CN104536052A - 伪随机扩频电磁波层析成像仪及实现成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种伪随机扩频电磁波层析成像仪及实现成像的方法，该成像仪包括依次连接的伪随机序列产生器、调制器、功率放大器和发射天线，以及依次连接的信号接收天线、解调器、信号相关器和信号强度估计器，所述信号相关器与所述伪随机序列产生器连接，所述伪随机序列产生器连接有同步控制器，所述同步控制器连接有数据处理主机，所述数据处理主机连接有人机界面。本发明能够在发射能量、工作频率及探测对象等条件基本相同的情况下，采用伪随机码扩频技术既可使系统具有良好的抗干扰性，又可在一定程度上提升探测的穿透距离。

Description

伪随机扩频电磁波层析成像仪及实现成像的方法

技术领域

本发明涉及井间或坑道之间的层析成像系统，具体地指一种伪随机扩频电磁波层析成像仪及实现成像的方法。

背景技术

目前，地球物理层析成像技术所面临的最大技术难题是穿透距离不够和探测距离与分辨率相互矛盾的问题。地球物理层析成像大致分为两大类，即电磁波层析成像和弹性波层析成像，电磁波层析成像有井间电磁成像和吸收系数成像两种，前者工作频率为10Hz－10KHz，成像参数为地层电阻率。目前该方法主要用于油气藏勘探，在非金属套管井中，其透距可达400m－500m，典型仪器以美国XHB2000型EM成像测量系统为代表；后者工作频率为0.1MHz－35MHz，成像参数为地层对电磁波的吸收系数，典型仪器有国产JW－4、JW－5型地下电磁波仪和WKT－6型电磁波坑道透视仪等，该仪器主要用于城市建设、公路铁路、水利水电等工程勘察以及煤田和金属矿勘探等，其透距可达100m－200m。有报道称：电磁波CT在发射频率为0.3兆时，在完整的灰岩中的最大穿透距离是500m，但其工程实例极为少见。

在工程勘察方面，通常利用一台国产或进口24道(12道或48道都有采用)地震仪配上雷管、炸药或电火花震源和一系列井中检波器就可以开展地震层析成像工作。在石油行业，首先要考虑井中高温高压问题及其它问题，必须采用专用设备。加之石油勘探的层析成像还涉及大透距问题，现有的电磁波和弹性波层析成像技术难有作为。因此，石油行业主要使用地表地震勘探方法。

从目前技术研究来看，地球物理层析成像技术主要存在大透距及其高分辨率探测的问题，而地球物理层析成像技术的分辨率受两方面因素的制约：一是发射信号的频率；二是射线的密度，亦即成像网格的大小。在上述目前常用电磁波层析成像仪的工作频率条件下，分辨率较低，而前现有的技术还不能很好地解决以上问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种伪随机扩频电磁波层析成像仪，本发明能够在发射能量、工作频率及探测对象等条件基本相同的情况下，采用伪随机码扩频技术既可使系统具有良好的抗干扰性，又能在一定程度上提升探测的穿透距离。

实现本发明目的采用的技术方案是一种伪随机扩频电磁波层析成像仪，该成像仪包括：

地面主机，包括数据处理器，所述数据处理器包括同步控制器、第一伪随机序列产生器、解调器、信号相关器和信号强度估计器，所述解调器、信号相关器和信号强度估计器依次电信号连接，所述第一伪随机序列产生器分别与同步控制器和信号相关器连接；

第一电缆绞车，设于发射钻孔附近；

第一井口滑轮，设于所述发射钻孔位于地面的井口边上；

第一电缆，绕于所述第一电缆绞车中，所述第一电缆的一端与所述主机连接，另一端通过所述第一井口滑轮置于所述发射钻孔内；

第二电缆绞车，设于接收钻孔附近；

第二井口滑轮，设于所述接收钻孔位于地面的井口边上；

第二电缆，绕于所述第二电缆绞车中，所述第二电缆的一端与所述主机连接，另一端通过所述第二井口滑轮置于所述接收钻孔内；

发射装置，设于所述第一电缆位于发射钻孔内的一端上，所述发射装置包括依次电信号连接的第二伪随机序列产生器、调制器、功率放大器和信号发射天线；

接收装置，设于所述第二电缆位于接收钻孔内的一端上，所述接收装置包括依次电信号连接的信号接收天线、低噪声放大器、混频器、中频放大器。

进一步地，所述伪随机扩频电磁波层析成像仪还包括依次电信号连接的A/D转换器、FIFO存储器、DMA控制器、RAM和SD卡，所述A/D转换器分别与中频放大器和数据处理器连接，所述RAM和SD卡分别与数据处理器连接。

在上述技术方案中，所述数据处理器还连接有人机界面。

此外，本发明还提供一种通过上述伪随机扩频电磁波层析成像仪实现成像的方法，该方法包括：

地面主机控制产生的伪随机信号经过第一电缆送到发射钻孔中发射装置中，经过调制器和功率放大器后，由信号发射天线将伪随机电磁波信号辐射到地层中；

在接收钻孔中，信号接收天线将地层中的电磁波信号接收，由采样系统采样保持，经第二电缆输送到地面主机中，进行解扩处理，得到电磁波强度估计值，通过CT成像软件进行成像处理。

本发明能够在发射能量、工作频率及探测对象等条件基本相同的情况下，采用伪随机码扩频方式发射电磁波，提高接收信号的信噪比，提高系统的抗干扰能力，从而加大穿透距离，达到精确反演地下介质内部结构的目的，可广泛应用于深部找矿及工程地质、水文地质、地质灾害防治等各勘探行业。

附图说明

图1为本发明伪随机扩频电磁波层析成像仪的结构示意图。

图2为本发明伪随机扩频电磁波层析成像仪中各部件的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明伪随机扩频电磁波层析成像仪包括设于地面的主机1，主机1包括数据处理器，数据处理器包括同步控制器、第一伪随机序列产生器、解调器、信号相关器、信号强度估计器。其中，解调器、信号相关器和信号强度估计器依次电信号连接，第一伪随机序列产生器分别与同步控制器和信号相关器连接。本实施例所用数据处理器为DSP，DSP还连接有人机界面。

本发明还包括第一电缆绞车3、第一井口滑轮4、第一电缆2，以及第二电缆绞车6、第二井口滑轮7和第二电缆8，其中，第一电缆绞车3设于发射钻孔10位于地面的井口附近；第一井口滑轮3设于发射钻孔10位于地面的井口边上；第一电缆2绕于第一电缆绞车3上，第一电缆2的一端2.1与主机1连接，另一端2.2通过第一井口滑轮3置于发射钻孔10内，第一电缆2位于发射钻孔11内的另一端2.2上设有发射装置5，发射装置5包括依次电信号连接的伪随机序列产生器、调制器、功率放大器和信号发射天线。第二电缆绞车7设于接收钻孔11位于地面的井口附近；第二井口滑轮7设于接收钻孔11位于地面的井口边上；第二电缆8绕于第二电缆绞车6上，第二电缆8的一端8.1与主机1连接，另一端8.2通过第二井口滑轮7置于接收钻孔11内，第二电缆8位于接收钻孔11内的另一端8.2上设有接收装置9，接收装置9包括依次电信号连接的信号接收天线、低噪声放大器、混频器、中频放大器。

本发明通过转动第一井口滑轮3，从而拉动第一电缆2，第一电缆2带动发射装置5在发射钻孔10内上下自由移动；同理，通过转动第二井口滑轮7，从而拉动第二电缆8，第二电缆8带动接收装置9在发射钻孔11内上下自由移动。

所述整个系统装置由主机1控制同步控制器通过第一电缆2和第二电缆8发送同步命令，进行同步控制。

本发明伪随机扩频电磁波层析成像仪的工作过程如下：

由地面主机1控制产生的伪随机信号经过电缆送到发射钻孔10中发射装置5中，经过调制器和功率放大器后，由发射天线将伪随机电磁波信号辐射到地层中。在接收钻孔11中，由接收天线9将地层中的电磁波信号接收，由采样系统采样保持，经电缆输送到地面主机1中，进行解扩处理，得到电磁波强度估计值，通过CT成像软件进行成像处理。发射钻孔10和接收钻孔11两孔中的工作由地面主机1实行同步控制。

本发明中，伪随机序列选取如下：

利用伪随机码扩频技术提高接收信号的信噪比，与伪随机序列的码长相关。一般情况下，伪随机序列长，接收信号的信噪比高，但测试速度降低。伪随机码序列的选取可根据测试现场的信号强度选取合适的码序列。

调制方式与调制：

伪随机扩频电磁波层析成像仪直接以伪随机序列作为基带信号，对载波进行2PSK调制。

本发明所用调制解调与相关器算法如下：

接收天线收到的信号经过低噪声放大器(LNA)放大，进入混频器，生成中心频率为f_c的中频信号，然后由中频放大器进行选频放大，该信号通过高速AD进行模数转换后存入数据存储器(RAM)。信号的解调与相关器由DSP通过软件实现。

设中频信号为

$v\left(t\right)=n\left(t\right)+\left(\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{a}_n{s}_{n}g(t-n{T}_s)\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)---\left(1\right)$

其中，n(t)为噪声信号，a_n为信号强度，s_n为不归0伪随机码序列，g(t)为脉冲宽度为T_s的单个矩形脉冲。

v(t)与混频，并经过低通滤波得到解调信号

$v_l\left(t\right)=n_l\left(t\right)+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{a}_n{s}_{n}g(t-{\mathrm{nT}}_s)---\left(2\right)$

其中n_l(t)是n(t)中频带内的噪声残留。

相关器按(3)式计算

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}(n\left(t\right)+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{a}_n{s}_{n}g(t-{\mathrm{nT}}_s))\left(\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{s}_{n}g(t+\mathrm{\τ}{-\mathrm{nT}}_s)\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

其中，τ＝jT_s，j＝0,±1,±2,...。

信号强度估计：

按(4)式，信号强度的估计

$\stackrel{\‾}{a_n}=\frac{R\left(0\right)}{M}---\left(4\right)$

其中，M为伪随机码序列s_n的码长。

本发明电磁波吸收系数CT层析成像过程如下：

a.数据处理

将电磁波近似看作沿直线传播，采用射线追踪技术，将成像方形剖面划分成m×n个小正方形单元(像元)。假定f(x,y)表示电磁波单位距离的衰减函数，即吸收系数图像函数M(x,y)。第i条射线L_i穿过第j个像元中的射线L_ij的长度为l_ij，则M(x,y)沿L_ij的Radon变换公式为

$\underset{l_{\mathrm{ij}}}{\∫}{M}_j(x,y)\mathrm{dl}=X_j\underset{l_{\mathrm{ij}}}{\∫}\mathrm{dl}=l_{\mathrm{ij}}{X}_j---\left(5\right)$

式中，M_j(x,y)为第j个成像单元的吸收系数，在该单元内的平均值为X_j。

当射线为n条时，则上述方程(5)可变为

l_i1X₁+l_i2X₂+...+l_imX_m＝C_i             (6)

即 $\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\mathrm{ij}}{X}_{\mathrm{ij}}=C_i,(i=\mathrm{1,2},...,m)---\left(7\right)$

写成矩阵形式为

$\left(\begin{array}{cccc}{l}_{11}& l_{12}& ...& l_{1m}\\ l_{21}& l_{22}& ...& l_{2m}\\ .& .& & \\ .& .& & \\ .& .& & \\ l_{n1}& l_{n2}& ...& l_{\mathrm{nm}1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ .\\ .\\ .\\ X_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{C}_1\\ C_2\\ .\\ .\\ .\\ C_n\end{array}\right)---\left(8\right)$

即LX＝C           (9)

上式中，L＝(l_ij)_n×m为系数矩阵，是由射线分布的几何因素决定的；X＝(X_j)_m为未知数矩阵，也就是吸收系数；C＝(C_i)_n为常数矩阵，即根据接收天线的场强和初始场强求出的射线终端的吸收值。

b.成像

CT层析成像就是将每一像元所对应的吸收系数值合成一张吸收系数等值线图。将计算得到的吸收系数值视为每一像元的平均吸收系数，再采用合理的插值方法对这些点进行计算，建立一张空间曲面V＝M(x,y)。以V＝V₀截该曲面，截得的曲线在xy面上的投影即为所求的吸收系数等值线图。

图像解释：

根据所求得的电磁波吸收系数等值线图上波速异常点或区域，确定地下异常地质体大小和位置。

Claims (6)

1.一种伪随机扩频电磁波层析成像仪，其特征在于，包括：

地面主机，包括数据处理器，所述数据处理器包括同步控制器、第一伪随机序列产生器、解调器、信号相关器和信号强度估计器，所述解调器、信号相关器和信号强度估计器依次电信号连接，所述第一伪随机序列产生器分别与同步控制器和信号相关器连接；

第一电缆绞车，设于发射钻孔附近；

第一井口滑轮，设于所述发射钻孔位于地面的井口边上；

第一电缆，绕于所述第一电缆绞车中，所述第一电缆的一端与所述主机连接，另一端通过所述第一井口滑轮置于所述发射钻孔内；

第二电缆绞车，设于接收钻孔附近；

第二井口滑轮，设于所述接收钻孔位于地面的井口边上；

第二电缆，绕于所述第二电缆绞车中，所述第二电缆的一端与所述主机连接，另一端通过所述第二井口滑轮置于所述接收钻孔内；

发射装置，设于所述第一电缆位于发射钻孔内的一端上，所述发射装置包括依次电信号连接的第二伪随机序列产生器、调制器、功率放大器和信号发射天线；

接收装置，设于所述第二电缆位于接收钻孔内的一端上，所述接收装置包括依次电信号连接的信号接收天线、低噪声放大器、混频器、中频放大器。

2.根据权利要求1所述的伪随机扩频电磁波层析成像仪，其特征在于还包括依次电信号连接的A/D转换器、FIFO存储器、DMA控制器、RAM和SD卡，所述A/D转换器分别与中频放大器和数据处理器连接，所述RAM和SD卡分别与数据处理器连接。

3.根据权利要求1所述的伪随机扩频电磁波层析成像仪，其特征在于：所述数据处理器还连接有人机界面。

4.一种通过权利要求1所述伪随机扩频电磁波层析成像仪实现成像的方法，其特征在于：

地面主机控制产生的伪随机信号经过第一电缆送到发射钻孔中发射装置中，经过调制器和功率放大器后，由信号发射天线将伪随机电磁波信号辐射到地层中；

在接收钻孔中，信号接收天线将地层中的电磁波信号接收，由采样系统采样保持，经第二电缆输送到地面主机中，进行解扩处理，得到电磁波强度估计值，通过CT成像软件进行成像处理。

5.根据权利要求4所述伪随机扩频电磁波层析成像仪实现成像的方法，其特征在于：

信号接收天线收到的信号经过低噪声放大器放大，进入混频器，生成中心频率为f_c的中频信号，然后由中频放大器进行选频放大，该信号通过高速AD转换模块进行模数转换后存入RAM，所述中频信号为：

$v\left(t\right)=n\left(t\right)+\left(\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{a}_n{s}_{n}g(t-{\mathrm{nT}}_s)\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)---\left(1\right)$

其中，n(t)为噪声信号，a_n为信号强度，s_n为不归0伪随机码序列，g(t)为脉冲宽度为T_s的单个矩形脉冲；

v(t)与混频，并经过低通滤波得到解调信号：

$v_l\left(t\right)=n_l\left(t\right)+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{a}_n{s}_{n}g(t-{\mathrm{nT}}_s)---\left(2\right)$

其中n_l(t)是n(t)中频带内的噪声残留。

相关器按下式计算：

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}(n\left(t\right)+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{a}_n{s}_{n}g(t-{\mathrm{nT}}_s))\left(\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{s}_{n}g(t+\mathrm{\τ}-{\mathrm{nT}}_s)\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

其中，τ＝jT_s，j＝0,±1,±2,…；

信号强度按下式估计：

$\stackrel{\‾}{a_n}=\frac{R\left(0\right)}{M}---\left(4\right)$

其中，M为伪随机码序列s_n的码长。

6.根据权利要求5所述伪随机扩频电磁波层析成像仪实现成像的方法，其特征在于电磁波吸收系数CT层析成像过程如下：

将成像方形剖面划分成m×n个小正方形单元(像元)，以f(x,y)表示电磁波单位距离的衰减函数，即吸收系数图像函数M(x,y)，第i条射线L_i穿过第j个像元中的射线L_ij的长度为l_ij，则M(x,y)沿L_ij的Radon变换公式为：

$\underset{l_{\mathrm{ij}}}{\∫}{M}_j(x,y)\mathrm{dl}=X_j\underset{l_{\mathrm{ij}}}{\∫}\mathrm{dl}=l_{\mathrm{ij}}{X}_j---\left(5\right)$

式中，M_j(x,y)为第j个成像单元的吸收系数，在该单元内的平均值为X_j；

当射线为n条时，则上述方程(5)可变为

l_i1X₁+l_i2X₂+…+l_imX_m＝C_i        (6)

即 $\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\mathrm{ij}}{X}_{\mathrm{ij}}=C_i,(i=\mathrm{1,2},...,m)---\left(7\right)$

写成矩阵形式为

$\left(\begin{array}{cccc}{l}_{11}& l_{12}& ...& l_{1m}\\ l_{21}& l_{22}& ...& l_{2m}\\ .& .& & \\ .& .& & \\ .& .& & \\ l_{n1}& l_{n2}& ...& l_{\mathrm{nm}1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ .\\ .\\ .\\ X_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{C}_1\\ C_2\\ .\\ .\\ .\\ C_n\end{array}\right)---\left(8\right)$

即LX＝C   (9)

上式中，L＝(l_ij)_n×m为系数矩阵，X＝(X_j)_m为未知数矩阵，也就是吸收系数；C＝(C_i)_n为常数矩阵，即根据接收天线的场强和初始场强求出的射线终端的吸收值；

将每一像元所对应的吸收系数值合成一张吸收系数等值线图，将计算得到的吸收系数值视为每一像元的平均吸收系数，再采用合理的插值方法对这些点进行计算，建立一张空间曲面V＝M(x,y)，以V＝V₀截该曲面，截得的曲线在xy面上的投影即为所求的吸收系数等值线图。