CN107733547B - 一种电磁探测的扩频编码信号生成方法及其发生系统 - Google Patents

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Abstract

一种电磁探测的扩频编码信号生成方法及其发生系统，利用m序列优选对模2和构成的新序列与双极性方波信号模2乘得到，具有良好的自相关、互相关以及平衡特性。所述扩频编码信号的生成系统包括时钟分频单元(1)、方波信号产生单元(2)、m1序列产生单元(3)，m2序列产生单元(4)，优选判断单元(5)，信号模2和单元(6)，信号模2乘单元(7)，以及扩频编码信号产生单元(8)。本发明可以满足扩频编码探测方法对发送信号的要求。

Description

一种电磁探测的扩频编码信号生成方法及其发生系统
技术领域
本发明涉及一种电磁探测的扩频编码信号生成方法及其发生系统系统，特别涉及一种用于地球物理勘探领域的扩频编码信号生成方法及其发生系统。
背景技术
频率域电磁法勘探根据电磁信号在地下的穿透深度与地下介质的导电性质，以及所用电磁波频率的密切关系来反演地下介质的分布结构，它是地球物理勘探技术的重要组成部分，在近些年的地质勘探中发挥着重要的作用。为了得到更好的勘探结果，频率域电磁法需要进行多个频率的勘探。
频率域勘探电磁法主要包括：变频法、奇次谐波法、双频电流法、大地电磁法、an伪随机序列法、扩频编码探测方法等。传统的变频法、奇次谐波法、双频电流法由于探测频率少、效率低等原因很难得到理想的探测效果；大地电磁法受远场探测限制；an伪随机序列法含有频率跳变，探测纵向分辨率低，存在地层测深的不连续，且易受随机漂移和工频信号的干扰。
中国201210214512.9提出的扩频编码探测方法通过发送一系列经过扩频编码的，具有伪随机特性的信号，结合相关检测技术实现对地下介质的探测。扩频编码探测方法发送的编码信号具有频率范围宽、频谱信息丰富、频谱精细化程度高、主频能量分布均匀的特点，可克服其他频率域电磁法发送序列单一，能量分布不均，单次观测探测效率低等问题，且正弦波形不容易丢失探测的有用信息。
扩频编码探测方法的探测激励中含有多个频率的信号，在探测时需要同时记录发射信号以及接收信号的波形，在处理时采用发射信号和接收信号相关算法去除外界不相关的干扰信号。为了更好的进行地下介质的勘探，要求发射的扩频编码信号应具有尖锐的自相关特性、有处处为零的互相关特性、不同的码元数，平衡特性相等、有够长的码周期、有尽可能大的复杂度等特征。
现有的扩频编码序列主要包括m序列，Gold序列等等。扩频编码m序列自相关特性较好，但互相关特性相比Gold序列较弱；Gold序列的互相关特性相比m序列较好，但自相关特性不好，在进行扩频编码探测时，对于大地系统的电阻率分布的重建结果不理想。且m序列与Gold序列本身的平衡特性不好，序列中含有一定的直流分量，在进行扩频编码探测时会受到杂散低频电流的影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，提出一种电磁探测的扩频编码信号生成方法及其发生系统。本发明可以满足扩频编码探测方法对发送信号的要求。
本发明扩频编码信号主要用于扩频编码探测，扩频编码探测是利用扩频编码信号具有的多个频率信息来提高扩频编码探测的精度，利用扩频编码信号本身良好的自相关特性和互相关特性来去除外界的不相关干扰信号，达到快速测量、提高信号抗干扰能力和提升探测信号信噪比的作用。因而，在实际使用中要求发射的扩频编码信号具有尖锐的自相关特性、处处为零的互相关特性、频率含量丰富、不同的码元数，平衡特性相等、够长的码周期、尽可能大的复杂度等特点。
本发明扩频编码信号主要通过以下步骤生成：(1)选取等码元、等阶数的具有不同反馈值的两个m序列构成m序列优选对；(2)将这两个m序列优选对逐码元进行模2和操作，构成一个新的序列s1；(3)选取两个周期的新序列构成一个编码信号s2；(4)选取一个与两个周期新序列等长度、等码元的双极性方波信号，将编码信号s2与双极性的方波信号进行模2乘操作，得到最终的扩频编码信号s3。
本发明所述扩频编码信号具有如下特点：
(1)本发明扩频编码信号是由两个等码元、等阶数的m序列优先对模2和构成的新序列与等长度、等码元的双极性方波信号进行模2乘操作得到的；
(2)本扩频编码信号具有良好的自相关性和互相关性，且其互相关函数的最大值不超过m序列互相关函数的最大值；
(3)所述的扩频编码信号自相关函数归一化为：：
式中，R(τ)为所述扩频编码信号的自相关函数，q＝2(2n-1)，n为扩频编码序列的阶数；
(4)n阶m序列优选对采用不同相对移位，可以构成2n-1个新序列，因而最终构成的扩频编码信号也有2n-1个；
(5)所述扩频编码信号的周期是构成该扩频编码信号基础的m序列周期的2倍；
(6)所述扩频编码信号频率中不含有直流分量，具有比m序列和Gold序列更好的平衡特性；
(7)所述扩频编码信号频率含量中最低频率值低于m序列和Gold序列。
本发明所述扩频编码信号生成系统主要通过FPGA设计实现。所述的扩频编码信号生成系统包括：时钟分频单元、方波信号产生单元、m1序列产生单元，m2序列产生单元，优选判断单元，信号模2和单元，信号模2乘单元，以及扩频编码信号产生单元。所述的时钟分频单元用于将FPGA的系统工作时钟clk进行分频，给方波信号产生单元及m1序列产生单元和m2序列产生单元提供触发时钟信号；所述的时钟分频单元的输入端连接FPGA的系统工作时钟clk，所述的时钟分频单元的输出端分别连接方波信号产生单元及m1序列产生单元和m2序列产生单元的输入端；所述的方波信号产生单元用于产生方波信号，方波信号产生单元的输入端与时钟分频单元的输出端相连，方波信号产生单元输出端与信号模2乘单元的第一个输入端相连；所述的m1序列产生单元和m2序列产生单元分别用于产生m序列，产生的两个m序列具有等码元、等阶数和不同反馈值的特点；m1序列产生单元的输出端分别与优选判断单元的第一个输入端及信号模2和单元的第一个输入端相连，m2序列产生单元的输出端分别与优选判断单元的第二个输入端及信号模2和单元的第二个输入端相连；所述的优选判断单元用于对产生的两个m序列进行优选对判断，具有两个输入端和一个输出端；优选判断单元的两个输入端分别与m1序列产生单元和m2序列产生单元的输出端相连，优选判断单元的输出端输出触发工作脉冲，与信号模2和单元的第三个输入端相连；信号模2和单元具有三个输入端和一个输出端，三个输入端分别与m1序列产生单元、m2序列产生单元和优选判断单元的输出端相连，信号模2和单元的输出端与信号模2乘单元的第二个输入端相连，当信号模2和单元的第三个输入端接收到优选判断单元输出的触发工作脉冲信号之后，将信号模2和单元第一个输入端和第二个输入端输入的m序列信号进行模2和操作，产生的信号经其输出端输送给信号模2乘单元的输入端；信号模2乘单元具有两个输入端和一个输出端，信号模2乘单元输入端分别与方波信号产生单元和信号模2和单元的输出端相连，信号模2乘单元输出端与扩频编码信号产生单元的输入端相连；扩频编码信号产生单元用于将产生的扩频编码信号进行取反和多路扩充后作为驱动信号驱动扩频编码系统主电路中的逆变电路工作产生最终的扩频编码探测激励电流，扩频编码信号产生单元的输入端与信号模2乘单元的输出端相连，扩频编码信号产生单元输出端则连接扩频编码系统主电路。
本发明扩频编码信号系统的具体工作流程如下：
(1)首先，FPGA的系统工作时钟经时钟分频单元分频后产生的触发时钟信号输送给方波信号产生单元，m1序列产生单元和m2序列产生单元；
(2)方波信号产生单元利用时钟分频单元输出的触发时钟信号产生用于与编码信号s2进行模2乘操作的方波信号，并输送给信号模2乘单元；
(3)m1序列产生单元利用时钟分频单元输出的触发时钟信号产生第一个m序列，分别输送给优选判断单元和信号模2和单元；m2序列产生单元利用时钟分频单元输出的触发时钟信号产生第二个m序列，同样分别输送给优选判断单元和信号模2和单元；
(4)优选判断单元对输送进来的两个m序列进行优选对判断，符合优选对条件，产生一个触发工作脉冲输出给信号模2和单元；
(5)信号模2和单元接收到触发工作脉冲信号以后，对m1序列产生单元和m2序列产生单元输入的两个m序列进行模2和操作，产生一个新的序列s1，输送给信号模2乘单元；
(6)信号模2乘单元将从方波信号产生单元接收到的方波信号与两个周期的序列s1进行模2乘操作，产生扩频编码信号s3，输送给扩频编码信号产生单元；
(7)扩频编码信号产生单元将接收到的扩频编码信号s3进行取反操作，并将原来的扩频编码信号s3和取反得到的信号进行多路扩充，使原来的一个扩频编码信号s3和一个取反信号变为两个扩频编码信号s3和两个取反信号，并将此四路信号输送给扩频编码系统主电路作为驱动信号驱动逆变电路工作产生最终的扩频编码探测激励电流。
本发明所述扩频编码信号和系统，具有尖锐的自相关特性、处处为零的互相关特性、频率含量丰富、良好的平衡特性、够长的码周期、尽可能大的复杂度等特点，满足扩频编码探测方法对发送信号的要求，探测效率较高，抗干扰能力较强，可在小功率下实现高信噪比的探测，可以用于对地质、煤炭、矿藏、采空区、考古等地质的勘探。
附图说明
图1本发明扩频编码信号的原理实现图；
图2本发明扩频编码信号的系统结构图。
具体实施方式
本发明扩频编码信号主要用于扩频编码探测，扩频编码探测是利用发射的扩频编码信号具有的多个频率信息来提高扩频编码探测的精度，利用扩频编码信号本身良好的自相关特性和互相关特性来去除外界的不相关干扰信号，达到快速测量、提高信号抗干扰能力和提升探测信号信噪比的作用。因而，在实际使用中要求发射的扩频编码信号具有尖锐的自相关特性、处处为零的互相关特性、频率含量丰富、不同的码元数，平衡特性相等、够长的码周期、尽可能大的复杂度等特点。
本发明所述扩频编码信号是在m序列和Gold序列的基础上发展起来的。如图1所示，本扩频编码信号主要通过以下步骤生成：(1)选取等码元、等阶数的具有不同反馈值的两个m序列构成m序列优选对；(2)将这两个m序列优选对逐码元进行模2和操作，构成一个新的序列s1；(3)选取两个周期的新序列构成一个编码信号s2；(4)选取一个与两个周期新序列等长度、等码元的双极性方波信号，将编码信号s2与双极性的方波信号进行模2乘操作，得到最终的扩频编码信号s3。
本发明所述扩频编码信号具有如下特点：
(1)本发明扩频编码信号是由两个等码元、等阶数的m序列优先对模2和构成的新序列与等长度、等码元的双极性方波信号进行模2乘操作得到的；
(2)本扩频编码信号具有良好的自相关性和互相关性，且其互相关函数的最大值不超过m序列互相关函数的最大值；
(3)所述的扩频编码信号自相关函数归一化为：：
式中，R(τ)为所述扩频编码信号的自相关函数，q＝2(2n-1)，n为扩频编码序列的阶数；
(4)n阶m序列优选对采用不同相对移位，可以构成2n-1个新序列，因而最终构成的扩频编码信号也有2n-1个；
(5)所述扩频编码信号的周期是构成该扩频编码信号基础的m序列周期的2倍；
(6)所述扩频编码信号频率中不含有直流分量，具有比m序列和Gold序列更好的平衡特性；
(7)所述扩频编码信号频率含量中最低频率值低于m序列和Gold序列。
生成本发明所述扩频编码信号的系统主要通过FPGA设计实现。系统主要包括：时钟分频单元1、方波信号产生单元2、m1序列产生单元3，m2序列产生单元4，优选判断单元5，信号模2和单元6，信号模2乘单元7，扩频编码信号产生单元8。其中时钟分频单元1主要用于将FPGA的系统工作时钟clk进行分频，用于给方波信号产生单元2以及m1序列产生单元3和m2序列产生单元4提供触发时钟信号，它的输入端连接FPGA的系统工作时钟clk，输出端分别连接方波信号产生单元2以及m1序列产生单元3和m2序列产生单元4的输入端。方波信号产生单元2用于产生方波信号，它的输入端与时钟分频单元1的输出端相连，输出端与信号模2乘单元7的第一个输入端相连。m1序列产生单元3和m2序列产生单元4分别用于产生m序列，产生的两个m序列具有等码元、等阶数和不同反馈值的特点，m1序列产生单元3的输出端分别与优选判断单元5的第一个输入端及信号模2和单元6的第一个输入端相连，m2序列产生单元4的输出端分别与优选判断单元5的第二个输入端及信号模2和单元6的第二个输入端相连。优选判断单元5用于对产生的两个m序列进行优选对判断，具有两个输入端和一个输出端，两个输入端分别与m1序列产生单元3和m2序列产生单元4输出端相连，输出端输出触发工作脉冲，与信号模2和单元6的第三个输入端相连。信号模2和单元6具有三个输入端和一个输出端，三个输入端分别与m1序列产生单元3，m2序列产生单元4和优选判断单元5的输出端相连，输出端与信号模2乘单元7的第二个输入端相连，当第三个输入端接收到优选判断单元5输出的触发工作脉冲信号之后，将第一个输入端和第二个输入端输入的m序列信号进行模2和操作，产生的信号经输出端输送给信号模2乘单元7的输入端。信号模2乘单元7具有两个输入端和一个输出端，输入端分别与方波信号产生单元2和信号模2和单元6的输出端相连，输出端与扩频编码信号产生单元8的输入端相连。扩频编码信号产生单元8用于将产生的扩频编码信号进行取反和多路扩充后作为驱动信号驱动扩频编码系统主电路中的逆变电路工作产生最终的扩频编码探测激励电流，它的输入端与信号模2乘单元7的输出端相连，输出端则连接扩频编码系统主电路。
本发明扩频编码信号系统的具体工作流程如下：
(1)首先，FPGA的系统工作时钟clk经时钟分频单元1分频后产生的触发时钟信号输送给方波信号产生单元2，m1序列产生单元3和m2序列产生单元4；
(2)方波信号产生单元2利用时钟分频单元1输出的触发时钟信号产生用于与编码信号s2进行模2乘操作的方波信号，并输送给信号模2乘单元7；
(3)m1序列产生单元3利用时钟分频单元1输出的触发时钟信号产生第一个m序列，分别输送给优选判断单元5和信号模2和单元6；m2序列产生单元4利用时钟分频单元1输出的触发时钟信号产生第二个m序列，同样分别输送给优选判断单元5和信号模2和单元6；
(4)优选判断单元5对输送进来的两个m序列进行优选对判断，符合优选对条件，产生一个触发工作脉冲输出给信号模2和单元6；
(5)信号模2和单元6接收到触发工作脉冲信号以后，对m1序列产生单元3和m2序列产生单元4输入的两个m序列进行模2和操作，产生一个新的序列s1，输送给信号模2乘单元7；
(6)信号模2乘单元7将从方波信号产生单元2接收到的方波信号与两个周期的序列s1进行模2乘操作，产生扩频编码信号s3，输送给扩频编码信号产生单元8；
(7)扩频编码信号产生单元8将接收到的扩频编码信号s3进行取反操作，并将原来的扩频编码信号s3和取反得到的信号进行多路扩充，使原来的一个扩频编码信号s3和一个取反信号变为两个扩频编码信号s3和两个取反信号，并将此四路信号输送给扩频编码系统主电路作为驱动信号驱动逆变电路工作产生最终的扩频编码探测激励电流。
本发明所述扩频编码信号和系统，具有尖锐的自相关特性、处处为零的互相关特性、频率含量丰富、良好的平衡特性、够长的码周期、尽可能大的复杂度等特点，满足扩频编码探测方法对发送信号的要求，探测效率较高，抗干扰能力较强，可在小功率下实现高信噪比的探测，可以用于对地质、煤炭、矿藏、采空区、考古等地质的勘探。

Claims (2)

1.一种用于电磁探测的扩频编码信号生成方法，其特征在于所述的扩频编码信号通过以下步骤生成：
(1)选取等码元、等阶数的具有不同反馈值的两个m序列，构成m序列优选对；
(2)将这两个m序列优选对逐码元进行模2和操作，构成一个新的序列s1；
(3)选取两个周期的新序列构成一个编码信号s2；
(4)选取一个与两个周期新序列等长度、等码元的双极性方波信号，将编码信号s2与双极性的方波信号进行模2乘操作，得到最终的扩频编码信号s3；
所述的扩频编码信号具有如下特征：
(1)所述的扩频编码信号由两个等码元、等阶数的m序列优先对模2和构成的新序列与等长度、等码元的双极性方波信号进行模2乘操作得到的；
(2)所述的扩频编码信号互相关函数的最大值不超过m序列互相关函数的最大值；
(3)所述的扩频编码信号自相关函数归一化为：
式中，R(τ)为所述扩频编码信号的自相关函数，q＝2(2n-1)，n为扩频编码序列的阶数；
(4)n阶m序列优选对采用不同相对移位，能够构成2n-1个新序列，最终构成的扩频编码信号也有2n-1个；
(5)所述扩频编码信号的周期是构成该扩频编码信号基础的m序列周期的2倍；
(6)所述扩频编码信号频率中不含有直流分量；
(7)所述扩频编码信号频率含量中最低频率值低于m序列和Gold序列。
2.一种用于如权利要求1所述的用于电磁探测的扩频编码信号生成方法的信号发生系统，其特征在于：生成所述的扩频编码信号的系统包括：时钟分频单元(1)、方波信号产生单元(2)、m1序列产生单元(3)，m2序列产生单元(4)，优选判断单元(5)，信号模2和单元(6)，信号模2乘单元(7)，以及扩频编码信号产生单元(8)；所述的时钟分频单元(1)用于将FPGA的系统工作时钟clk进行分频，给方波信号产生单元(2)及m1序列产生单元(3)和m2序列产生单元(4)提供触发时钟信号；所述的时钟分频单元(1)的输入端连接FPGA的系统工作时钟clk，所述的时钟分频单元(1)的输出端分别连接方波信号产生单元(2)及m1序列产生单元(3)和m2序列产生单元(4)的输入端；所述的方波信号产生单元(2)用于产生方波信号，方波信号产生单元(2)的输入端与时钟分频单元(1)的输出端相连，方波信号产生单元(2)输出端与信号模2乘单元(7)的第一个输入端相连；所述的m1序列产生单元(3)和m2序列产生单元(4)分别用于产生m序列，产生的两个m序列具有等码元、等阶数和不同反馈值的特点；m1序列产生单元(3)的输出端分别与优选判断单元(5)的第一个输入端及信号模2和单元(6)的第一个输入端相连，m2序列产生单元(4)的输出端分别与优选判断单元(5)的第二个输入端及信号模2和单元(6)的第二个输入端相连；所述的优选判断单元(5)用于对产生的两个m序列进行优选对判断，具有两个输入端和一个输出端；优选判断单元(5)的两个输入端分别与m1序列产生单元(3)和m2序列产生单元(4)的输出端相连，优选判断单元(5)的输出端输出触发工作脉冲，与信号模2和单元(6)的第三个输入端相连；信号模2和单元(6)具有三个输入端和一个输出端，三个输入端分别与m1序列产生单元(3)、m2序列产生单元(4)和优选判断单元(5)的输出端相连，信号模2和单元(6)的输出端与信号模2乘单元(7)的第二个输入端相连，当信号模2和单元(6)的第三个输入端接收到优选判断单元(5)输出的触发工作脉冲信号之后，将信号模2和单元(6)第一个输入端和第二个输入端输入的m序列信号进行模2和操作，产生的信号经其输出端输送给信号模2乘单元(7)的输入端；信号模2乘单元(7)具有两个输入端和一个输出端，信号模2乘单元(7)输入端分别与方波信号产生单元(2)和信号模2和单元(6)的输出端相连，信号模2乘单元(7)输出端与扩频编码信号产生单元(8)的输入端相连；扩频编码信号产生单元(8)用于将产生的扩频编码信号进行取反和多路扩充后作为驱动信号驱动扩频编码系统主电路中的逆变电路工作产生最终的扩频编码探测激励电流，扩频编码信号产生单元(8)的输入端与信号模2乘单元(7)的输出端相连，扩频编码信号产生单元(8)输出端则连接扩频编码系统主电路。
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