理解释。

实施例

如图1-5所示，一种伪随机信号电法勘查装置，由发送系统与接收系统构成，发送系统由电流源和发送装置构成，接收系统由电位仪和接收装置构成，发送装置由发送传感器、为设备所有单元供电的电源模块、GPS接收模块、有一本地高精度晶振的时钟模块、参数自适应m序列发生模块和处理与控制单元构成，其中电源模块分别与GPS接收模块、时钟模块、参数自适应m序列发生模块相连，参数自适应m序列发生模块和处理与控制单元相连，时钟模块与GPS接收模块、参数自适应m序列发生模块分别相连；发送传感器是发送机向大地发送信号的一种传感器，为接地电偶源或者不接地的磁偶源；接收装置由为设备所有单元供电的电源模块、GPS接收模块、有一本地高精度晶振的时钟模块、伪随机信号接收和处理模块、处理结果反馈模块和磁感应强度接收器构成，其中电源模块分别与GPS接收模块、时钟模块、伪随机信号接收和处理模块、处理结果反馈模块相连，时钟模块与GPS接收模块、伪随机信号接收和处理模块、处理结果反馈模块分别相连，处理结果反馈模块还连接有伪随机信号接收和处理模块，伪随机信号接收和处理模块还连接有磁感应强度接收器，所述发送装置还包括DAC模块与信号显示设备，且DAC模块与时钟模块、参数自适应m序列发生模块、信号显示设备分别相连，所述磁感应强度接收器为磁力仪或带反馈的感应线圈，处理与控制单元为计算机电脑。

本发明同时提供一种伪随机信号电法勘查的方法，包括如下步骤：

Q1：接收机接收由发送机发射出来的伪随机序列的电流或电压或电磁信号，其中信号源发出的信号可以由本地重构产生；

Q2：在接收机内部，接收机将接收到的信号与信号源发出的信号进行互相关运算；

Q3：从运算结果中进一步得出与电法勘查相关的参数；

Q4：接收机向信号发送方反馈的与其运算结果相关的信息。

在发送装置和接收装置中，所述电源模块均用于为设备所有单元供电；GPS接收模块均用于接收GPS信号、设备定时；有一本地高精度晶振的时钟模块，均用于定时对晶体钟自动校准，同时，时钟模块均用于产生固定间隔的时钟脉冲，给发送装置的参数自适应m序列发生模块提供时钟信号；时钟模块同时支持导线连接，地球卫星授时和晶体钟三种时间同步方案。

所述发送装置中的处理与控制单元用于获取处理结果，并根据这些处理结果调整信号后发送参数：接收来自于参数自适应m序列发生模块的处理结果，包括观测数据实时计算平均值，相对误差和方差，再利用方差，控制重复测量的次数，具体的，当方差太大，则提高重复测量的次数，当某次测量结果偏离计算平均值太大，则判定是受突发干扰信号影响，即删除该信号，或反馈给发送装置并请求重新发送相关信号并启动重复测量程序；

在宽频带范围0.005Hz－10kHz、和瞬变时间范围n×10μs－n×10s下，自动切换高、中、低三个频段，并设置相应的伪随机序列参数，伪随机序列是m序列，由n级移位寄存器所能产生的周期最长的伪随机二进制序列，参数为：阶数n，位宽Δt和计算加密指数MDT；获得高精度的频率响应和瞬变响应，即预先设定一个序列，包括预订的对应高、中、低三个频段相关的m序列参数n、Δt和MDT，或根据处理与控制单元的处理结果，确定对应于高、中、低三个频段具体的m序列的参数值n、Δt和MDT。

所述发送装置中的参数自适应m序列发生模块用于接收来自处理与控制单元的配置信息，包括调整m序列的位宽、位数等参数以及信号发送开始和停止等控制信息，参数自适应m序列发生模块产生的信号一路输出到外部电极，另外一路经过DAC模块转换成模拟信号后，外接信号显示设备，以用于实时观测发出的信号波形。

所述接收装置中的伪随机信号接收和处理模块用于接收来自发送装置的处理与控制单元的配置信息，包括配置自动调整m序列参数的的位宽、位数、以及信号接收和处理的开始和停止的控制信号；伪随机信号接收和处理模块产生的信号经过发送传感器导入地下，并通过接收装置的磁感应强度接收器传输到处理结果反馈模块；处理结果反馈模块根据信号接收和处理的结果，向发送装置提供与m序列参数的的位宽、位数等参数调整有关的信息。

所述接收装置中的伪随机信号接收和处理模块的对伪随机信号的接收和处理为：

对所接收到的信号进行AD转换，将其变换成数字信号；

通过计算大地系统的输入I(t)和输出ΔU(t)的互相关R_IU(t)，R_UI(t)和自相关R_II(t)，同时获得大地的冲激响应阶跃响应Z(t)和频率响应Z(iω)；

对所得到的结果进行进一步处理和解释，得出与电法勘查相关的参数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种伪随机信号电法勘查装置的勘察方法，装置由发送系统与接收系统构成，发送系统由电流源和发送装置构成，接收系统由电位仪和接收装置构成，发送装置由发送传感器、为设备所有单元供电的电源模块、GPS接收模块、有一本地高精度晶振的时钟模块、参数自适应m序列发生模块、处理与控制单元、DAC模块与信号显示设备构成，且DAC模块与时钟模块、参数自适应m序列发生模块、信号显示设备分别相连，其中电源模块分别与GPS接收模块、时钟模块、参数自适应m序列发生模块相连，参数自适应m序列发生模块和处理与控制单元相连，时钟模块与GPS接收模块、参数自适应m序列发生模块分别相连；发送传感器是发送机向大地发送信号的一种传感器，为接地电偶源或者不接地的磁偶源；接收装置由为设备所有单元供电的电源模块、GPS接收模块、有一本地高精度晶振的时钟模块、伪随机信号接收和处理模块、处理结果反馈模块和磁感应强度接收器构成，其中电源模块分别与GPS接收模块、时钟模块、伪随机信号接收和处理模块、处理结果反馈模块相连，时钟模块与GPS接收模块、伪随机信号接收和处理模块、处理结果反馈模块分别相连，处理结果反馈模块还连接有伪随机信号接收和处理模块，伪随机信号接收和处理模块还连接有磁感应强度接收器；

所述磁感应强度接收器为磁力仪或带反馈的感应线圈，处理与控制单元为计算机电脑；其伪随机信号电法勘查的方法，其特征在于，包括如下步骤：

Q1：接收机接收由发送机发射出来的伪随机序列的电流或电压或电磁信号，其中信号源发出的信号由本地重构产生；

Q2：在接收机内部，接收机将接收到的信号与信号源发出的信号进行互相关运算；

Q3：从运算结果中进一步得出与电法勘查相关的参数；

Q4：接收机向信号发送方反馈的与其运算结果相关的信息；

在上述发送装置和接收装置中，所述电源模块均用于为设备所有单元供电；GPS接收模块均用于接收GPS信号、设备定时；有一本地高精度晶振的时钟模块，均用于定时对晶体钟自动校准，同时，时钟模块均用于产生固定间隔的时钟脉冲，给发送装置的参数自适应m序列发生模块提供时钟信号；时钟模块同时支持导线连接，地球卫星授时和晶体钟三种时间同步方案；

所述发送装置中的处理与控制单元用于获取处理结果，并根据这些处理结果调整信号后发送参数：接收来自于参数自适应m序列发生模块的处理结果，包括观测数据实时计算平均值，相对误差和方差，再利用方差，控制重复测量的次数，具体的，当方差太大，则提高重复测量的次数，当某次测量结果偏离计算平均值太大，则判定是受突发干扰信号影响，即删除该信号，或反馈给发送装置并请求重新发送相关信号并启动重复测量程序；

在宽频带范围0.005Hz－10kHz、和瞬变时间范围n×10μs－n×10s下，自动切换高、中、低三个频段，并设置相应的伪随机序列参数，伪随机序列是m序列，由n级移位寄存器所能产生的周期最长的伪随机二进制序列，参数为：阶数n，位宽Δt和计算加密指数MDT；获得高精度的频率响应和瞬变响应，即预先设定一个序列，包括预订的对应高、中、低三个频段相关的m序列参数n、Δt和MDT，或根据处理与控制单元的处理结果，确定对应于高、中、低三个频段具体的m序列的参数值n、Δt和MDT。

2.根据权利要求1所述的一种伪随机信号电法勘查装置的勘察方法，其特征在于，所述发送装置中的参数自适应m序列发生模块用于接收来自处理与控制单元的配置信息，包括调整m序列的位宽、位数等参数以及信号发送开始和停止等控制信息，参数自适应m序列发生模块产生的信号一路输出到外部电极，另外一路经过DAC模块转换成模拟信号后，外接信号显示设备，以用于实时观测发出的信号波形。

3.根据权利要求1所述的一种伪随机信号电法勘查装置的勘察方法，其特征在于，所述接收装置中的伪随机信号接收和处理模块用于接收来自发送装置的处理与控制单元的配置信息，包括配置自动调整m序列参数的位宽、位数、以及信号接收和处理的开始和停止的控制信号；伪随机信号接收和处理模块产生的信号经发送传感器导入地下，并通过接收装置的磁感应强度接收器传输到处理结果反馈模块；处理结果反馈模块根据信号接收和处理的结果，向发送装置提供与m序列参数的的位宽、位数等参数调整有关的信息。

4.根据权利要求1所述的一种伪随机信号电法勘查装置的勘察方法，其特征在于，所述接收装置中的伪随机信号接收和处理模块对伪随机信号的接收和处理为：

对所接收到的信号进行AD转换，将其变换成数字信号；

通过计算大地系统的输入I(t)和输出ΔU(t)的互相关RIU(t)，RUI(t)和自相关RII(t)，同时获得大地的冲激响应阶跃响应Z(t)和频率响应Z(iω)；

对所得到的结果进行进一步处理和解释，得出与电法勘查相关的参数。