伪随机信号电法仪的抗干扰参数_罗延钟.pdf

2023 年第 38 卷 第1期2023，38(1):0474-0483地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P罗延钟，陆占国，王寒冰，等2023 伪随机信号电法仪的抗干扰参数 地球物理学进展，38(1):0474-0483，doi:106038/pg2023FF0063LUO YanZhong，LU ZhanGuo，WANG HanBing，et al 2023 Anti-interference parameters of instrument for electrical prospecting using pseudo randomsignal Progress in Geophysics(in Chinese)，38(1):0474-0483，doi:106038/pg2023FF0063伪随机信号电法仪的抗干扰参数Anti-interference parameters of instrument for electrical prospecting using pseudorandom signal罗延钟1，陆占国2，王寒冰2，孙国良3，高隆钦2LUO YanZhong1，LU ZhanGuo2，WANG HanBing2，SUN GuoLiang3，GAO LongQin2收稿日期2021-05-12;修回日期2022-06-27投稿网址http:/www progeophys cn第一作者简介罗延钟，男，1935 年生，1957 年毕业于北京地质学院，教授，长期从事电法勘查教学和科学研究 E-mail:yluo cugb edu cn1 中国地质大学，武汉4300742 北京桔灯地球物理勘探有限公司，北京1022003 北京航空航天大学，北京1000831 China University of Geosciences，Wuhan 430074，China2 Beijing Orangelamp Geophysical Exploration Company Limited，Beijing 102200，China3 Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100083，China摘要基于伪随机信号系统辨识的电法勘查仪器多试图借助于相关处理 计算大地(系统)输入信号(供电电流 I(t)和输出信号(电位差 U(t)的互相关 I，U(t)和自相关 I，I(t)以期提高获取大地阻抗的瞬变过程(冲激响应和阶跃响应)和/或频谱(频率响应)的抗干扰性能 笔者先前的研究结果表明，仅在偏移时间 t 小于位宽 t，特别是在零偏移时间，互相关I，U(t)和自相关 I，I(t)函数值较大时才有较强的抗干扰能力;而时间偏移 t 大于位宽 t 时，相关函数值非常小，易受干扰而畸变 利用全周期相关函数值计算大地(系统)时间响应和频率响应的伪随机相关辨识的抗干扰性，并不理想 在电磁干扰较大或信噪比较低(近于或小于 0 dB)时，不能取得可靠的时间响应和频率响应数据 基于上述情况，本文提出仅利用零偏移时间的互相关和自相关函数值 I，U(0)和 I，I(0)，获取具有高抗干扰性能的导电和激电参数 文中给出了这些抗干扰参数的具体算法，并列举仿真模拟和野外观测数据，证明它们的实际抗干扰能力关键词电法勘查;观测仪器;伪随机信号;抗干扰参数中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023FF0063AbstractThe instruments for electrical and electromagneticprospecting using pseudo random signal have tried toImprove anti-interferenceabilityforgetingtheearthfrequency response or/and time response by means ofcorrelation processing to calculate the auto-correlationII(t)and cross-correlation IU(t)of the input signal(strength of supply current I(t)and output signal(potential difference U(t)Previous research by theauthers suggests that just in the condition of the offset timeis litter than the bit width of the pseudo random signal，especially at the zero offset time，the function value ofauto-correlation I，I(t)and cross-correlation I，U(t)arelarge，it has strong anti-interference ability;and when theoffset time great than the bit width，the function value ofauto-correlation I，I(t)and cross-correlation I，U(t)arevery small，susceptible to interference and distortion Theanti-jamming capability of the“pseudo random correlationidentification”，which using the correlation function valueof the whole cycle，to get the earth frequency response or/and time response，is clearly not ideal In the condition ofhigh electromagnetic interference or low SN，cant getreliable data of earth frequency response or/and timeresponse Based on above-mentioned condition，this paperproposes to use only the function value of auto-correlationI，I(0)and cross-correlation I，U(0)at the zero offsettime，to obtain conductive and IP parameters with highanti-interference performance The concrete algorithm ofthese parameters and some simulation and field observationdata，which proved actual anti-jamming ability of theseparameters are given in this paperKeywordsElectrical prospecting;Instrument;Pseudorandom signal;Anti-interference parameter2023，38(1)罗延钟，等:伪随机信号电法仪的抗干扰参数(www progeophys cn)0引言基于伪随机信号系统辨识的电法勘查仪器多试图借助于相关处理 计算大地(系统)输入信号(供电电流 I(t)和输出信号(电位差 U(t)的互相关 I，U(t)和自相关 I，I(t)以期提高获取大地阻抗的瞬变过程(冲激响应和阶跃响应)和/或频谱(频率响应)，即“相关辨识”的抗干扰性 能(Duncan et al，1980;徐建华，1981;李白南，1987;Chu，1990;Wright et al，2002;Zepernick and Filger，2005;Hobbs et al，2006;Ziolkowski et al，2007;李梅等，2008;汤井田和罗维斌，2008;刘景贤，2010;刘金琨等，2013;淳少恒等，2014;张宇等，2014;罗延钟等，2015，2016)近期笔者(罗延钟等，2020)通过仿真模拟和野外试验，初步探索了“相关辨识”的抗干扰性能 得到的结果是，无论是否存在干扰(包括理论的随机干扰和实测的电磁干扰)，相关谱分析算法计算的阻抗频谱 Z2(i)和直接谱分析算法计算的阻抗频谱 ZI，U(i)，都几乎完全重合 这表明，相关处理并未明显增加伪随机信号观测数据计算大地阻抗频谱的抗干扰能力 究其原因是，仅在偏移时间t 小于伪随机信号位宽 t，特别是在零偏移时间，互相关 I，U(t)和自相关 I，I(t)函数值较大时才有较强的抗干扰能力;而时间偏移 t 大于位宽 t 时，相关函数值非常小，易受干扰而畸变;致使利用全周期相关函数值计算大地(系统)时间响应和频率响应的伪随机相关辨识的抗干扰性，并不理想 在电磁干扰较大或信噪比较低(近于或小于 0 dB)时，不能取得可靠的时间响应和频率响应数据 本文将在上述研究成果的基础上，提出仅利用零偏移时间的互相关和自相关函数值 I，U(0)和 I，I(0)，获取具有高抗干扰性能的导电和激电参数;并用仿真模拟和野外试验结果，验证这些参数的实际抗干扰效果1伪随机信号电法仪观测的“视电阻”受前文(罗延钟等，2020)“零偏移时间的互相关和自相关函数值 I，U(0)和 I，I(0)具有高抗干扰性能”的启发，我们计算两者的比值 该比值具有电阻量纲，我们定义为“视电阻”s，用数学公式表示为:s=I，U(0)I，I(0)(1)为了检验“视电阻”s的抗干扰性能，我们仍旧利用先前(罗延钟等，2016，2020)使用的电阻和电容电路(图 1)作仿真模拟研究 图中，发送机向电路供入按 m 序列波形变化的供电电流 Im，其在标准电阻 0上的电位差用接收机 1 记录下来作为电路的输入信号 I(t);供电电流流过电阻 和串联的两组并联电阻 1与电容 C1和电阻 2与电容 C2，其上的电位差 U(t)由接收机 2 记录下来作为电路的输出 各电阻和电容取值为 =350，1=50，2=100，C1=0 1 F 和 C2=10 F 对应的并联电阻 1与电容 C1和电阻 2与电容 C2的时间常数分别为1=1C1=5 s 和 2=2C2=1 ms，用以模拟低频段的激电效应和高频段的电磁效应 仿真模拟可选用不同的 m 序列参数(阶数 n 和位宽 t)，分别模拟低频段，中频段和高频段的响应 本文重点选用较大的位宽 t 以检验低频段探测激电效应的抗干扰性图 1用作计算机仿真模拟的模型 C 电路图=350，1=50，2=100，C1=01 F，C2=10 FFig 1The circuit diagram for computer simulation=350，1=50，2=100，C1=01 F，C2=10 F图 2对图 1 所示 C 电路，采用 7 阶和位宽为 2 s 的m 序列激发计算的阻抗振幅频谱曲线Fig 2The impedance amplitude spectrum curvecalculated for the C circuit shown in Fig 1574地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)图2 示出了对图1 所示 C 电路，采用7 阶和位宽为 2 s 的 m 序列，计算的阻抗振幅频谱理论曲线最高频率只有