CN111505722A - 一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法及系统，所述方法包括：根据勘探需求构造两个或两个以上基本单元信号；其中，所述基本单元信号是多个同相位周期方波信号叠加得到的阶梯信号，所述多个方波信号相邻之间频率之比为2；并且，所述两个或两个以上基本单元信号满足：第一个基本单元信号中主频的最低频率记为基频，其余基本单元的最低频率为基频的l×2m倍，其中，l为不为1的奇数，m为自然数；将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到对数非均匀2n序列伪随机信号。本发明能够在有限频率区间内构造对数非均匀的2n序列阶梯信号，能够满足勘探人员关于特定频率区间内频率密度更高的要求。

Description

一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法及系统
技术领域
本发明涉及地球物理勘探领域，尤其涉及一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前，有很多种电磁勘探类方法，大多采用不同伪随机编码方式进行信号编码，尤其是在频率域勘探领域。但是过去很多伪随机信号的有效频率频带范围往往很窄，在勘探过程中需要不断改变勘探信号的频率成分，以获得不同频率区间的勘探信息，再依次发送，大大浪费时间，且提高了勘探成本。同时，在很多时候，勘探人员对某些频段的电磁信息更感兴趣，但是过去的频率域伪随机勘探信号往往是对数均匀分布的，即整个频率区间内的频率分布是均匀的，并不能很好的满足勘探人员希望个别频率区间内有更多频率的要求。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法及系统，既能够提高勘探分辨率，也能够增加部分频率区间的频率密度，使得部分频率区间在勘探时的分辨率更高。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法，包括以下步骤：
根据勘探需求构造两个或两个以上基本单元信号；其中，
所述基本单元信号是多个同相位周期方波信号叠加得到的阶梯信号，所述多个方波信号相邻之间频率之比为2；并且，所述两个或两个以上基本单元信号满足：第一个基本单元信号中主频的最低频率记为基频，其余基本单元的最低频率为基频的l×2m倍，其中，l为不为1的奇数，m为自然数；
将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到叠加阶梯信号，并修正幅值使其与方波信号幅值一致，得到对数非均匀2n序列伪随机信号。
一个或多个实施例提供了一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成系统，包括：
基本单元信号构造模块，根据勘探需求构造两个或两个以上基本单元信号；其中，所述基本单元信号是多个同相位周期方波信号叠加得到的阶梯信号，所述多个方波信号相邻之间频率之比为2；并且，所述两个或两个以上基本单元信号满足：第一个基本单元信号中主频的最低频率记为基频，其余基本单元的最低频率为基频的l×2m倍，其中，l为不为1的奇数，m为自然数；
伪随机信号生成模块，将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到对数非均匀2n序列伪随机信号。
一个或多个实施例提供了一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行所述的对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法。
一个或多个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法。
一个或多个实施例提供了一种电法勘探信号发送机，采用所述的对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法生成对数非均匀2n序列伪随机信号。
一个或多个实施例提供了一种电法勘探信号发送机，采用所述的对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法生成对数非均匀2n序列伪随机信号。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
采用以上技术方案，能够根据勘探需求，在有限频段范围内增加主频个数，在有限频率区间内构造不同阶数的2n序列阶梯信号，以提高主频之间的密度，有助于改善在电磁勘探时的分辨率。
通过调整各基本单元信号的最高和最低频率，以及通过控制基本单元信号中主频最低频率之间的倍数为l×2m倍，能够在提高了所需勘探深度勘探分辨率的同时，增加部分频率区间的频率密度，使得部分频率区间在勘探时的分辨率更高，能够满足勘探人员的要求。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法流程图；
图2为本发明实施例中1Hz周期正弦信号与1Hz周期方波信号(相位φ＝0)对应关系示意图；
图3为本发明实施例中7个频率叠加后台阶信号示意图；
图4为本发明实施例中7个频率叠加后台阶信号及其频谱示意图；
图5为本发明实施例中0.125Hz-15频-0相位基本单元对应时域波形及频谱特征；
图6为本发明实施例中3Hz-8频-98π/180相位基本单元对应时域波形及频谱特征；
图7为本发明实施例中2阶信号基本单元相位变化时主频频谱幅值相对均方误差变化曲线；
图8为本发明实施例中125Hz-15频-0相位和3Hz-8频-98π/180相位基本单元生成2阶2n序列伪随机信号；
图9为本发明实施例中125Hz-15频-0相位基本单元对应时域波形及频谱特征；
图10为本发明实施例中12Hz-6频-5π/12相位基本单元对应时域波形及频谱特征；
图11为本发明实施例中20Hz-6频-π/3相位基本单元对应时域波形及频谱特征；
图12为本发明实施例中3阶信号基本单元相位变化时主频频谱幅值相对均方误差变化曲线；
图13为本发明实施例中1Hz-7频-0相位、3Hz-6频-2π/5相位时对应伪随机信号时域波形及频谱特征；
图14为本发明实施例中0.125Hz-15频-0相位、12Hz-6频-5π/12相位、20Hz-6频-π/3相位构造生成伪随机信号的时域波形及频谱特征；
图15为本发明实施例中0.375Hz-4频-5π/9相位基本单元对应时域波形及频谱特征；
图16为本发明实施例中24Hz-5频-4π/9相位基本单元对应时域波形及频谱特征；
图17为本发明实施例中40Hz-5频-π/3相位基本单元对应时域波形及频谱特征；
图18为本发明实施例中3阶2n序列信号基本单元相位变化时主频频谱相对均方误差变化曲线；
图19为本发明实施例中0.125Hz-15频-0相位基本单元、0.375Hz-4频-5π/9相位基本单元、24Hz-5频-4π/9相位基本单元、40Hz-5频-π/3相位基本单元合成伪随机信号L4-F29—0.125Hz-2048Hz对应时域波形及频谱特征；
图20为本发明实施例中2阶信号随相位变化主频频谱相对均方误差变化曲线；
图21为本发明实施例中1Hz-15频-13π/18相位、3Hz-8频-2π/3相位时对应伪随机信号时域波形及频谱。
以上附图涉及的频谱图中，仅折线的拐点存在频谱值，为更清楚的展示频谱幅值的大小和变化趋势，本发明实施例中均采用折线图表示。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
同时，为了演示，将以计算机仿真信号为例进行说用，所采用采样频率远高于伪随机信号中最高主频频率，计算机引入后对信号离散化所引起计算误差可以忽略。
实施例一
本实施例公开了一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤1：根据勘探需求构造两个或两个以上基本单元信号，其中，所述基本单元信号是多个同相位周期方波信号叠加得到的阶梯信号，所述多个方波信号相邻之间频率之比为2。
其中，所述周期方波的生成方法为：
生成与目标周期方波频率一致的正弦信号，并将这些正弦信号中，大于0的值置为A，小于0的值置为-A，等于0的位置按照位置索引奇偶分别置A和-A，具体地，索引识别信号等于0的所有位置，按照奇偶项设置等于A和-A，如第1、3、5…个0位置数值置为A，第2、4、6…个0位置数值置为-A，得到一系列相位相同的周期方波信号，其中，A≠0，相位值可根据需求调整，本实施例中相位为0。
其中，周期方波的主频频率范围与勘探深度相关，主频频率的最低与最高频率可以根据待探测的深度需求(例如深层、浅层或其他具体探测深度)，根据经验公式辅助选择。具体地，获取用户需求的待探测深度范围；根据待探测深度范围确定最高频率和最低频率。然后结合获取的需求的频率增加倍数，得到目标周期方波相应的频率。
以1Hz为例说明，首先生成一个幅值为100、相位为0的1Hz正弦信号：S(t)＝A sin(2πft+φ)，其中,S(t)为正弦信号，A为幅值，φ为相位，f为信号频率，幅值为100时，A＝100，相位为0时φ＝0，频率为1Hz时，f＝1。
对这些正弦信号中大于0的值置100，小于0的值置-100，等于0的位置按照位置索引奇偶置于100或-100，在这样的方式下，则可以生成1Hz的0相位方波信号，如图2所示，依此方式则可以生成所有频率幅值为100、相位为0的频率。
设R(t)为周期方波信号，当正弦信号在t位置S(t)为正值时，将信号数值置为A，即对应时间位置t位置R(t)＝A；当正弦信号在t位置S(t)为负值时，将信号数值置为-A，即对应时间位置t位置R(t)＝-A，本实施例中将正弦信号的相位都设为0，取A＝100，对这些正弦信号中大于0的值置100，小于0的值置-100,等于0的位置按照索引奇偶置为100或-100，。
本实施例中，为表述方便称周期方波最低频率为基频，图5生成信号的基频为1Hz。注意，在此叠加信号需为2n序列频率，即相邻方波频率之间需以连续2的倍数增加，依据此方法能够生成以1Hz为基频的其他频率如2Hz、4Hz、8Hz…64Hz相位为0时的周期方波信号，而通过叠加1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz的0相位周期方波后，则可以获得含有多个频率的台阶信号，叠加后波形及对应频谱如图3所示，该台阶信号作为第一个基本单元信号。
基本单元的最低频率可以改变，频率数不一定为奇数，可以为偶数。本实施例中，第一个基本单元的最低频率称之为基频，其余基本单元最低频率应为基频的l×2m倍，且各基本单元的最低频率各不相同，其中l为不等于1的奇数，如3,5,7…，m为自然数,如0,1,2，3，4…。
本实施例中，要求对不同基本单元中主频数目进行求和后为奇数，不应为偶数，数学上，能够证明对奇数个周期方波(信号中数值只存在100与-100)相互叠加时，其幅值不可能为0，只可能是100或者-100的整数倍，所以经过叠加后，只需将大于100位置置为数值100，小于-100位置置为数值-100。假设第一个基本单元中主频数目为a1、第二个基本单元中主频数目a2、第三个基本单元中主频个数a3，Numf为所有基本单元主频数目的和,Numf＝a1+a2+a3。不难发现，当构造n阶2n序列伪随机信号时，Numf＝a1+a2+a3+…+an,其中an为第n个基本单元中的主频数目。本发明中，在构造对数非均匀2n序列伪随机信号时，Numf须为奇数，且对每个基本单元中的数目是否为奇数并不要求。同时，一般情况下，a1数目应大于其他基本单元的主频数，以此来约束对数非均匀2n序列伪随机信号中最高频率，且其余基本单元的最低频率和最高频率应位于第一基本单元中最低频率与最高频率形成的频率区间内，且各基本单元中无重复频率出现。
通过基频之间满足l×2m的倍数关系、主频数目之和为奇数等构造要求，简化了后续叠加信号的处理难度，能够高效的得到勘探所需对数非均匀2n序列伪随机信号。并且，能够便于实现生成伪随机信号在对数坐标下，相同长度频率区间内主频个数不同，疏密程度不同，生成对数非均匀高阶2n序列伪随机勘探信号。
本实施例中，基本单元中频率数目是可以改变的，根据基本单元的数目命名伪随机信号阶数，如有4个基本单元合成伪随机信号，4个基本单元共有29个主频，最低频率为0.125Hz,最高频率2048Hz，则该伪随机信号命名为L4-F29—0.125Hz-2048Hz，如图19所示。其中L为Level的缩写，意为阶数，F为Frequency的缩写，意为信号包含主频个数。不同阶数代表主频之间的疏密程度，2阶比1阶密，3阶要比2阶密，以此类推。
本实施例根据勘探需求，在有限频段范围内增加主频个数，在有限频率区间内构造不同阶数的2n序列阶梯信号，并且，能够提高感兴趣频率区间内主频之间的密度，满足勘探人员希望个别频率区间内有更多频率的要求。
步骤2：将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到叠加阶梯信号。
但是，直接相加两个基本单元所得到的伪随机信号，主频频谱能量差异较大，并不适合应用于频率域电磁勘探，因此，还对叠加方式进行寻优。
步骤3：对于所述两个或多个基本单元信号中的至少一个进行相位调整，寻找使得叠加后对数非均匀2n序列伪随机信号中各主频对应频谱值的均方差最小的相位，作为相应基本单元信号的最优相位；根据最优相位将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到对数非均匀2n序列伪随机信号。
本实施例通过计算主频幅值的均方差大小来判断其幅值之间的均匀性，选择使均方差数据最小的相位作为最优相位，以使各主要频率(主频)对应幅值均匀，即主频能量分布更加均匀。具体地，通过不断改变信号构造基本单元的相位，即正弦信号生成公式中φ，进而生成对应相位的周期方波叠加后的阶梯信号，利用这种组合方式生成对数非均匀2n序列伪随机信号，以使各主要频率(主频)对应幅值均匀，即主频能量分布更加均匀。
具体地，对于进行相位调整的基本单元信号，首先将半个周期的相位弧度π拆分成N份(大于半个周期相位弧度π后，信号反向，但是信号整体形态一致，所以只需要考虑半个周期相位即可)，即相位改变基本单元为π/N；每次调整一个相位改变基本单元，记录叠加后对数非均匀2n序列伪随机信号中各主频对应频谱值的均方差；绘制均方差大小随相位的变化曲线，寻找使得均方差最小的相位作为该基本单元信号的最佳相位。
两个基本单元构造伪随机信号：以第一个基本单元0.125Hz-2048Hz的15频叠加阶梯信号(见图5)和第二个基本单元3Hz-384Hz的8频阶梯信号(见图6)为例，采用上述两个阶梯信号合成非对数均匀的2n序列伪随机信号。取N＝180，即拆分成π/180，作为相位改变基本单元，每次相位改变π/180，依次增加，即每次改变公式中φ的值，其可能的值依次为0、π/180、2π/180、3π/180…179π/180。首先改变第二个基本单元的相位，获得当φ＝98π/180时，获得合成后伪随机信号主频频谱相对均方误差最小，如图7所示。基于此相位，所合成伪随机信号信号如图8所示。
三个基本单元构造伪随机信号：以第一个基本单元0.125Hz-2048Hz的15频叠加阶梯信号(见图9)、第二个基本单元12Hz-384Hz的6频阶梯信号(见图10)和第三个基本单元20Hz-640Hz的6频阶梯信号(见图11)为例，采用上述三个阶梯信号合成非对数均匀的2n序列伪随机信号。取N＝12，即，将π/12作为相位改变基本单元，通过不断改变第二基本单元相位φ1、第三基本单元相位φ2的值，获得当φ1＝5π/12、φ2＝π/3时，获得合成后伪随机信号主频频谱相对均方误差最小，如图12所示。基于此相位，所合成伪随机信号信号如图13所示。
四个基本单元构造伪随机信号：以第一个基本单元0.125Hz-2048Hz的15频叠加阶梯信号(见图14)、第二个基本单元0.375Hz-3Hz的4频阶梯信号(见图15)、第三个基本单元24Hz-384Hz的5频阶梯信号(见图16)和第四个基本单元40Hz-640Hz的5频阶梯信号(见图17)为例，采用上述四个阶梯信号合成非对数均匀的2n序列伪随机信号。取N＝18，即将π/18作为相位改变基本单元，通过不断改变第二基本单元相位φ1、第三基本单元相位φ2、第三基本单元相位φ3的值，获得当φ1＝5π/9、φ2＝4π/9，φ3＝π/3时，获得合成后伪随机信号主频频谱相对均方误差最小，如图18所示。基于此相位，所合成伪随机信号信号如图19所示。
当然，第一基本单元对应的相位φ允许改变。如针对125Hz-15频基本单元和3Hz-8频基本单元进行叠加合成2n序列信号时，两个基本单元相位同时改变，当N＝36时对应相对均方误差变化曲线如图20所示，其最小值点两个基本单元对应相位分别为13π/18与π/3，此时对应2阶2n序列伪随机信号时域波形和频谱如图21所示。
实施例二
本实施例的目的是提供一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成系统，包括：
基本单元信号构造模块，根据勘探需求构造两个或两个以上基本单元信号；其中，所述基本单元信号是多个同相位周期方波信号叠加得到的阶梯信号，所述多个方波信号相邻之间频率之比为2；并且，所述两个或两个以上基本单元信号满足：第一个基本单元信号中主频的最低频率记为基频，其余基本单元的最低频率为基频的l×2m倍，其中，l为不为1的奇数，m为自然数；
对数非均匀伪随机信号生成模块，将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到对数非均匀2n序列伪随机信号。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行：
根据勘探需求构造两个或两个以上基本单元信号；
其中，所述基本单元信号是多个同相位周期方波信号叠加得到的阶梯信号，所述多个方波信号相邻之间频率之比为2；并且，所述两个或两个以上基本单元信号满足：第一个基本单元信号中主频的最低频率记为基频，其余基本单元的最低频率为基频的l×2m倍，其中，l为不为1的奇数，m为自然数；
将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到对数非均匀2n序列伪随机信号。
实施例四
本实施例的目的是提供一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
根据勘探需求构造两个或两个以上基本单元信号；
其中，所述基本单元信号是多个同相位周期方波信号叠加得到的阶梯信号，所述多个方波信号相邻之间频率之比为2；并且，所述两个或两个以上基本单元信号满足：第一个基本单元信号中主频的最低频率记为基频，其余基本单元的最低频率为基频的l×2m倍，其中，l为不为1的奇数，m为自然数；
将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到对数非均匀2n序列伪随机信号。
实施例五
本实施例的目的是提供一种电法勘探信号发送机，采用实施例一种所述信号生成方法，得到符合勘探需求的对数非均匀2n序列伪随机信号。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据勘探需求构造两个或两个以上基本单元信号；
其中，所述基本单元信号是多个同相位周期方波信号叠加得到的阶梯信号，所述多个方波信号相邻之间频率之比为2；并且，所述两个或两个以上基本单元信号满足：第一个基本单元信号中主频的最低频率记为基频，其余基本单元的最低频率为基频的l×2m倍，且各基本单元信号的最低频率各不相同，其中，l为不为1的奇数，m为自然数；
将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到对数非均匀2n序列伪随机信号。
2.如权利要求1所述的一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，所述两个或两个以上基本单元信号满足以下要求：
所有基本单元信号的主频数目之和为奇数；
第一个基本单元信号的主频数目大于其他基本单元信号，且，其他基本单元信号的最低频率和最高频率位于第一基本单元的最低频率与最高频率形成的频率区间内，且各基本单元中无重复频率出现。
3.如权利要求1所述的一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，周期方波的生成方法为：
首先生成与目标周期方波频率一致的正弦信号，将这些正弦信号中，大于0的值置为A，小于0的值置为-A，得到一系列相位相同的周期方波信号，其中，A≠0；
对于周期方波中值为0的信号，按位置赋值A或-A，得到不含0值的周期方波。
4.如权利要求3所述的一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，对于周期方波中值为0的信号，按位置赋值A或-A具体包括：
对于周期方波，识别并索引值为0的位置，位置为奇数项的置为A，位置为偶数项的置为-A。
5.如权利要求1所述的一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，所述方法还包括：
对于所述两个或两个以上基本单元信号中的至少一个进行相位调整，寻找使得叠加后对数非均匀2n序列伪随机信号中各主频对应频谱值的均方差最小的相位，作为相应基本单元信号的最优相位；
根据最优相位将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到最终的对数非均匀2n序列伪随机信号。
6.如权利要求5所述的一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，最优相位寻找方法为：
对于进行相位调整的基本单元信号，首先将半个周期的相位弧度π拆分成N份，得到相位改变基本单元π/N；
每次调整一个相位改变基本单元，记录叠加后对数非均匀2n序列伪随机信号中各主频对应频谱值的均方差；
绘制均方差大小随相位的变化曲线，寻找使得均方差最小的相位作为该基本单元信号的最佳相位。
7.一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成系统，其特征在于，包括：
基本单元信号构造模块，根据勘探需求构造两个或两个以上基本单元信号；其中，所述基本单元信号是多个同相位周期方波信号叠加得到的阶梯信号，所述多个方波信号相邻之间频率之比为2；并且，所述两个或两个以上基本单元信号满足：第一个基本单元信号中主频的最低频率记为基频，其余基本单元的最低频率为基频的l×2m倍，其中，l为不为1的奇数，m为自然数；
伪随机信号生成模块，将所述两个或两个以上基本单元信号叠加，得到对数非均匀2n序列伪随机信号。
8.一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6中任一项所述的对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法。
9.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6中任一项所述的对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法。
10.一种电法勘探信号发送机，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法生成对数非均匀2n序列伪随机信号。
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