CN111221044A - 基于多路正交编码的大地系统辨识电磁勘探方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多路正交编码的大地系统辨识电磁勘探方法及其系统，该方法包括：对输入信号进行采样得到离散信号；对N个离散数据进行离散沃尔什变换得到N个Walsh码的系数；从Walsh码正交集中选取N个相互正交的Walsh函数并与N个Walsh码的系数一一对应相乘得到扩频的N路正交编码信号；将N路正交编码信号合并得到总发射信号并传送至大地系统；接收经过大地系统传输后的总信号，并利用N个Walsh函数进行分离得到N路接收信号，再利用N路接收信号计算出大地系统冲激响应和噪声。本发明对原输入信号进行多路扩频提高了大地系统冲激响应的求解精度，对有用信号和噪声进行了有效分离，为得到准确性更高的大地介质参数提供了基础。

Description

基于多路正交编码的大地系统辨识电磁勘探方法及其系统

技术领域

本发明属于电法及电磁法勘探技术领域，具体涉及一种基于多路正交编码的大地系统辨识电磁勘探方法及其系统。

背景技术

电法及电磁法勘探中，需要通过接地导线或不接地回线向地下供电(输入信号)，并采用电场和/或磁场传感器测量输入信号经过大地传输后的电场和/或磁场(输出信号)。输入信号可以是方波、伪随机波、阶跃波等，输出信号是矢量电磁和/或磁场的一个或几个分量。根据输入信号和观测的电和/或磁场分量，可以计算大地系统冲击响应，为计算反应地下介质特性的各种参数提供依据，从而获得地下介质的物性分布，进而解释地下结构和构造，达到地质勘探的目的。

现有的电法和电磁法中，输入信号都是通过发送机直接将阶跃波、伪随机波或者方波输入到地下，接收机直接测量输入信号经过大地传输后的电磁场。譬如一类是发送机直接将伪随机信号或扩频编码输入地下，接收机直接测量输入信号经过大地传输后的电磁场。如CN102721982B“基于扩频编码技术的地面电磁勘探方法和系统”中就公开了“发送机通过发送电极向地下供入以扩频编码序列跳变的电流信号作为人工激励源，……所述勘探系统发送机产生的跳频编码序列电流信号通过发送电极供入地下……”。其提出了用扩频码m序列或者Gold序列来代替传统的直流信号，将扩频码直接作为输入信号输入大地系统，其虽然可以提高探测的分辨率、抗多频干扰能力，提高探测效率。但发射机发射的输入信号缺乏灵活性，它的发射信号相当于用伪随机信号对直流信号进行了扩频，而对于除直流信号外的其他信号未做考虑，应用局限。如CN1163764C“一种主动源频率域电法勘探方法”中公开了“通过向地下发送包括2ⁿ+1个按2ⁿ分布的主频率的伪随机波形的电流作为激励场源……”。此方案的实质还是直接发送伪随机序列，只是伪随机序列的选择具有特殊性，其伪随机序列在频率域具有多个主频率f₁,f₂,f₃,....f_n均按2ⁿ步进，相邻两个主频率的频比为f_i/f_i-1为2。但是这类方法的输入信号缺乏灵活性，没有充分利用扩频技术，其应用在无电磁干扰或弱电磁干扰地区可以获得很好的效果，因为无电磁干扰或弱电磁干扰的地方，噪声与扩频码或与伪随机信号的相关值等于零或接近于零。但在强电磁干扰地区，由于噪声来源复杂且信噪比(SNR)较小，此时噪声与扩频码的相关值不可忽略，舍弃噪声与扩频码相关值的做法导致求解精度出现较大偏差，最终往往无法获得有效的观测数据。

此外，还有“PS100型IP到端可控源高精度大地电测仪系统-CDMA技术首次在地电阻率测量中的应用”提到PS100高精度大地电测仪采用先进的CDMA(Code DivisionMultiple Access)技术，其测量原理是通过可控源对供入地下的电流I进行编码调制，在测量端(接收端)同时对V_mn和V_标(I)进行相关检测并解码测量，由于输入电流I和输出V_mn和V_标(I)具有相关性，而其他干扰与电流I不相关，因此最终测量到的V_mn和V_标(I)就是由于输入电流I引起的。此文献提到了对供入地下的电流I进行了编码调制，也就是对原始输入信号进行了扩频。但是其只用一种扩频码对一路信号进行扩频，并没有将CDMA的多址技术充分利用起来。且该方案认为其他干扰与电流I不相关，即认定其他干扰与电流I的相关性为0，这在实际应用中还是过于理想化。即：输入信号将原始发射信号进行了扩频调制，在接收端利用相关辨识技术对大地系统响应进行了辨识，其认为干扰和发送信号的完全不相关。但在实际应用中，噪声的种类是多种多样的，很难做到让广泛存在的工频和其他人文电磁干扰与发送信号完全不相关。

因此，不论是发送机直接将伪随机信号或扩频编码输入地下的勘测方法或者是“PS100型IP到端可控源高精度大地电测仪系统-CDMA技术首次在地电阻率测量中的应用”的勘测方法都无法得到更加有效的观测数据，勘测精度有待提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中勘探精度有待提高的问题提供一种基于多路正交编码的大地系统辨识电磁勘探方法及其系统，其基于多路扩频技术对原发射信号进行多路扩频叠加，再由接收机利用Walsh函数的正交性分离成多路线性无关的信号，通过多路分离出来的信号对大地系统冲激响应进行求解，得到的大地系统冲激响应的精度远高于单路扩频方案，且计算过程加入了噪声因子，降低噪声对求解出的大地系统冲激响应的影响，为得到更加精准的地下介质的各项参数提供基础。

一种基于多路正交编码的大地系统辨识电磁勘探方法，包括如下步骤：

S1：获取输入信号，并基于预设采样频率对输入信号进行采样得到离散信号；

S2：从所述离散信号中抽取N个离散数据，并对所述N个离散数据进行离散沃尔什变换得到N个Walsh码的系数；

其中，所述N个离散数据是以Walsh周期为时间段；

S3：从Walsh码正交集中选取N个相互正交的Walsh函数，并将N个Walsh函数与N个Walsh码的系数一一对应相乘得到扩频的N路正交编码信号；

其中，一个Walsh码的系数乘以一个Walsh函数得到一路正交编码信号；

S4：将N路正交编码信号合并得到总发射信号，并将所述总发射信号传送至大地系统；

S5：接收经过大地系统传输后的总接收信号，并利用所述N个Walsh函数将总接收信号进行分离得到N路接收信号，再基于所述N路接收信号计算出大地系统冲激响应和或噪声；其中，每一路接收信号均与大地系统冲激响应和噪声构成一个超定方程。

所述接收信号如下所示：

r(t)＝s(t)*h(t)+n(t)

r(t)为总接收信号，s(t)为步骤S4中传送至大地系统的总发射信号，h(t)为大地系统冲激响应，n(t)为噪声。

本发明基于CDMA技术的扩频特性和多址特性，选择Walsh码对原发射信号(输入信号)进行扩频，其中，选用相互正交的Walsh码使得一路输入信号变成了多路线性无关的N路接收信号，再将N路接收信号合并传送大地系统，由于传输路径是相同的，因此每一路信号受到的大地系统冲激响应以及噪声都是相同的，进而拆分后的每一路接收信号上都包含了相同的大地系统冲激响应和噪声，进而利用N路接收信号方程构成的N个超定方程求解出大地系统冲激响应和噪声。其中，通过扩频N路接收信号相较于一路扩频，本发明利用扩频码良好的互相关性，提高了大地系统冲激响应的精度，由于大地系统冲激响应是求解地下介质的电导率、极化率、磁导率、介电常数和其他参数的基础，因此得到精度更高的大地系统冲激响应可以提高其他参数的精度。与此同时，本发明还加入了噪声的考虑，实现了传输路径上噪声的精确计算与有效分离，使得当前得到大地系统冲激响应的准确性更高

进一步优选，步骤S2中以N个离散数据为一组对所述离散信号进行分组，并对按照步骤S2-S5对每组的N个离散数据进行处理得到每组离散数据对应的大地系统冲激响应和噪声，再对每组离散数据对应的大地系统冲激响应和噪声进行拟合得到所述大地系统冲激响应和噪声的函数。

进一步优选，步骤S5中利用所述N个Walsh函数将总接收信号进行分离得到的N路接收信号如下所示：

式中，y_i(t)表示分离得到N路接收信号中第i+1路信号，W_i(t)为所述N个Walsh函数中第i+1个Walsh函数，W_x(0)、W_x(1)、W_x(N-1)分别为所述N个Walsh码的系数中第1、第2、第N个Walsh码的系数，W₀(t)、W₁(t)、W_N-1(t)分别为所述N个Walsh函数中第1、第2、第N个Walsh函数，i为整数，

为相关运算，*为卷积运算。

本发明得到N路接收信号则得到N个上述表达式，构成了N个超定方程，由于N个超定方程中均只有大地系统冲激响应以及噪声两个未知参数，因此，用N个超定方程求解大地系统冲激响应以及噪声两个参数是完全可以实现的。本发明通过此实现了大地系统冲激响应与噪声的有效分离，提高了大地系统冲激响应的精度。

进一步优选，步骤S2中对所述N个离散数据进行离散沃尔什变换得到N个Walsh码的系数的公式如下：

式中，W_x(k)为第k+1个Walsh码的系数，x(n)为离散信号，Wal(k,n)表示序号为k的离散Walsh函数。

进一步优选，步骤S1中的预设采样频率大于或等于输入信号中最高频率的2倍。

进一步优选，所述输入信号的类型为：正弦波、方波、双频波、三频波、2ⁿ系列伪随机波、m序列伪随机波、逆重复m序列伪随机波、阶跃波、三角波、梯形波中的任意类型。

进一步优选，选择的Walsh码正交集中Walsh码阶数为2^m阶，其中m为大于等于3的正整数。

另一方面，本发明提供上述方法的勘探系统，包括发射端和接收端，其中，发射端上设有接地导线或不接地回线，用于将总发射信号传送至大地系统；所述接收端上设有电场传感器，用于接收经过大地系统传输后的总信号；

所述发射端还包括信息处理单元、沃尔什变换单元以及扩频单元；

其中，信息处理单元，用于获取输入信号并基于预设采样频率对输入信号进行采样得到离散信号；

沃尔什变换单元，用于从所述离散信号中抽取N个离散数据，并对所述N个离散数据进行离散沃尔什变换得到N个Walsh码的系数；

所述扩频单元，用于将N个Walsh函数与N个Walsh码的系数一一对应相乘得到扩频的N路正交编码信号，并进行合并得到总发射信号；

所述接收端还包括信号分离模块以及处理模块；

所述信号分离模块，用于利用所述N个Walsh函数将总接收信号进行分离得到N路接收信号；

所述处理模块，用于基于所述N路接收信号计算出大地系统冲激响应和噪声。

有益效果

1、本发明改变了现有电法及电磁法的发送和接收方式，即输入信号不再是直接被发送至大地中，而是经过多路扩频叠加后，再被发送至大地中；接收机测量的也不再是大地对输入信号的直接响应，而是利用Walsh函数的正交性分离成多路线性无关的信号，通过多路分离出来的信号对系统响应进行求解，其基于CDMA技术的扩频特性和多址特性，利用对相互正交的Walsh码对原发射信号(输入信号)进行扩频，得到多路线性无关的N路接收信号，由于传输路径是相同的，因此每一路信号受到的大地系统冲激响应以及噪声都是相同的，进而拆分后的每一路接收信号上都包含了相同的大地系统冲激响应和噪声，因此，本发明扩频N路接收信号相较于一路扩频，本发明利用扩频码良好的互相关性，提高了大地系统冲激响应的精度。

2、本发明考虑了传输路径上噪声的影响，实现了大地系统冲激响应与噪声的有效分离，得到了精度更高的大地系统冲激响应。

3、相比于目前的电磁勘探方法，本发明对发送电流进行了多路扩频，但对发送电流的波形、频率等无要求，因此现有的发送电流波形和频段仍可以使用。目前所有的人工源电磁勘探方法，如直流电法、激发极化法、频谱激电法、可控源音频大地电磁法、广域电磁法、瞬变电磁法、时域电磁法、高频电磁法、探地雷达等，都可以采用本发明进行发送方式改变，并在接收端相应的增加多路信号分离器，本发明该方法的应用范围更加广泛。

附图说明

图1是本发明提供的发射端的示意图；

图2是本发明提供的接收端的示意图；

图3是本发明提供的8阶Walsh码的波形。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

本发明提供的一种基于多路正交编码的大地系统辨识电磁勘探方法，其目的是获取到精度更高的大地系统冲激响应，为计算反应地下介质特性的各种参数提供依据，从而获得地下介质的物性分布，解释地下结构和构造，达到地质勘探的目的。

本发明提供的一种基于多路正交编码的大地系统辨识电磁勘探方法其是在发射端以及接收端来实现数据处理，其包括如下步骤，其中，步骤S1-S4是在发射端执行，步骤S5是在接收端执行。

S1：获取输入信号x(t)，并基于预设采样频率对输入信号进行采样得到离散信号。

其中，输入信号x(t)可以是正弦波、方波、双频波、三频波、2ⁿ系列伪随机波、m序列伪随机波、逆重复m序列伪随机波、阶跃波、三角波、梯形波或其他波形，本发明对输入信号的波形和频段并无要求，因此，目前所有的人工源电磁勘探方法，如直流电法、激发极化法、频谱激电法、可控源音频大地电磁法、广域电磁法、瞬变电磁法、时域电磁法、高频电磁法、探地雷达等，都可以采用本发明的发送方式。

为了不失真的恢复输入信号x(t)，根据奈奎斯特采样定理有：采样频率f_s应该大于等于输入信号x(t)中最高频率的2倍。即假定输入信号x(t)的最高频率为f_max，则相应的采样频率f_s≥2f_max。

S2：从所述离散信号中抽取N个离散数据，并对所述N个离散数据进行离散沃尔什变换(DWT)得到N个Walsh码的系数W_x(k)。

Walsh函数是一种完备的正交函数系。对任一在Walsh归一化周期0≤t＜1s单位区间平方可积的周期函数x(t)均可展开为沃尔什级数，且此级数具有收敛性。即，按x(t+1)＝x(t)，则对所有t都有：

式中，d₀是直流项，d_k是序号为k的沃尔什波的幅度，其大小为：

式中，Walsh函数定义如下：

其中，序号k(k是非负整数，且有k＜2^q,)

t∈[0,1),k_s,t_s∈{0,1}，为十进制到二进制的转化公式，t为时间。

定义在区间[0,1)上的Walsh函数系{Wal(k,t),k＝0,1,2,3…}是归一化的正交函数系，实际应用时可根据具体情况拓展归一化函数。

为了便于数字处理，对连续沃尔什函数进行等间隔抽样。设单位时间内取N个样点，则抽样间隔Δt＝1/N，t＝Δt×n，以W_x(k)代替d_k,故

式变为：

因此，本步骤中以Walsh周期为时间段获取到N个离散数据x(n)并进行散沃尔什变换得到N个Walsh码的系数W_x(k)。其中，由于采样频率f_s≥2f_max，因此在一个Walsh周期内获取到离散数据x(n)的个数N必然是大于或等于2。

S3：从Walsh码正交集中选取N个相互正交的Walsh函数W_k(t)，并将N个Walsh函数W_k(t)与N个Walsh码的系数W_x(k)一一对应相乘得到扩频的N路正交编码信号。

其中，一个Walsh码的系数乘以一个Walsh函数得到一路正交编码信号，如W_k(t)×W_x(k)。其中，本发明的扩频码采用的是CDMA系统中互相关性非常好的地址码Walsh码。若Walsh码是正交的，在一个完整的Walsh码周期T内将满足：

需要说明的是，Walsh码的正交特性是多路正交编码系统接收端信号分离的关键，正是由于正交码的正交性，使得接收端的一路信号分离成多路线性无关的N路接收信号成为可能，为后续的计算提供理论基础。本发明选用的Walsh码正交集中Walsh码可以是可以为2³阶、2⁴阶、…、2^m阶，其中m为大于等于3的正整数，本发明对此不进行具体的限定，譬如本实施例中是在8阶Walsh码正交集中选择N个相互正交的Walsh函数W_k(t)。如图3所示为8阶Walsh码的波形，码片宽度可以自行调节，即扩频码的周期可以自行根据需要进行设定。

S4：将N路正交编码信号合并得到总发射信号，并将所述总发射信号传送至大地系统。其中，总发射信号s(t)如下所示：

S5：接收经过大地系统传输后的总接收信号，并利用所述N个Walsh函数将总接收信号进行分离得到N路接收信号，再基于所述N路接收信号计算出大地系统冲激响应和噪声。

其中，发射端发射的总发射信号经过带有噪声的大地系统传输后的信号由接收端的电场传感器获取，经与输入信号同步后，将总接收信号分别与发射端同步的N路Walsh函数W_k(t)进行相关运算，对总接收信号进行分离。由于Walsh函数W_k(t)是正交函数，故得到的每一路信号都是不相关的，同时每一路信号中携带的大地系统响应和噪声都是相同的，当N>2时，即可得到一组超定方程组。总接收信号如下所示：

r(t)＝s(t)*h(t)+n(t)

r(t)为总接收信号，s(t)为步骤S4中传送至大地系统的总发射信号，h(t)为大地系统冲激响应，n(t)为噪声。利用Walsh函数良好的互相关性对总接收信号进行分离得到N路接收信号，如下所示：

……

其中，y₀(t)、y₁(t)、y_N-1(t)表示分离得到N路接收信号中第1、2、N路接收信号，

为相关运算，*为卷积运算，计算公式如下：

从而推导出相关运算与卷积运算的关系为：

通过求解上述N个方程得出大地系统冲激响应和噪声。为了进一步求解出大地系统冲激响应和噪声，本发明步骤S2中以N个离散数据为一组对所述离散信号进行分组，，然后按照步骤S2-S5是对一个Walsh周期内的离散信号进行处理得到对应的大地系统冲激响应和噪声；采用相同的方法对多个Walsh周期内的离散信号进行处理则得到多组大地系统冲激响应和噪声，再进行拟合得出大地系统冲激响应和噪声的函数式。

基于上述方法，本发明提供了勘探系统，其包括如图1所示的发射端和如图2所示的接收端，其中，发射端上设有接地导线或不接地回线，用于将总发射信号传送至大地系统；所述接收端上设有电场传感器，用于接收经过大地系统传输后的总信号；

所述发射端还包括信息处理单元、沃尔什变换单元以及扩频单元；

其中，信息处理单元，用于获取输入信号并基于预设采样频率对输入信号进行采样得到离散信号；

沃尔什变换单元，用于从所述离散信号中抽取N个离散数据，并对所述N个离散数据进行离散沃尔什变换得到N个Walsh码的系数；

所述扩频单元，用于将N个Walsh函数与N个Walsh码的系数一一对应相乘得到扩频的N路正交编码信号，并进行合并得到总发射信号；

所述接收端还包括信号分离模块以及处理模块；

所述信号分离模块，用于利用所述N个Walsh函数将总接收信号进行分离得到N路接收信号；

所述处理模块，用于基于所述N路接收信号计算出大地系统冲激响应和噪声。

综上所述，本发明充分利用了CDMA系统中多址和扩频技术。扩频采用Walsh码，其中，Walsh码的阶数越高、码片宽度越窄，抗干扰能力越强。本发明改成多路Walsh码分别进行调制再合并发送、接收端分离成多路线性无关的信号，利用多路扩频信号对大地系统响应进行求解，求解精度相对单路扩频方案有很大提高。通信中利用CDMA技术来接收发送端发送的原始信号，本发明利用CDMA技术通过改变现有的发送和接收方式，来提取信号所经过信道的系统信息。扩频和多址技术在地球物理勘探中的应用，使得勘探发送方式变得多样化、系统化，为地面电法勘探的精细化、高分辨率勘探以及勘探仪器的设计提供了一种新思路。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多路正交编码的大地系统辨识电磁勘探方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：获取输入信号，并基于预设采样频率对输入信号进行采样得到离散信号；

S2：从所述离散信号中抽取N个离散数据，并对所述N个离散数据进行离散沃尔什变换得到N个Walsh码的系数；

其中，所述N个离散数据是以Walsh周期为时间段抽取；

S3：从Walsh码正交集中选取N个相互正交的Walsh函数，并将N个Walsh函数与N个Walsh码的系数一一对应相乘得到扩频的N路正交编码信号；

其中，一个Walsh码的系数乘以一个Walsh函数得到一路正交编码信号；

S4：将N路正交编码信号合并得到总发射信号，并将所述总发射信号传送至大地系统；

S5：接收经过大地系统传输后的总接收信号，并利用所述N个Walsh函数将总接收信号进行分离得到N路接收信号，再基于所述N路接收信号得到大地系统冲激响应和或噪声；其中，每一路接收信号均与大地系统冲激响应和噪声构成一个超定方程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中以N个离散数据为一组对所述离散信号进行分组，并对按照步骤S2-S5对每组的N个离散数据进行处理得到每组离散数据对应的大地系统冲激响应和噪声，再对每组离散数据对应的大地系统冲激响应和噪声进行拟合得到大地系统冲激响应和噪声的函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S5中所述接收信号如下所示：

r(t)＝s(t)*h(t)+n(t)

r(t)为总接收信号，s(t)为步骤S4中传送至大地系统的总发射信号，h(t)为大地系统冲激响应，n(t)为噪声；

其中，利用所述N个Walsh函数将总接收信号进行分离得到的N路接收信号如下所示：

式中，y_i(t)表示分离得到N路接收信号中第i+1路信号，W_i(t)为所述N个Walsh函数中第i+1个Walsh函数，W_x(0)、W_x(1)、W_x(N-1)分别为所述N个Walsh码的系数中第1、第2、第N个Walsh码的系数，W₀(t)、W₁(t)、W_N-1(t)分别为所述N个Walsh函数中第1、第2、第N个Walsh函数，i为整数，

为相关运算，*为卷积运算。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中对所述N个离散数据进行离散沃尔什变换得到N个Walsh码的系数的公式如下：

式中，W_x(k)为第k+1个Walsh码的系数，x(n)为离散信号，Wal(k,n)表示序号为k的离散Walsh函数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中的预设采样频率大于或等于输入信号中最高频率的2倍。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述输入信号的类型为：正弦波、方波、双频波、三频波、2ⁿ系列伪随机波、m序列伪随机波、逆重复m序列伪随机波、阶跃波、三角波、梯形波中的任意类型。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：选择的Walsh码正交集中Walsh码阶数为2^m阶，其中m为大于等于3的正整数。

8.基于权利要求1-7任一项所述方法的勘探系统，其特征在于：包括发射端和接收端，其中，发射端上设有接地导线或不接地回线，用于将总发射信号传送至大地系统；所述接收端上设有电场传感器，用于接收经过大地系统传输后的总信号；

所述发射端还包括信息处理单元、沃尔什变换单元以及扩频单元；

其中，信息处理单元，用于获取输入信号并基于预设采样频率对输入信号进行采样得到离散信号；

沃尔什变换单元，用于从所述离散信号中抽取N个离散数据，并对所述N个离散数据进行离散沃尔什变换得到N个Walsh码的系数；

所述扩频单元，用于将N个Walsh函数与N个Walsh码的系数一一对应相乘得到扩频的N路正交编码信号，并进行合并得到总发射信号；

所述接收端还包括信号分离模块以及处理模块；

所述信号分离模块，用于利用所述N个Walsh函数将总接收信号进行分离得到N路接收信号；

所述处理模块，用于基于所述N路接收信号计算出大地系统冲激响应和噪声。

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