基于逆重复m序列的精细探测电法发送机设计

介绍了基于伪随机相关辨识理论的电法发送机设计思想.通过分析逆重复m序列伪随机信号的性质，产生原理，以及伪随机信号系统辨识的原理，研究了其在电法勘探应用中的可行性.用工程软件MATLAB仿真产生了逆重复m信号的波形，并分析了频谱和自相关函数，对产生伪随机信号的序列长度和时钟频率等参数的选择作出讨论，以说明其作为电法勘探场源的优良特点.作出了电法发送机系统初步设计，包括主控单元、逆变器、GPS同步，电流测量等模块，发送机信号控制单元采用硬件描述语言VHDL设计，并用CPLD可编程逻辑器件LC4256V实现了硬件产生m序列和逆重复m序列，及各种控制信号.宽频带、密频比，抗干扰能力强是其主要特点，在电法勘探中有良好的应用前景.     

编码电磁测深

利用逆重复M序列伪随机信号良好的自相关特性,提出相关检测地电传输特性的编码电磁勘探法.分析了编码电磁测深原理及参数提取方法.同时记录发送电流信号和多收发距电磁场响应,对源信号和场信号进行相关运算,解卷积分离接收系统响应后可得到大地的频率特性或时间特性,以此实现地电断面的精细探测.在时间域,大地冲激响应和阶跃响应含有丰富的地电信息.通过冲激响应的峰值时间或阶跃响应的晚期渐近值可估计地电阻率分布.基于层状模型的大地冲激响应和阶跃响应正演计算结果表明,编码电磁测深法对大埋深薄层目标体有精细的分辨能力.可应用于能源、矿产资源、水资源、环境地质及工程地质勘察,有良好的应用前景.     

伪随机编码源电磁响应的精细辨识

与传统阶跃源激励方式相比,采用m序列伪随机编码对发射源波形进行编码,提高了电磁探测的深度和分辨能力.然而受这种编码源发射波形自相关旁瓣效应的影响,使得对大地冲激响应的精细辨识效果受到一定限制.为了解决这一问题,在以往相关辨识方法研究的基础上,进一步考虑发射自相关旁瓣的影响,首先提出一种由收发互相关中高精度提取大地冲激响应的数学方法;然后通过数值模拟给出了m序列编码源大地冲激响应的精细辨识结果;同时对以m序列为发射波形的勘探系统相关参数选择进行了分析;最后利用本文提出的方法对野外实测数据进行辨识处理,通过与其他EM方法结果进行对比,证明了本文提出方法的可靠性.     

基于逆重复m序列信号的岩矿石电性参数采集方法研究

归纳总结了岩矿石电性参数实验过程中激励场源性质与实验装置类型,提出基于伪随机逆重复m序列信号为激励场源的实验方案,进而设计了新的观测装置.发送机产生的伪随机信号序列采用恒流源形式输出,频带宽度为1.0×10-3～1.0×104 Hz;接收机采用FGPA+ARM架构进行数据记录,在对比变频法、2n 伪随机序列与逆重复m序...     

基于递归分析和聚类的大地电磁信噪辨识及分离

为了剖析大地电磁信号和强干扰的本质特征,进一步精细分离出微弱的大地电磁有用信号,提出基于递归分析和聚类的大地电磁信噪辨识及分离方法.首先,运用递归分析法扩展大地电磁一维时间序列的维数,分析了嵌入维数、延迟时间和判别阈值对递归图的性能,并研究了不同长度的序列对递归定量分析参数的影响情况,然后,构建典型的大地电磁强干扰类型和微弱的大地电磁有用信号样本库,针对样本库讨论了强干扰和微弱大地电磁信号之间的递归定量分析参数,分析了K均值聚类和模糊C均值聚类的信噪辨识效果.最后,对实测大地电磁数据进行信噪辨识处理,并仅对辨识为强干扰的时间段采用数学形态滤波进行噪声压制.实验结果表明,递归分析能定性及定量地描述大地电磁信号时间序列的非线性特征和原动力系统的本质规律,与聚类算法相结合能对矿集区实测大地电磁信号进行信噪辨识;处理后的卡尼亚电阻率-相位曲线更为光滑、连续,其结果更为精细地保留了大地电磁信号低频段的缓变化信息,整个低频段的大地电磁数据质量得到了明显改善.     

相关辨识抗干扰性的再认识

近年来,基于伪随机信号系统辨识的电法勘查仪器受到广泛关注.教科书和许多文献都指出,伪随机信号系统辨识的突出优点是通过对伪随机信号观测数据的相关处理(即所谓"相关辨识"),具有很强的抗干扰能力.笔者在研制伪随机信号激电仪的过程中发现,相关辨识的抗干扰性并不理想.本文基于仿真模拟和野外试验结果,讨论了相关辨识的抗干扰性.结论是利用全周期相关函数值计算大地(系统)频率响应的伪随机相关辨识,不具有明显增强的抗干扰性.文章分析了其原因.     

m序列的功率谱密度分析，兼论伪随机信号电法仪的抗干扰性

近年来,基于伪随机信号系统辨识的“伪随机信号电法仪”受到广泛关注.普遍认为,伪随机信号电法仪具有两大优点：抗干扰能力强和一次观测便可获得大地阻抗频谱的高效性.本文基于对m序列的功率谱密度的计算和分析,探讨了伪随机信号电法仪的抗干扰性能.结果表明,至少对于频率域伪随机信号电法仪来说,与采用正反向连续方波的传统频率域电法仪相比,在相同供电电流强度条件下,其有效信号强度大约降低■倍(N是m序列的位数);伪随机信号电法仪一次观测获得多频点频率响应的高效性,是以降低各个频点上的有效信号强度为代价的.这都不利于提高仪器的抗干扰性能.     

基于m伪随机序列的电磁法抗噪能力分析

电磁法在金属矿、油气资源等矿产的勘探中发挥重要作用,同时电磁干扰也越来越强,在强干扰区利用传统的抗噪方法很难再获取高信噪比信号.鉴于伪随机序列的抗噪能力,近年来国内正在掀起伪随机编码仪研制的高潮.伪随机序列的抗干扰能力与从伪随机响应中提取方法息息相关,本文介绍了两种最常用的提取大地脉冲信号的方法:第一种通过将时间域信号转到频率域,对电流归一化处理后,再转回时间域求取大地脉冲响应;第二种直接在时间域解Wiener-Hopf方程求取.研究表明,在无干扰情况下两种提取方法都可获得高精度大地脉冲信号.随后在具有噪声干扰的情况下,对两种方法提取结果的精度进行了对比分析,表明方法2的抗噪声能力明显优于方法1的,对造成这种状况的原因进行了解析.最后研究了提高伪随机序列抗噪能力的方法,主要包括提高伪随机序列阶数、针对不同噪音使用不同的编码方式、改变循环次数的方法等,以达到抑制噪声的目的.     

伪随机m序列及其在电法勘探中的应用进展

m序列是目前应用最为广泛的一种伪随机序列,它最早被用于直接序列扩频系统中,后逐渐被用于数字加密、同步和误码率测量等领域.由于该序列具有类似白噪声良好的自相关特性和频带宽等优点,基于它可以实现高信噪比电法勘探系统,增强系统的抗干扰能力,因此在电法勘探中的应用越来越被重视.本文首先介绍伪随机m序列的本原多项式,软硬件产生方法,及该序列的一些特性.然后系统给出扩频通讯里窄带干扰压制算法,这些算法对地球物理勘探领域的干扰压制算法有借鉴和启迪意义,并提供了在电法勘探中该序列参数选取方法.最后详细阐述了该序列在电法勘探中的发展和研究进展,及每种方法中大地系统冲激响应公式的完整推导,以推进伪随机m序列在电法勘探中的发展.     

电磁法相关辨识抗干扰机理研究与数值模拟

电磁法勘探在城市地下空间探测、老矿山深部找矿等领域具有强烈的应用需求,但这些区域往往面临着较强的人文电磁干扰,传统的抗干扰措施已无法满足实际需求.近年来,基于伪随机码的相关辨识技术在工业系统、现代通讯等领域已经得到了广泛应用,在抗干扰方面表现出了明显优势.本文将相关辨识技术应用到电磁法观测之中,重点研究了利用相关辨识技术进行电磁法观测的抗干扰机理和数据提取方法,通过数值模拟分析了相关辨识技术的抗干扰能力及其在电磁法上的应用效果.模型试验结果表明:相关辨识技术可以准确地恢复大地电磁响应,且相比于传统的抗干扰技术,相关辨识技术有效地提高了强干扰条件下电磁数据的信噪比.     

编码源地电阻率观测试验

地电阻率的高精度观测是实现地震预测预报的前提之一.面对日益严重的电磁干扰,提出了基于编码源循环互相关辨识技术的地电阻率观测方法,其实质是将待测地质体视为待辨识系统,利用编码源信号激励供电电极A和B产生的电流信号作为系统输入信号,测量电极M与N之间的电压信号作为系统响应输出,将输入和输出信号严格同步采样为时间序列,分别与参考信号进行循环互相关运算并转换至频率域计算获得待探测地电阻率谱(幅度和相位).由于系统环境的干扰和随机噪声与编码源信号不相关,通过循环互相关运算可以达到抑制环境随机噪声和干扰的目的.这种地电阻率观测体系在环境干扰较大的甘肃省兰州观象台和陇南汉王地震台站利用现有的观测场地和线路进行了观测试验,测量结果显示,数据的一致性好、均方差小,说明该方法在强干扰环境下具有较好的抗电磁干扰能力,观测频带较以往直流电法测量有较大的扩展.该方法为现有地面地电阻率台站持续发展提供了技术保障,可为地震预报与科学研究提供高质量的地电阻率观测数据.      

Time-Domain Spectral Induced Polarization Based on Pseudo-random Sequence

To reduce noise during electrical prospecting, we hereby propose a new method using correlation identification technology and conventional electrical exploration devices. A correlation operation can be carried out with the transmitted pseudo-random sequence and received time signal to suppress the random noise, and the time-domain impulse response and frequency response of the frequency domain of the underground media can be obtained. At the same time, using a dual Cole–Cole model to fit a complex resistivity spectrum, which is close to the frequency response, we can get a variety of induced polarization parameters and electromagnetic parameters of subsurface, which can provide more useful information for the exploration of mineral resources. This time domain prospecting method can effectively improve the efficiency of the spectral induced polarization method. In this article, we have carried out theoretical calculations and a simulation to prove the feasibility of such a method.     

高频电磁测深在地下热水勘探中的应用

高频电磁测深法是一种利用天然高频电磁场作为场源的电磁勘探方法,具有高分辨率和相对直流电法较深的勘探深度的特点,特别适合中浅层地热和地下水勘探。本文介绍了一个应用高频电磁测深评价地下热水资源的一个成功实例。野外数据采集采用了高频电磁测深系统MT-U5A,采用远参考技术,以保证数据采集质量。高频电磁测深资料二维反演成像处理结果较好地描述了地下热水的空间分布范围,为查明该区的地下热水的来源提供了较有利的证据。     

希尔伯特—黄变换在地电阻率数据处理中的应用

希尔伯特—黄变换用于处理非线性非平稳信号,由经验模态分解和希尔伯特谱分析2部分组成。本文采用希尔伯特—黄变换方法,相继对大同地震台地电阻率月值数据和宝昌地震台地电阻率月值、整点值数据进行处理。结果显示:(1)大同、宝昌地震台地电阻率月值数据对应的Hilbert谱具有较高分辨率,高幅值在归一化频率0.05—0.15区间内呈"余弦"变化形态;(2)希尔伯特—黄变换在提取地电阻率异常变化、高频信息及去除噪声等方面效果较好,在未来地电资料处理中具有广泛的应用前景。     

电场差分法理论研究

对均匀大地和二层大地的频率域电场差分法理论曲线进行的计算和研究表明,电场差分法是一种以目标地质体和围岩在电阻率和极化率方面的差异为基础,根据测量到的能明显反映激电响应与电磁耦合响应的比值随频率变化的P参数曲线在性态上的差异来圈划油气藏的一种电法勘探方法. 因为它圈划油气藏的物理基础是油气藏上方与围岩上方测量到的电磁耦合响应和激电响应的差异,所以在圈划油气藏方面,该方法与复电阻率法类似,同样具有找油气的优良性能. 此外,该方法与复电阻率法相比,具有对目标地质体和围岩的电阻率和极化率差异反映灵敏、效率高、成本低等优点,所以它是一种值得推广的找油气的电法勘探方法.     

伪随机编码源激发下的时域电磁信号合成

将伪随机编码技术引入到人工源电磁法后,可以通过加大发射功率以及应用后续的相关处理技术来达到压制噪声、加大探测深度及提高分辨率的目的,因此引起了越来越多学者的关注及研究,但大多数研究集中在资料处理的相关技术上,对模拟电磁信号关注较少.然而,资料处理工作大多是从电磁信号出发的,模拟伪随机编码源激发下的电磁信号不但可以为资料处理环节提供理论数据,而且可以为检测资料处理的效果提供中间结果,因此,模拟电磁信号工作必不可少.本文根据获得接收信号的物理过程来实现伪随机编码源激发下的电磁信号合成.首先用解析公式获得特定地电结构的大地频率域响应,然后通过余弦变换得到时间域阶跃响应,接下来用阶跃响应的时间导数得到大地脉冲响应,通过将大地脉冲响应与伪随机编码源的褶积得到理想接收信号,最后,用低通滤波器来模拟发射设备和接收设备的频带限制,将之和噪声一起加到理想接收信号上,最终模拟出仿真的合成信号.通过和野外实际接收信号对比发现本文合成信号仿真度较高,可以服务于后续的数据处理环节.     

基于压缩感知和宽带俞式低通整形滤波器的地震低频信息特征分析与补偿

碳酸盐岩储集层已成为世界石油新发现储量的重要组成部分,识别该类储层对地震数据的信噪比、分辨率以及成像精度提出了更高的要求.本文从地震低频信号缺失的问题出发,首先研究了低频信号缺失对子波、合成地震记录和波阻抗反演的影响,其次分析了深层碳酸盐岩裂缝储层中弱信号低频缺失的特征.针对低频信号缺失问题,本文利用压缩感知理论,并结合反射系数的稀疏特性,提出了自适应计算L1范数权重因子的方法,同时构建了改进的宽带俞式低通整形滤波器,在不影响地震高频信号的同时对地震弱信号进行低频补偿.结果表明,缺失低频信号,会使子波旁瓣变大,合成记录出现假同相轴,厚层波阻抗反演畸变,深层碳酸盐岩裂缝储层弱信号难以识别;而本文方法有效地补偿了深层碳酸盐岩裂缝储层弱信号10Hz以下的频率成分,使得波组反射特征更加清晰,深层弱信号成像质量得到改善,为进一步有效识别深层碳酸盐岩裂缝储层建立了基础.     

磁张量梯度数据方向解析信号比值的边界识别和空间位置反演方法

磁张量梯度测量具有高分辨率、多参量的优点,能更准确地描述磁源体的分布特征,在矿产资源勘探中具有广阔的用途.磁异常解析信号具有受倾斜磁化干扰小的特点,且为了增强深部地质体的分辨能力,本文提出磁张量梯度数据的解析信号比值的均衡边界识别及空间位置反演技术.磁张量梯度数据的均衡边界识别方法为不同方向解析信号比值的反正切函数,在降低倾斜磁化干扰的同时能有效地均衡不同深度地质体的响应,提高了对较深地质体的分辨率;空间位置反演技术是建立解析信号比值与地质体位置参数的对应方程,利用解析信号比值与地质体的对应关系作为约束条件来反演获得地质体的水平位置和深度信息,具有无需已知任何先验信息的优势.通过磁性体张量异常试验表明解析信号比值的边界识别方法能清晰和准确地获得不同深度地质体的边界,所建立的反演方程能准确地计算出地质体的范围和深度,具有较高的水平分辨率和精度.将本文方法应用于实测磁张量梯度数据的解释,获得了地下铁矿的分布特征,为区域矿产资源潜力评价提供了翔实的基础资料.