抗干擾電法儀試用申請(qǐng)

1、偽隨機(jī)信號(hào)電法儀（KGR）推廣方案國(guó)土資源部礦產(chǎn)勘查技術(shù)指導(dǎo)中心2015年1月8日目錄一、偽隨機(jī)信號(hào)電法儀理論介紹3二、KGR-1電法儀應(yīng)用的幾個(gè)實(shí)例4三、KGR-1抗干擾電法儀的不足及解決方案4四、KGR-1抗干擾電法儀推廣方案4五、申報(bào)書內(nèi)容4六、聯(lián)系方式4一、偽隨機(jī)信號(hào)電法儀理論介紹電法勘查是以地球物質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測(cè)和研究地球電流場(chǎng)，推斷地下電性分布，進(jìn)而勘查地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和尋找地下資源的一類地質(zhì)勘查方法。大部分電法勘查方法觀測(cè)和研究的地球電流場(chǎng)，是勘查人員主動(dòng)供電在地中產(chǎn)生的電流場(chǎng)。這類電法勘查方法稱為“主動(dòng)源電法勘查方法”。1. 電法勘查和系統(tǒng)辨識(shí)主動(dòng)源電法勘查方法可概括為圖

2、1(a)所示觀測(cè)系統(tǒng)¾¾由發(fā)送系統(tǒng)的電流源供給一定波形和強(qiáng)度的電流I，通過發(fā)送傳感器（不接地回線或者接地電極等）在地下產(chǎn)生一定的電流場(chǎng)；接收系統(tǒng)通過接收傳感器（不接地回線或者接地電極等）獲得反映地下電流場(chǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電位差U，并由觀測(cè)儀器（比如，電位儀）記錄下來。圖1(b)示出了上述觀測(cè)系統(tǒng)的等效電路¾¾其輸入端（左端，發(fā)送系統(tǒng)）和輸出端（右端，接收系統(tǒng)）之間，代表大地系統(tǒng)。 發(fā)送系統(tǒng) 接收系統(tǒng)電流源 電位儀 電流源 電位儀 地球 I I U I 系統(tǒng) U 發(fā)送傳感器 地面 接收傳感器（a） (b) 圖1. 主動(dòng)源電法勘查觀測(cè)系統(tǒng)（a）及其等效電路（b

3、）目前，主動(dòng)源電法勘查有兩種觀測(cè)方式¾¾時(shí)間域觀測(cè)和頻率域觀測(cè)。時(shí)間域觀測(cè)方式通常用一定占空比的正負(fù)方波供電，觀測(cè)供電期間電流場(chǎng)電位差的建場(chǎng)過程或/和斷電后的放電過程U(t)，獲得歸一化電位差或阻抗的“階躍響應(yīng)”Z(t) =U(t)/ I0 。時(shí)間域激電法和瞬變電磁法等屬于這類方法。頻率域觀測(cè)方式通常依次用不同頻率的連續(xù)正負(fù)方波供電，觀測(cè)基波或諧波頻率電流場(chǎng)的復(fù)電位差U(i)，獲得歸一化復(fù)電位差或復(fù)阻抗的“頻譜” Z(i)=U(i) / I0。頻譜激電法和各種頻率測(cè)深法(CSAMT及廣域電磁法等)屬于這類方法。按上述兩種觀測(cè)方式建立的現(xiàn)有電法勘查儀器，都存在抗干擾能力差和野

4、外觀測(cè)效率低的嚴(yán)重問題。解決這些問題的出路是，利用現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)關(guān)于“系統(tǒng)辨識(shí)”的新成就，建立全新的電法勘查儀器。圖1（b）示出了主動(dòng)源電法勘查觀測(cè)系統(tǒng)，按系統(tǒng)科學(xué)簡(jiǎn)化的等效電路。左端發(fā)送機(jī)通過發(fā)送傳感器向大地供入的電流強(qiáng)度I(t)，作為被研究的“地球系統(tǒng)”的“輸入”，右端接收機(jī)通過接收傳感器觀測(cè)到的電位差U(t)，則是“地球系統(tǒng)”的“輸出”。大地系統(tǒng)通?？梢钥闯墒恰熬€性”和“時(shí)不變”的。系統(tǒng)科學(xué)理論表明【2】，對(duì)于一個(gè)線性、時(shí)不變系統(tǒng)，任何時(shí)間序列輸入信號(hào)I(t)與輸出信號(hào)U (t)之間的關(guān)系，可以通過如下卷積積分（Wiener-Hopf方程）給出： （1）式中，為系統(tǒng)的沖激響應(yīng)，即供電電流I

5、(t)為(t)函數(shù)（單位脈沖）時(shí)，大地的時(shí)間響應(yīng)（輸出）；符號(hào)*表示卷積， s為積分變量（具時(shí)間量綱）。原則上，可以通過輸入信號(hào)I(t)與輸出信號(hào)U (t)的反卷積，計(jì)算出沖激響應(yīng)，進(jìn)而通過對(duì)積分計(jì)算得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)： （2）對(duì)作傅氏變換可得到系統(tǒng)的頻譜（傳輸函數(shù)）¾¾對(duì)于時(shí)間因子，可寫出 （3）系統(tǒng)科學(xué)中，基于公式（1）由實(shí)測(cè)系統(tǒng)的輸入和輸出，確定系統(tǒng)的沖激響應(yīng)（進(jìn)而可獲得系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)和頻率響應(yīng)），稱為“系統(tǒng)辨識(shí)”。所以，從系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)看，電法勘查就是對(duì)地球系統(tǒng)的系統(tǒng)辨識(shí)。2. 偽隨機(jī)二進(jìn)制輸入信號(hào) 圖2. 周期為T0，位數(shù)N=15的最長(zhǎng)偽隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)序列（m序列

6、）【1】。I(t)+I0-I0 雖然，對(duì)于任意給定的輸入信號(hào)I(t)和相應(yīng)的輸出信號(hào)U (t)，都可以通過反卷積計(jì)算出沖激響應(yīng)；但除計(jì)算繁瑣外，還經(jīng)常由于觀測(cè)誤差和干擾導(dǎo)致計(jì)算失敗。所以，人們總在尋找適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)波形，以獲得高精度的沖激響應(yīng)。在系統(tǒng)辨識(shí)的諸多方法中，有一種特殊和十分有效的方法，這就是“偽隨機(jī)二進(jìn)制輸入信號(hào)（PRBS）”的系統(tǒng)辨識(shí)方法1,2,3。它采用按“最大長(zhǎng)度偽隨機(jī)二進(jìn)制序列”（m序列） 偽隨機(jī)信號(hào)（序列）是指，特征與隨機(jī)信號(hào)的特征充分相似的確定性信號(hào)。有各種各樣的偽隨機(jī)信號(hào)，其中，最大長(zhǎng)度偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（m序列）是同時(shí)具有平衡標(biāo)準(zhǔn)、游程標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)性標(biāo)準(zhǔn)的最佳周期自相關(guān)函

7、數(shù)序列。在n階GF(p)域序列中，總數(shù)（即“位數(shù)”N）為pn-1的序列，定義為“最大長(zhǎng)度序列”或“m序列”。因此，n階二進(jìn)制m序列的位數(shù)N=2n-1。所謂“n階”是指序列中連續(xù)出現(xiàn)某一數(shù)的最大次數(shù)為n。變化的電流源I(t)供電，供電電流強(qiáng)度I(t)是寬度隨機(jī)變化，而幅度保持為常數(shù)I0的周期性出現(xiàn)的一系列正、負(fù)方波脈沖（見圖2）。其特點(diǎn)是：（1）電流強(qiáng)度只取值為+ I0或I0。（2）而連續(xù)取+ I0或I0的時(shí)間長(zhǎng)度K*t是隨機(jī)變化的（t為常數(shù)，稱為m序列的“位寬”或“鐘脈沖周期”；K為整數(shù)，稱為“蟬聯(lián)數(shù)”）。（3）經(jīng)過時(shí)間T0后，供電電流波形重復(fù)出現(xiàn)。周期T0=N*t（N為整數(shù)，稱為m序列的“位

8、數(shù)”或“碼數(shù)”）。（4）一個(gè)周期內(nèi)，取值+ I0的各（正向）脈沖的蟬聯(lián)數(shù)之和，與取值- I0的各（反向）脈沖的蟬聯(lián)數(shù)之和相差不超過1。（5）取，則在一個(gè)周期內(nèi)，蟬聯(lián)數(shù)為n的非零（或者為+ I0，或者為-I0）方波脈沖出現(xiàn)，而且只出現(xiàn)一次（n稱為m序列的“階數(shù)”）；而蟬聯(lián)數(shù)為K（1K<n）的方波脈沖（包括正的和負(fù)的方波脈沖）出現(xiàn)的機(jī)率為。上述偽隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)序列，可以用專用設(shè)備（線性反饋移位寄存器LFSR）產(chǎn)生，也可以由數(shù)字計(jì)算機(jī)（運(yùn)行線性遞推式）簡(jiǎn)單地產(chǎn)生【2,3】。3. 偽隨機(jī)二進(jìn)制輸入信號(hào)系統(tǒng)辨識(shí)的基本算法前已述及，大地電性系統(tǒng)可視為是線性和時(shí)不變系統(tǒng)，在此條件下，供電電流時(shí)間序列I

9、(t)和實(shí)測(cè)電位差時(shí)間序列U(t)之間，有形如（1）式的卷積關(guān)系。 另一方面，在供電電流I(t)是以T0為周期的最大長(zhǎng)度偽隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)序列（m序列）時(shí)，I(t)的周期自相關(guān)函數(shù)（PACF）RI,I （4）圖3. m序列的周期自相關(guān)函數(shù)【1】圖3給出了（4）式的圖形表示，它表明m序列的自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)三角形脈沖；它具有周期性，且其周期與m序列相同；除在=0點(diǎn)附近外，的數(shù)值很小。由（4）式可進(jìn)一步寫出近似式：RI,I()/t （5）式中 或 （6）為“狄拉克函數(shù)”或稱“脈沖函數(shù)”。其一個(gè)重要性質(zhì)是，對(duì)于任何一個(gè)連續(xù)函數(shù)f(s)，在包含s =的區(qū)間Q上的積分 （7）以及，對(duì)f(s)=1的特例，可寫

10、出 當(dāng)m序列電流幅值I0=1和位寬t « 周期T0時(shí)，（5）式足夠近似成立。 進(jìn)一步，考查供電電流I(t)與實(shí)測(cè)電位差U(t)的周期互相關(guān)函數(shù)（PCCF）RI,U： （8）將（1）式代入（8）式，并考慮到當(dāng)t<0時(shí)，可得 （9）考慮到（5）式，上式可進(jìn)一步寫成： （10）若選擇m序列的周期T0足夠大，使在< T0時(shí)沖激響應(yīng)已衰減殆盡，則（10）式可寫成： （11）這說明，適當(dāng)選擇m序列的周期T0和位寬t（也就是足夠大的位數(shù)N），觀測(cè)和計(jì)算供電電流輸入I(t)和電位差輸出U(t)的互相關(guān)函數(shù)，就可近似得到大地的沖激響應(yīng)。文獻(xiàn)【2】導(dǎo)出了近似性更好的表達(dá)式（未考慮相鄰周期的影

11、響）： （11.a）式中， （11.b）S為自相關(guān)函數(shù)圖形中的三角形面積： （11.c）在獲得大地的沖激響應(yīng)后，可進(jìn)一步按（2）和（3）式，算出大地的階躍響應(yīng)和頻譜（傳輸函數(shù)）；進(jìn)而，換算出常規(guī)譜激電法和電磁測(cè)深法的觀測(cè)數(shù)據(jù)¾¾由階躍相應(yīng)可算出常規(guī)時(shí)間域觀測(cè)的充、放電過程；而由頻譜（傳輸函數(shù)）Z (i) 乘以裝置系數(shù)K，可得復(fù)電阻率法的視復(fù)電阻率s(i)： （12）或者計(jì)算各種頻率測(cè)深方法（可控源音頻大地電磁法，廣域電磁法或頻率測(cè)深法等）的視電阻率?？梢?，基于上述偽隨機(jī)信號(hào)系統(tǒng)辨識(shí)原理，可組成全新的主動(dòng)源電法勘查儀器¾¾偽隨機(jī)信號(hào)電法儀器。這種儀器原則上

12、一個(gè)周期的觀測(cè)便可獲得常規(guī)電法勘查寬頻帶范圍內(nèi)的豐富信息¾¾時(shí)間響應(yīng)和視電阻率頻譜。應(yīng)該指出，上述信息（首先是沖激響應(yīng)）是通過互相關(guān)、積分和傅氏變換獲得的，這些計(jì)算本身都是數(shù)字濾波運(yùn)算，可以壓制干擾，能獲得很高的信噪比。此外，還可以通過“過采樣”（在每一個(gè)位寬t上分布成百上千個(gè)采樣點(diǎn)，以這些采樣時(shí)間記錄的數(shù)據(jù)的平均值，作為該位寬的觀測(cè)值）和在多個(gè)周期上進(jìn)行觀測(cè)（相當(dāng)于“多次疊加”），進(jìn)一步壓制干擾，提高觀測(cè)精度。這就是說，偽隨機(jī)信號(hào)電法儀器既能高效率獲取大地的時(shí)間響應(yīng)和頻譜的豐富信息，又有很強(qiáng)的抗干擾能力。圖4 偽隨機(jī)信號(hào)電法儀的原理框圖4. 偽隨機(jī)信號(hào)電法儀的原理框圖偽隨

13、機(jī)信號(hào)電法儀的原理框圖見圖4。由最長(zhǎng)二進(jìn)制偽隨機(jī)信號(hào)（m序列）發(fā)生器控制的供電電流I(t)，供入大地系統(tǒng)。其輸出電位差U(t)進(jìn)入相關(guān)器，與來自m序列發(fā)生器、經(jīng)時(shí)間偏移的供電電流信號(hào)I(t -)計(jì)算互相關(guān)函數(shù)，按理有。對(duì)其分別做時(shí)間積分和傅氏變換，最后輸出階躍響應(yīng)和頻譜。5. 結(jié)論偽隨機(jī)信號(hào)電法儀是基于系統(tǒng)科學(xué)關(guān)于“系統(tǒng)辨識(shí)”最新成果建立的，不同于現(xiàn)行電法勘查儀器，全新探測(cè)理念的主動(dòng)源電法勘查儀器，其主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）一次觀測(cè)即可獲得大地的時(shí)間響應(yīng)（瞬變響應(yīng)）和頻率響應(yīng)（頻譜），可用于各種主動(dòng)源電法勘查方法。（2）具有極強(qiáng)的抗干擾能力。（3）發(fā)送機(jī)和多道接收機(jī)分置，不需太大發(fā)送功率，觀測(cè)系統(tǒng)非

14、常輕便。 說明：本章的內(nèi)容由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）羅延鐘教授提供參考文獻(xiàn)1. 徐建華編著，狀態(tài)估計(jì)與系統(tǒng)辨識(shí)，【M】北京：科學(xué)出版社，1981.2. 李白南，偽隨機(jī)信號(hào)及相關(guān)辨識(shí)，【M】北京：科學(xué)出版社，1987.3. Aans-Jutgen Zepernick and Adolf Filger, 偽隨機(jī)信號(hào)處理¾¾理論與應(yīng)用，【M】北京：電子工業(yè)出版社，2007. 4. Duncan P.M. et al, The development and applications of a wide band electromagnetic sounding system usin

15、g a pseudo-noisesource, Geophysics, 45 (8) 1276-1296, 1980.5. 趙璧如, 趙 健, 張洪魁等，PS100 型I P 到端可控源高精度大地電測(cè)儀系統(tǒng)CDMA 技術(shù)首次在地電阻率測(cè)量中的應(yīng)用，地球物理學(xué)進(jìn)展，21(2)675-682,2006.6. Bruce Hobbs, Anton Ziolkowski , David Wright, Multi-Transient Electromagnetics (MTEM) controlled source equipment for subsurface resistivity invest

16、igation, 18th IAGA WG 1.2 Workshop on Electromagnetic Induction in the Earth 4/4 El Vendrell, Spain, September 17-23, 2006.二、KGR-1電法儀應(yīng)用的幾個(gè)實(shí)例1.水槽實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)如圖所示的水槽，在水中放一直立銅板，利用KGR-1A儀器和多種常規(guī)電法儀進(jìn)行中間梯度測(cè)量，將得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖5 水槽實(shí)驗(yàn)示意圖圖6 KGR-1和FX-1電法儀干擾前后相位對(duì)比曲線圖7 KGR-1和SQ-3C電法儀干擾前后Fs對(duì)比曲線圖8 KGR-1和DZD-6電法儀干擾前后Fs對(duì)比曲線水槽試驗(yàn)結(jié)

17、果表明：（1）在無干擾環(huán)境下，KGR-1與常規(guī)儀器在視電阻率、視頻散率、視相位三個(gè)參數(shù)測(cè)量結(jié)果上吻合較好，精度指標(biāo)相近，驗(yàn)證了儀器的正確性。（2）在加干擾后，所測(cè)三個(gè)參數(shù)的均方差，KGR-1明顯優(yōu)于常規(guī)儀器，即抗干擾能力更強(qiáng)。 2. 延慶石槽銅礦實(shí)驗(yàn)北京市延慶縣石槽村存在一已知銅礦體，利用KGR-1A儀器與重慶儀器廠的DJS-8大功率激電儀在同一條剖面上進(jìn)行中間梯度測(cè)量，將測(cè)得的視電阻率和極化參數(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖9 KGR-1和DJS-8視電阻率對(duì)比曲線圖9 KGR時(shí)間常數(shù)與DJS-8視極化率對(duì)比曲線通過上述對(duì)比結(jié)果可以看出，視電阻率曲線重合，極化率與時(shí)間常數(shù)曲線形態(tài)一致。并且，由已知的地質(zhì)和

18、物探資料可知，該測(cè)線的40號(hào)點(diǎn)左右存在礦體，兩種儀器在礦體上都有明顯反應(yīng)。3.山西某矽卡巖型銀銅礦礦區(qū)位于軍用雷達(dá)站旁邊，電磁干擾較強(qiáng)，常規(guī)激電儀無法獲得穩(wěn)定數(shù)據(jù)。通過KGR-1A測(cè)深剖面工作，獲得高精度穩(wěn)定的電法數(shù)據(jù)，下圖為電阻率反演圖及時(shí)間常數(shù)斷面圖，與已知接觸面及礦體有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖10 上圖為電阻率反演圖，下圖為時(shí)間常數(shù)斷面圖4.江西某矽卡型銅礦在江西某礦區(qū)利用KGR-1儀器與GDD儀器在同一條剖面上進(jìn)行激電剖面試驗(yàn)，激電剖面與測(cè)深反演斷面對(duì)比結(jié)果顯示，KGR-1與GDD的視電阻率和極化參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系良好（GDD是32個(gè)測(cè)點(diǎn)，KGR是30個(gè)測(cè)點(diǎn)，右側(cè)對(duì)齊）。且對(duì)已知礦體有明顯的反演

19、（見礦孔位置在540點(diǎn)左右，斜孔，見礦深部150米左右）。圖11 電阻率反演斷面對(duì)比圖圖12 充電率（時(shí)間常數(shù)）反演斷面對(duì)比圖三、KGR-1抗干擾電法儀的不足及解決方案該儀器的較強(qiáng)抗干擾能力，通俗講屬于效率換精度，勘查區(qū)干擾水平越大，發(fā)射信號(hào)的碼長(zhǎng)就需要設(shè)置的足夠長(zhǎng)，增加了單點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，大大降低了工作效率。因此國(guó)內(nèi)最常用的對(duì)稱四極測(cè)深裝置，應(yīng)用該種儀器，導(dǎo)致加長(zhǎng)了工作時(shí)間，增加野外開支。解決辦法：用多臺(tái)套接收機(jī)的辦法換效率，因此，測(cè)深工作必須采用三極測(cè)深裝置（國(guó)外普遍采用的裝置）。比如：我們?cè)诮髂炽~礦區(qū)，采用三極裝置，利用了15臺(tái)接收機(jī)（共30個(gè)物理點(diǎn)），碼長(zhǎng)為6的情況下，2天即可完成。效率大大高于對(duì)稱四極，完成同樣工作量的情況下，節(jié)省了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。只是，投入儀器較多，增加了儀器消耗成本！四、KGR-1抗干擾電法儀推廣方案1.目標(biāo)通過在整裝勘查區(qū)或礦集區(qū)組織KGR-1新技術(shù)的示范推廣，進(jìn)一步挖掘儀器的不足并不斷完善，加快推進(jìn)KGR-1抗干擾電法儀的實(shí)用化進(jìn)程，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，提升找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)科技引領(lǐng)作用。2. 申請(qǐng)單位的條件及義務(wù)（1）資質(zhì)要求：承擔(dān)整裝勘查區(qū)或者礦集區(qū)2015年度IP工作；具備相應(yīng)地球物理資質(zhì)，或項(xiàng)目負(fù)責(zé)人具有豐富的野外電法施工經(jīng)驗(yàn)。（2）遵循自愿原則，各勘查單位按照附件要求填寫申請(qǐng)書并報(bào)送部礦產(chǎn)勘查技術(shù)指導(dǎo)中心，由技術(shù)指導(dǎo)中心