專利名稱：高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地球物理勘探電法儀器的發(fā)射信號(hào)，尤其是高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法。
背景技術(shù)：
高密度電法勘探系統(tǒng)在當(dāng)今物探領(lǐng)域中發(fā)揮著非常重要的作用，傳統(tǒng)的電法儀以發(fā)射直流方波信號(hào)為主，不利于提取不同的頻率成分。2010年7月，何繼善院士在《廣域電磁法和偽隨機(jī)信號(hào)電法》一書中提出了基于2n(n為奇數(shù))m序列偽隨機(jī)編碼的電法混頻發(fā)射技術(shù)，該技術(shù)在一次發(fā)射中完成了混頻發(fā)射的目的，且m序列偽隨機(jī)編碼的主頻在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上是等距的，有利于地電勘探。但是偽隨機(jī)碼也有幾點(diǎn)不足首先偽隨機(jī)編碼主頻雖然在對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸上是等距的，但相鄰主頻間的頻 率是呈倍數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致高密度電法探測(cè)深度點(diǎn)跨度過(guò)大，分辨率差；另外，從偽隨機(jī)編碼的頻譜可以看出，該編碼信號(hào)的頻帶較窄，從某種程度上講，不利于后期的去噪處理。CN 2042601U公布了一種電法勘探直流數(shù)字電測(cè)儀，該電法儀采用的是發(fā)射直流信號(hào)。CN 102129088公開了一種探地儀發(fā)射機(jī)，包括電源、主控電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、發(fā)射電路和監(jiān)測(cè)電路。該發(fā)射機(jī)發(fā)射雙極性矩形波，應(yīng)用于瞬變電磁探測(cè)。CN 102053278公開了一種電法勘探方法及測(cè)量裝置，由計(jì)算機(jī)、可編程邏輯器件、發(fā)射機(jī)同步時(shí)鐘電路、邏輯時(shí)序發(fā)生器等組成。該儀器通過(guò)向地下發(fā)送具有偽隨機(jī)碼特性的電流信號(hào)進(jìn)而對(duì)波形通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到幅相頻特性曲線，該電法儀發(fā)射的是偽隨機(jī)編碼信號(hào)。CN 102426393 A公分開了一種電法勘探方法和裝置，該裝置由發(fā)送機(jī)和接收機(jī)兩部分組成。發(fā)送機(jī)發(fā)送偽隨機(jī)序列，并對(duì)接收機(jī)接收到的偽隨機(jī)序列進(jìn)行互相關(guān)處理。文中沒有敘述發(fā)射信號(hào)的過(guò)程。CN 1916661公開了一種多功能電法勘探信號(hào)發(fā)送機(jī)控制器，主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、總線接口、波形選擇寄存器、分頻因子寄存器、石英晶體振蕩器、EPROM存儲(chǔ)器等組成，可以產(chǎn)生方波，偽隨機(jī)碼波形，以及用戶自定義波形，文中只提到了能產(chǎn)生自定義波形，但沒有敘述產(chǎn)生的過(guò)程及方法，以及自定義波形的有益效果。CN 1916662公開了一種多功能電法勘探信號(hào)發(fā)生器，采用的是由計(jì)算機(jī)控制，通過(guò)波形選擇寄存器、分頻因子寄存器，移位寄存器等邏輯器件組成，可以發(fā)射方波，偽隨機(jī)碼波形，以及用戶自定義波形，由上位機(jī)控制，通過(guò)上位機(jī)鍵盤輸入選擇不同的發(fā)射信號(hào)。文中只提到了可以發(fā)射自定義波形，但沒有敘述產(chǎn)生的過(guò)程及方法，以及如何發(fā)射自定義碼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于針對(duì)上述現(xiàn)有發(fā)射機(jī)編碼信號(hào)的不足，提供一種高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法，它具有如下特點(diǎn)由于產(chǎn)生的自定義碼是基于隨機(jī)高斯白噪聲和所需頻率信號(hào)疊加形成的信號(hào)，頻帶寬，自相關(guān)性良好，與其它信號(hào)幾乎不相關(guān)，故有較強(qiáng)的抗干擾能力，有利于后期信號(hào)的去噪處理；并且可以根據(jù)需要方便靈活地將N根主頻設(shè)置在較寬的頻帶范圍內(nèi)，達(dá)到混頻發(fā)射的目的，有利于觀測(cè)地電體的激電性質(zhì)，并能提高深部探測(cè)的分辨率的一種高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法，尤其是一種基于隨機(jī)高斯白噪聲的高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法產(chǎn)生過(guò)程分四步。第一步選擇主頻，根據(jù)電法勘探所要采用的方法和測(cè)量區(qū)域的地質(zhì)情況以及工程的具體要求，綜合分析，確定出主頻帶范圍，以及主頻的分布情況；在上位機(jī)隨機(jī)碼生成軟件的主頻選取對(duì)話框中輸入預(yù)先確定的n個(gè)主頻頻率以及其幅值，由Matlab軟件自動(dòng)生成n個(gè)頻率的正弦波，得到的n個(gè)正弦波信號(hào)為F1=A1Sin (2 n f:t)，F(xiàn)2=A2Sin (2 n f2t)，......，F(xiàn)n=AnSin (2 n fnt)；第二步混頻處理將F1, F2,……，F(xiàn)n個(gè)正弦波信號(hào)混合在一起得到原始信號(hào)Fa，F(xiàn)a=A1Sin (2 n f:t) +A2Sin (2 n f2t) +......+Ansin (2 n fnt)；高密度電法儀發(fā)射波形Fa需要進(jìn)一步拓寬頻率范圍和增加發(fā)射碼型的復(fù)雜程度，為此，將Fa疊加隨機(jī)高斯白噪聲，加上隨機(jī)高斯白噪聲后的混頻信號(hào)頻帶寬度滿足拓寬頻率范圍要求，自相關(guān)性好，并且與其它信號(hào)互不相關(guān)；混頻過(guò)程是原始信號(hào)的主頻分別為f\、f2、f3、…匕，若信號(hào)采樣率為Fs，則原始信號(hào)Fa —個(gè)周期的長(zhǎng)度L=Fs/fmin，其中fmin為f\、f2、…、fn中頻率最小值，然后調(diào)用隨機(jī)高斯白噪聲產(chǎn)生的函數(shù)，噪聲信號(hào)的幅度取Atl，生成一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的隨機(jī)高斯白噪聲序列，并將這個(gè)序列周期延拓m(m=l 100)次得到隨機(jī)信號(hào)Fb，再將Fa與Fb混合在一起得到混頻后的信號(hào)y=Fa+Fb ；第三步整形編碼混頻后的信號(hào)y使用編碼原則得到自定義編碼，編碼的碼元由1、0、_1組成；編碼原則整型過(guò)程中先取出信號(hào)y的最大值Ymax和最小值Ymin,根據(jù)Ymean= (| Ymax | +1 Ymin |) /K得到編碼參考值Ymean,而后根據(jù)在信號(hào)y的大于Ymean的點(diǎn)處取1，在小于-Ymean的點(diǎn)處取_1，其它的點(diǎn)取0原則，得到數(shù)字編碼信號(hào)Xsignal ；K的取值范圍控制在2.0到20.0之間；對(duì)Xsignal信號(hào)進(jìn)行周期延拓后作出它的頻譜圖，判斷主頻的位置是否在設(shè)定的位置，且幅度占總能量的比例較大，否則重新設(shè)置編碼參考值，即重新選取K值，按編碼原則進(jìn)行重新編碼，直到產(chǎn)生的自定義編碼信號(hào)Xsignal信號(hào)滿足主頻的位置在設(shè)定的位置，且幅度占總能量的比例較大；第四步發(fā)射波形，混頻后的信號(hào)y經(jīng)“整形編碼”后，再由能夠發(fā)送任意由1，0，-I三元數(shù)字碼組合成的發(fā)射波形碼，既能發(fā)射時(shí)域方波碼、頻域矩形波碼和具有混頻性質(zhì)的偽隨機(jī)編碼，又能發(fā)射經(jīng)混頻“整形編碼”后的高斯白噪聲波形碼的高密度發(fā)射機(jī)向地下發(fā)射波形。。
發(fā)射電路是由隔離延時(shí)電路、橋臂驅(qū)動(dòng)電路、H橋橋臂、浪涌電壓吸收電路、自啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)采樣電路和外部高壓電源組成。其中隔離延時(shí)電路、橋臂驅(qū)動(dòng)電路、H橋橋臂和外部高壓電源順次連接。過(guò)流保護(hù)采樣電路一端與H橋橋臂連接，另一端與自啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路連接，自啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)的另一端跟隔離延時(shí)電路的輸入端連接。浪涌電壓吸收電路與H橋橋臂連接。所述上位機(jī)，是指可運(yùn)行Matlab和VC++軟件，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的微處理器或計(jì)算機(jī)。所述隨機(jī)高斯白噪聲，它的幅度服從高斯分布，而它的功率譜密度是均勻分布的并且它的頻帶范圍很寬。隨機(jī)高斯白噪聲的二階矩是不相關(guān)的，一階矩為常數(shù)，即隨機(jī)高斯白噪聲和其它信號(hào)的幾乎不相關(guān)，而它的自相關(guān)性卻很好。所述主頻指的是信號(hào)做傅氏變換后得到的頻譜中幅值明顯的那些頻率，即在高密 度電法勘探中對(duì)地電勘探有效的頻率。所述自定義編碼，是由操作者根據(jù)需要選定的多個(gè)主頻，產(chǎn)生一個(gè)目標(biāo)信號(hào)Fa，然后疊加隨機(jī)高斯白噪聲信號(hào)Fb，再通過(guò)編碼原則得到的自定義編碼，且碼元是由1，0，-1三元數(shù)字碼元構(gòu)成。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)不同的是高密度發(fā)射機(jī)信號(hào)采用的是基于隨機(jī)高斯白噪聲的自定義編碼，并且主頻的個(gè)數(shù)、幅度、主頻的范圍及各主頻的位置是由使用者根據(jù)具體勘探目標(biāo)的需要來(lái)確定，能夠確保在很寬的頻帶內(nèi)有符合需要的地電頻率信號(hào)，力口大了對(duì)信號(hào)選擇的靈活性，能夠更好的利用好各種方法實(shí)現(xiàn)電法勘探。同時(shí)，發(fā)射機(jī)采用數(shù)控直發(fā)形式，可以發(fā)送任意由1，0，-I三元數(shù)字碼元組合成的發(fā)射波形碼，因此既可以發(fā)射時(shí)域的方波碼，又可以發(fā)射頻域的矩形波碼和具有混頻性質(zhì)的偽隨機(jī)編碼。更為特別的是它可以發(fā)射經(jīng)混頻、“整形編碼”后的隨機(jī)高斯白噪聲碼，該碼型對(duì)地電勘測(cè)十分有利，它既可以人為的設(shè)計(jì)勘探深度又可以有效的壓制噪聲干擾信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)I、根據(jù)探測(cè)深度、地質(zhì)條件和勘探方法，人為設(shè)置主頻的頻率以及頻率個(gè)數(shù)，能夠靈活地運(yùn)用不同的信號(hào)滿足勘探要求。2、編碼波形中主頻的個(gè)數(shù)、幅度、主頻的范圍及各主頻的位置是由使用者根據(jù)具體勘探目標(biāo)確定，有利于突顯地電體的激電性質(zhì)，同時(shí)可以提高深部探測(cè)的分辨率。3、由于產(chǎn)生的編碼波形是基于隨機(jī)高斯白噪聲Fb與選定的n個(gè)主頻疊加的編碼，具有良好的自相關(guān)峰，抗干擾能力強(qiáng)，有利于后期的信號(hào)去噪處理。


圖I為高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法原始信號(hào)Fa的曲線2為高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法原始信號(hào)Fa的頻譜3為高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法混頻后信號(hào)y的曲線4為高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法混頻后信號(hào)y的頻譜5為高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法混頻后信號(hào)整形后的編碼序列波形6為高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法混頻信號(hào)整形后的信號(hào)頻譜7為能夠發(fā)射自定義編碼波形的高密度電法儀發(fā)射機(jī)電路框圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明第一步選擇主頻根據(jù)電法勘探所要采用的方法和測(cè)量區(qū)域的地質(zhì)情況以及工程的具體要求作一個(gè)綜合分析，確定出主頻帶范圍，以及主頻的分布情況。下面以實(shí)例具體說(shuō)明選頻過(guò)程。某工區(qū)地質(zhì)情況如下，該工區(qū)地勢(shì)平坦，第四系覆蓋厚度15-20m，基巖為花崗巖，深度約500m，上覆的沉積巖主要是砂巖和泥巖，富含構(gòu)造水。工程具體要求1、測(cè)量方法溫納方法。2、勘測(cè)目的查明該工區(qū)范圍內(nèi)深度90m以上的含水?dāng)鄬蛹皵鄬幼呦颉８鶕?jù)上述要求，勘探的目的是以查清該區(qū)域含水構(gòu)造及構(gòu)造走向。故本實(shí)例確定3個(gè)主頻，分別是250Hz,2kHz 和 IOkHz。 在上位機(jī)隨機(jī)碼生成軟件的主頻選取對(duì)話框中輸入選定的三個(gè)頻率以及其幅 值，由Matlab軟件自動(dòng)生成三個(gè)頻率的正弦波，幅值均取0. 5，得到三個(gè)正弦波信號(hào)Fl =
0.5sin (2 250t), F2 = 0. 5sin (2 n 2000t), F3 = 0. 5sin (2 n IOOOOt)。第二步混頻處理將F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3三個(gè)正弦波信號(hào)混合在一起得到原始信號(hào)Fa，F(xiàn)a = 0. 5sin(2 250t)+0. 5sin (2 3i 2000t) +0. 5sin (2 IOOOOt)，其波形如圖I所示，對(duì)上述信號(hào)作傅氏變換，得到其頻譜如圖2所示，可以看到三根等幅值的頻譜，與設(shè)定的主頻一致。設(shè)信號(hào)的采樣率Fs = 50K，原始信號(hào)Fa —個(gè)周期的長(zhǎng)度為200個(gè)點(diǎn)。調(diào)用隨機(jī)高斯白噪聲產(chǎn)生函數(shù)，噪聲信號(hào)的幅度取Atl = 0. 6,生成一個(gè)相同長(zhǎng)度的隨機(jī)噪聲序列，并將這個(gè)序列周期延拓100次得到隨機(jī)信號(hào)Fb，再將Fa與Fb疊加在一起得到混頻后的信號(hào)I = Fa+Fb,如圖3所示。對(duì)信號(hào)y作傅氏變換,得到如圖4所示的頻譜,主頻的位置依舊在設(shè)置的頻率位置250Hz，2kHz和10kHz。第三步編碼整形由于發(fā)射機(jī)發(fā)射編碼碼元由1、0、-I組成，將上述信號(hào)整型，轉(zhuǎn)換成我們需要的編碼形式?；祛l后的信號(hào)y經(jīng)過(guò)編碼原則整型后得到自定義編碼。整型過(guò)程中先取出最大值Ymax和最小值Ymin,得到參考值Ymean = (| Ymax | +1 Ymin )/8,而后根據(jù)算法在大于Ymean的點(diǎn)處取1，在小于-Ymean的點(diǎn)處取-I，其它的點(diǎn)取0，得到數(shù)字編碼信號(hào)Xsignal，整形后的信號(hào)由200個(gè)碼元組成，如圖5所示。圖5給出了含有200個(gè)碼元的Xsignal信號(hào)的編碼序列Xsignal =[-I I 0 I -I I I I 1-11 1-1-1-1110 0-11 01-10-11111110111110-111010 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -10 -I -I -I -I I I -11-11 0 0 -I I 11-111 I I0 -10 -I -I -I -1-110 -10-11 I 0 0 0 1 0 -1 0I I 0 -10 0 0-1-1-10 -1-10 -1-1-10 -I -I -I I0 -I -I -I I I 0-1 -I -I -I -I -I -I -I -I -1-1-10 I 0-10 0 -1-1-110 0 -1-1-1-10 0 -10 0 -I -I -I 0
I I 0 -I I -10 1 -I I I -1-1-10 0 -I -I -I -I -I -I-I -I]。對(duì)Xsignal信號(hào)進(jìn)行周期延拓后作出它的頻譜圖，如圖6所示，三根主頻依舊在設(shè)定的頻率位置，且幅度占總能量的比例較大，完成自定義編碼過(guò)程。第四步發(fā)射自定義編碼信號(hào)發(fā)射電路由隔離延時(shí)電路14、橋臂驅(qū)動(dòng)電路15、H橋橋臂16、浪涌電壓吸收電路 18、自啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路20、采樣電路19和外部高壓電源17組成。其中隔離延時(shí)電路14、橋臂驅(qū)動(dòng)電路15、H橋橋臂16和外部高壓電源17順次連接。采樣電路19 一端與H橋橋臂16連接，另一端與自啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路20連接，自啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)20的另一端跟隔離延時(shí)電路14的輸入端連接。浪涌電壓吸收電路18由壓敏電阻連接在各個(gè)橋臂兩端，與H橋橋臂16連接。該發(fā)射電路接收由上位機(jī)傳過(guò)來(lái)的自定義編碼信號(hào)，然后根據(jù)用戶選擇的頻率發(fā)射該目標(biāo)編碼信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法，是由選擇主頻、混頻處理及按編碼原則進(jìn)行整形編碼，形成的自定義編碼，再由高密度發(fā)射機(jī)向地下發(fā)射構(gòu)成，其特征在于包括以下步驟 第一步選擇主頻， 根據(jù)電法勘探所要采用的方法和測(cè)量區(qū)域的地質(zhì)情況以及工程的具體要求，綜合分析，確定出主頻帶范圍，以及主頻的分布情況； 在上位機(jī)隨機(jī)碼生成軟件的主頻選取對(duì)話框中輸入預(yù)先確定的n個(gè)主頻頻率以及其幅值，由Matlab軟件自動(dòng)生成n個(gè)頻率的正弦波，得到的n個(gè)正弦波信號(hào)為F1=A1Sin (2 f^t)，F(xiàn)2=A2Sin (2 f2t)，......, Fx=Ansin (2 n fnt)； 第二步混頻處理 將F1, F2,……，F(xiàn)n個(gè)正弦波信號(hào)混合在一起得到原始信號(hào)Fa，F(xiàn)a=A1Sin (2 n f:t) +A2Sin (2 n f2t) +......+Ansin (2 n fnt)； 高密度電法儀發(fā)射波形Fa需要進(jìn)一步拓寬頻率范圍和增加發(fā)射碼型的復(fù)雜程度，為此，將Fa疊加隨機(jī)高斯白噪聲，加上隨機(jī)高斯白噪聲后的混頻信號(hào)頻帶寬度滿足拓寬頻率范圍要求，自相關(guān)性好，并且與其它信號(hào)互不相關(guān)； 混頻過(guò)程是原始信號(hào)的主頻分別為f\、f2> f3>…fn，若信號(hào)采樣率為Fs，則原始信號(hào)Fa —個(gè)周期的長(zhǎng)度L=Fs/fmin，其中fmin為f\、f2、…、fn中頻率最小值，然后調(diào)用隨機(jī)高斯白噪聲產(chǎn)生的函數(shù)，噪聲信號(hào)的幅度取Atl，生成一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的隨機(jī)高斯白噪聲序列，并將這個(gè)序列周期延拓m(m=l 100)次得到隨機(jī)信號(hào)Fb,再將Fa與Fb混合在一起得到混頻后的信號(hào)y=Fa+Fb ； 第二步整形編碼 混頻后的信號(hào)y使用編碼原則得到自定義編碼，編碼的碼元由1、0、-1組成； 編碼原則整型過(guò)程中先取出信號(hào)y的最大值Ymax和最小值Ymin,根據(jù)Ymean= (| Ymax | +1 Ymin |) /K得到編碼參考值Ymean,而后根據(jù)在信號(hào)y的大于Ymean的點(diǎn)處取1，在小于-Ymean的點(diǎn)處取_1，其它的點(diǎn)取0原則，得到數(shù)字編碼信號(hào)Xsignal ；K的取值范圍控制在2. 0到20. 0之間； 對(duì)Xsignal信號(hào)進(jìn)行周期延拓后作出它的頻譜圖，判斷主頻的位置是否在設(shè)定的位置，且幅度占總能量的比例較大，否則重新設(shè)置編碼參考值，即重新選取K值，按編碼原則進(jìn)行重新編碼，直到產(chǎn)生的自定義編碼信號(hào)Xsignal信號(hào)滿足主頻的位置在設(shè)定的位置，且幅度占總能量的比例較大； 第四步發(fā)射波形， 混頻后的信號(hào)y經(jīng)“整形編碼”后，再由能夠發(fā)送任意由1，0，-I三元數(shù)字碼組合成的發(fā)射波形碼，既能發(fā)射時(shí)域方波碼、頻域矩形波碼和具有混頻性質(zhì)的偽隨機(jī)編碼，又能發(fā)射經(jīng)混頻“整形編碼”后的高斯白噪聲波形碼的高密度發(fā)射機(jī)向地下發(fā)射波形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高密度電法儀發(fā)射波形的自定義編碼方法。高密度發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)采用的是基于隨機(jī)高斯白噪聲的自定義編碼，編碼過(guò)程由選擇主頻、混頻處理及按編碼原則進(jìn)行整形編碼組成，形成的自定義編碼后再由高密度發(fā)射機(jī)向地下發(fā)射。主頻的個(gè)數(shù)、幅度、主頻的范圍及各主頻的位置是由使用者根據(jù)具體勘探目標(biāo)的需要來(lái)確定，加大了對(duì)信號(hào)選擇的靈活性，該碼型對(duì)地電勘測(cè)十分有利，它既可以人為的設(shè)計(jì)勘探深度又可以有效的壓制噪聲干擾信號(hào)有利于突顯地電體的激電性質(zhì)，同時(shí)可以提高深部探測(cè)的分辨率。具有良好的自相關(guān)峰，抗干擾能力強(qiáng)，有利于后期的信號(hào)去噪處理。
文檔編號(hào)G01V3/00GK102780492SQ20121027714
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者何剛, 凌若飛, 張碧勇, 朱士, 焦陽(yáng), 王一, 王君, 趙靜 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)