CN111505723A - 一种2n序列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2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法及系统，所述方法包括：获取主频频率的最低或最高频率，以及需求的频率增加倍数，构造一系列不同频率同相位的周期方波，其中，所述增加倍数为2n，n为自然数；将上述不同频率同相位的周期方波叠加，获得混合信号；修正混合信号的幅值，使其幅值与周期方波幅值一致，得到2n序列伪随机信号。本发明能够生成特定频率组合的2n伪随机信号，且大大提高了生成效率。

Description

一种2n序列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2n序列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。
2n序列伪随机电磁信号因频谱以对数均匀分布等特点，已经在人工源电磁勘探中得到越来越广泛的利用。对于一个标准2n序列伪随机信号来说，其信号中只有-1,0,1,所以其又称为三元素自封闭加法生成的信号，而在实际应用中，为了避免供电时空载现象的出现，主要应用奇次2n序列伪随机信号进行勘探，此时信号中将只存在-1,1值，不存在0值，使大功率实现时更加容易。
但是过去在生成2n序列伪随机信号时，还是以复杂编码的形式生成，尤其是针对一些不同频率区间、不同数目主频成分的多频2n序列伪随机信号，如生成从0.5Hz-2048Hz的非常规频段13频波2n序列伪随机信号，即对应不同勘探要求生成特定频率组合的2n序列信号时，往往比较繁琐，需要重新进行编码且并不便捷，且没有以4、8等为倍数的基数频率生成的伪随机编码。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法及系统，能够快速生成特定频率组合的2n伪随机信号，大大提高了生成效率。
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2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法，包括以下步骤：
获取主频频率的最低或最高频率，以及需求的频率增加倍数，构造一系列不同频率同相位的周期方波，其中，所述增加倍数为2n，n为自然数；
将上述不同频率同相位的周期方波叠加，获得混合信号；
修正混合信号的幅值，使其幅值与周期方波幅值一致，得到2n序列伪随机信号。
一个或多个实施例提供了一种2n序列伪随机电磁勘探信号生成系统，包括：
需求获取模块，获取主频频率的最低或最高频率，以及需求的频率增加倍数，其中，所述增加倍数为2n，n为自然数；
方波构造模块，根据最低或最高频率，以及增加倍数，构造一系列不同频率同相位的周期方波；
方波叠加模块，将上述不同频率同相位的周期方波叠加，获得混合信号；
方波修正模块，修正混合信号的幅值，使其幅值与周期方波幅值一致，得到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，所述指令适于由处理器加载并执行所述的2n序列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，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的2n序列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，其特征在于，采用所述的2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法生成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：
能够按照不同的勘探要求(如不同频率成分要求)，通过修改修改最小、最大频率、增加倍数、相位等参数实现任意2n序列伪随机信号的生成，降低了生成特定2n序列信号的复杂度和难度，并且增加了2n序列伪随机信号进行电磁勘探时的适用范围。
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2n序列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周期正弦信号与对应1Hz周期方波信号(相位为0)；
图3为本发明实施例中叠加信号及生成2n序列伪随机信号；
图4为本发明实施例中对应生成2n序列伪随机信号(a)及其频谱(b)；
图5为本发明实施例中叠加信号及生成2n序列伪随机信号(最低频率为1/3Hz)；
图6为本发明实施例中对应生成最低频率为1/3Hz的2n序列伪随机信号(a)及其频谱(b)；
图7为本发明实施例中非对数均匀频率方波叠加信号及生成2n序列伪随机信号；
图8为本发明实施例中所生成非对数均匀频率2n序列伪随机信号(a)及其频谱(b)；
图9为本发明实施例中非对数均匀频率方波叠加信号及生成2n序列伪随机信号；
图10为本发明实施例中所生成非对数均匀频率2n序列伪随机信号(a)及其频谱(b)；
图11为本发明实施例中相位为π/3时叠加信号及生成2n序列伪随机信号；
图12为本发明实施例中相位为π/3时叠加信号及生成2n序列伪随机信号对应生成2n序列伪随机信号(a)及其频谱(b)；
图13为本发明实施例中随相位φ不断改变主频相对均方误差曲线；
图14为本发明实施例中公式中φ＝86π/180时获对应2n序列伪随机信号时域波形(a)及频谱(b)；
图15为本发明实施例中以最低主频为1Hz、增加倍数为2、频波为13构造的最优2n序列伪随机信号时域波形(a)及频谱(b)，此时相位为51度。
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。
为了演示，实施例中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2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法，以生成2n序列奇次波为例进行阐述，2n序列偶次波伪随机信号的生成同样适用。所述方法包括：
步骤1：获取主频频率的最低和最高频率，以及需求的频率增加倍数，构造一系列不同频率同相位的周期方波，以周期方波作为基本单元，其中，所述增加倍数为2n。
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)，根据经验公式可以辅助选择。
2n序列信号中的最低频率不必要为2的n次方，可以是任意频率，只需要其他主频信号是该最低频率的2的n次方倍数即可，如最低频率可以是1/3Hz，所对应主频频率为2/3Hz、4/3Hz、8/3Hz、16/3Hz、32/3Hz、64/3Hz。
主频之间可以以固定倍数连续增加，固定倍数为2n，如以频率之间以4为倍数连续变化，如2Hz、8Hz、32Hz、64Hz频率方波的叠加，最终获得主频以倍数4变化的2n序列伪随机信号。
主频之间可以以不固定的倍数增加，相邻主频频率之间倍数为2的幂次即可生成2n序列信号，如可以是2、4、8等倍数的混合叠加，如1Hz、2Hz、8Hz、64Hz，也可以是1Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、128Hz及256Hz的同相位方波信号生成2n序列伪随机信号，该信号中主频之间的倍数依次为4、2、2、2、4、2。即本实施例能够生成非固定2的n次方倍数的主频非对数均匀伪随机信号。2n序列信号中主频频率之间倍数，不需要连续变化，只需要倍数为2的n次方即可。
所述步骤1具体包括：
步骤1.1：获取用户需求的待探测深度范围；
步骤1.2：根据待探测深度范围确定最高频率和最低频率，获取需求的频率增加倍数，得到目标周期方波相应的频率。
本实施例中，以1Hz为最低主频频率，以2的倍数连续增加，得到待构造的目标方波频率为1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz。
步骤1.3：生成与目标周期方波频率一致的一系列同相位正弦信号，相位设为相同，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，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，生成针对1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz同相位的正弦信号，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。
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，在这样的方式下，则可以生成一系列相同相位的周期方波信号，并以此作为后续构造复杂2n序列伪随机信号的基本单元。
不难理解，在构造2n序列伪随机信号时，其中构造每个周期方波的相位φ相同即可，并不一定为0，如φ＝π/3时。
步骤1.4：对于周期方波中值为0的位置，按位置赋值A或-A，得到不含0值的周期方波。
具体地，索引识别R(t)＝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，如图2实例所示，周期方波中不存在0值，其数值只有100和-100。
步骤2：将上述不同频率同相位的周期方波叠加，获得混合信号；
此时得到的混合信号为时间域信号，且幅值高低起伏，需进行进一步处理。
步骤3：修正混合信号的幅值，大于0的幅值均置为周期方波的最大幅值，小于0的幅值均置为周期方波的最小幅值，得到2n序列伪随机信号。
具体地，对时间域幅值大于100的位置将其幅值置为100，时间域幅值小于-100的位置将其幅值置为-100，获得2n序列伪随机信号，如图3与图4所示，如此便生成以1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz为主频的2n序列伪随机信号。
另外，为了使各主要频率(主频)对应幅值均匀，即主频能量分布更加均匀，还可通过不断改变相位φ，得到不同相位下的2n序列伪随机信号，统计各2n序列伪随机信号相应的主频幅值相对均方误差，将相对均方误差最小时对应的相位作为最优相位，根据最终相位重新执行步骤1-3，得到最终的2n序列伪随机信号。
例如，针对2n序列以2为倍数的伪随机信号，以1Hz为最低频率为例，3频波(3个主频)相位对应67度时获得最优信号，即主频频谱最均匀信号，5频波对应72度，7频波对应86度，9频波对应55度，11频波对应52度，13频波对应51度(如图15所示)，15频波对应51度，17频时对应51度。
其中，主频幅值相对均方误差为对7个主要频率幅值进行求相对均方误差计算后，所得到数值。相位变化对应相对均方误差变化，具体如图13所示，对应2n序列伪随机信号时域波形及频谱如图14所示。
本实施例的2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法能够生成任意2n序列伪随机信号，且特定2n序列信号的生成可以通过修改修改最小、最大频率、增加倍数、正弦波相位等参数实现，大大降低了生成的复杂度和难度。能够按照勘探要求快速生成对应勘探信号波形。
图5为最低频率为1/3Hz，主频频率为2/3Hz、4/3Hz、8/3Hz、16/3Hz、32/3Hz、64/3Hz得到的叠加信号及生成的2n序列伪随机信号；图6为2n序列伪随机信号及其频谱。
图7为以固定倍数4连续增加的2Hz、8Hz、32Hz、64Hz非对数均匀频率方波叠加信号及生成2n序列伪随机信号；图8为所生成非对数均匀频率2n序列伪随机信号及其频谱。
图9为以不固定倍数增加的非对数均匀频率方波叠加信号及生成2n序列伪随机信号；图10为所生成非对数均匀频率2n序列伪随机信号及其频谱。
图11为相位为π/3时叠加信号及生成2n序列伪随机信号；图12为相位为π/3时叠加信号及生成2n序列伪随机信号对应生成2n序列伪随机信号及其频谱。
实施例二
本实施例的目的是提供一种2n序列伪随机电磁勘探信号生成系统，包括：
需求获取模块，获取主频频率的最低或最高频率，以及需求的频率增加倍数，其中，所述增加倍数为2n，n为自然数；
方波构造模块，根据最低或最高频率，以及增加倍数，构造一系列不同频率同相位的周期方波；
方波叠加模块，将上述不同频率同相位的周期方波叠加，获得混合信号；
方波修正模块，修正混合信号的幅值，使其幅值与周期方波幅值一致，得到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：
获取主频频率的最低或最高频率，以及需求的频率增加倍数，构造一系列不同频率同相位的周期方波，其中，所述增加倍数为2n，n为自然数；
将上述不同频率同相位的周期方波叠加，获得混合信号；
修正混合信号的幅值，使其幅值与周期方波幅值一致，得到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：
获取主频频率的最低或最高频率，以及需求的频率增加倍数，构造一系列不同频率同相位的周期方波，其中，所述增加倍数为2n，n为自然数；
将上述不同频率同相位的周期方波叠加，获得混合信号；
修正混合信号的幅值，使其幅值与周期方波幅值一致，得到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2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取主频频率的最低或最高频率，以及需求的频率增加倍数，构造一系列不同频率同相位的周期方波，其中，所述增加倍数为2n，n为自然数；
将上述不同频率同相位的周期方波叠加，获得混合信号；
修正混合信号的幅值，使其幅值与周期方波幅值一致，得到2n序列伪随机信号。
2.如权利要求1所述的一种2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，构造一系列不同频率同相位的周期方波包括：
根据最高频率或最低频率，以及需求的频率增加倍数，获取目标周期方波相应的频率；
生成与目标周期方波频率一致的一系列同相位正弦信号，相位设为相同，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，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。
3.如权利要求2所述的一种2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，所述增加倍数可以为固定增加倍数；也可以为非固定增加倍数，满足相邻频率之间倍数为2n即可。
4.如权利要求2所述的一种2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，修正混合信号的幅值具体包括：
对混合信号中幅值大于A的位置幅值置为A，幅值小于-A的位置幅值置为-A，获得2n序列伪随机信号。
5.如权利要求2所述的一种2n序列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：对周期方波的相位进行寻优，根据最优相位进行周期方波的叠加，得到最终的2n序列伪随机信号；其中，对周期方波的相位进行寻优包括：通过不断改变相位φ，得到不同相位下的2n序列伪随机信号，统计各2n序列伪随机信号相应的主频幅值相对均方误差，将相对均方误差最小时对应的相位作为最优相位。
6.如权利要求5所述的一种2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法，其特征在于，若以2为固定增加倍数构造的2n序列伪随机信号，以下频波和相位的组合配置，能够得到最优信号：
3频波和相位67度、5频波和相位72度、7频波和相位86度、9频波和相位55度、11频波和相位52度、13频波和相位51度、15频波和相位51度，以及17频波和相位51度。
7.一种2n序列伪随机电磁勘探信号生成系统，其特征在于，包括：
需求获取模块，获取主频频率的最低或最高频率，以及需求的频率增加倍数，其中，所述增加倍数为2n，n为自然数；
方波构造模块，根据最低或最高频率，以及增加倍数，构造一系列不同频率同相位的周期方波；
方波叠加模块，将上述不同频率同相位的周期方波叠加，获得混合信号；
方波修正模块，修正混合信号的幅值，使其幅值与周期方波幅值一致，得到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2n序列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2n序列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2n序列伪随机电磁勘探信号生成方法生成2n序列伪随机信号。
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