張淑玲 沈 田

（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院電子工程系 武漢 430205)

1 引言

基于大功率人工源的無線電磁探測法（Wireless ElectroMagnetic Method，WEM法)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新的人工源電磁探測技術(shù)，其基本構(gòu)成：超過500kW大功率發(fā)射源，在高大地電阻率地區(qū)架設(shè)的數(shù)十、上百公里發(fā)射天線上，發(fā)射頻率為0.1Hz～300Hz范圍內(nèi)的極低頻/超低頻電磁信號，并在波導(dǎo)層傳播到數(shù)千公里范圍，采用無線電磁探測儀測量各電、磁場分量，用于研究空間環(huán)境電磁場的信息以及地下的電性結(jié)構(gòu)［1］。

傳統(tǒng)的大地電磁探測法MT、可控源音頻大地電磁探測法CSAMT等方法的理論不再完全適用于WEM探測法，對于 MT、CSAMT都無須考慮電離層的影響，而對于WEM法，由于電流源的長度已經(jīng)和電離層高度量級相同，許多觀測點(diǎn)上源接收距已接近或大于電離層高度，因此需考慮電離層的影響，并分析極低頻/超低頻電磁場傳播特性，在理論上確定觀測點(diǎn)場強(qiáng)［2］。

對于一定的極低頻/超低頻輻射場強(qiáng)，信號接收處理的最終限制為各種自然噪聲，因?yàn)楦蓴_、天線噪聲與接收機(jī)噪聲可以做到人為控制，而大氣噪聲是隨地域、氣候以及時(shí)間變化而有所不同，極低頻/超低頻大氣噪聲的測量與分析對極低頻/超低頻信號的處理意義重大，因此大功率人工源的無線電磁探測法研究內(nèi)容涉及的極低頻/超低頻輻射場強(qiáng)的測量與分析，大氣噪聲測量、處理與分析以及研究噪聲規(guī)律、抑制噪聲干擾、提取有效信號始終是無線電磁探測的研究重點(diǎn)之一，大功率WEM法開展的研究工作，對提高信噪比，更真實(shí)地反映地質(zhì)情況，對我國不同地域的大氣噪聲分析和后續(xù)極低頻/超低頻信息處理具有重要的意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

美國、俄羅斯在20世紀(jì)80年代建成了用于軍事通信的極低頻/超低頻通信系統(tǒng)，美國在20世紀(jì)70年代進(jìn)行了大量的研究工作，得出的結(jié)論是極低頻/超低頻大氣噪聲具有明顯的非高斯特性，其降噪處理器需采用非線性處理器才能獲得最優(yōu)的性能。20世紀(jì)90年代俄羅斯將極低頻無線電波應(yīng)用于地震預(yù)報(bào)與地球物理探測的研究。

20世紀(jì)90年代起，我國通過與俄羅斯科學(xué)家在無線電磁探測法技術(shù)上的合作，國內(nèi)多家科學(xué)研究機(jī)構(gòu)開始研究無線電磁探測法在地球物理勘探和地震監(jiān)測方面的應(yīng)用，同時(shí)也進(jìn)行了一系列的實(shí)際試驗(yàn)工作；2005年，中國艦船研究院聯(lián)合中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所和中國地震局地質(zhì)研究所，利用小型極低頻試驗(yàn)臺進(jìn)行了一次地下資源探測對比試驗(yàn)和一次地震電磁監(jiān)測試驗(yàn)［3～6］。

為適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)增長的需求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，滿足大深度探測的需求，“極低頻探地工程”（無線電磁探測技術(shù))通過了國家發(fā)改委“十一五國家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目”的批準(zhǔn)。WEM發(fā)射臺的工程浩大，技術(shù)難度高，其建設(shè)周期較長，無線電磁探測信號接收技術(shù)的研究工作在我國是剛剛開始，根據(jù)多年的低頻段接收系統(tǒng)研制經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，通過與俄羅斯聯(lián)合研制磁性接收天線，已經(jīng)成功地研制出無線電磁探測儀，為極低頻/超低頻電磁信號與大氣噪聲的接收奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)用地球物理中常用的頻率域電磁探測方法有：大地電磁探測法（MT)、可控源音頻大地電磁探測法（CSAMT)。由于MT法探測深度大，但利用的是天然源信號，信號本身的隨機(jī)性和微弱性造成抗干擾能力弱、測量誤差大，因而探測精度不高。而對于CSAMT法，雖然采用了人工源，信號增強(qiáng)，提高了探測的精度，但由于發(fā)射機(jī)的移動(dòng)性與發(fā)射功率之間存在矛盾，限制了采用更大功率發(fā)射信號的可能性，因此很難用于更大深度的勘探能力。

大功率WEM法的特點(diǎn)是人工發(fā)射信號強(qiáng)度大，抗干擾能力強(qiáng)，信號穩(wěn)定，測量誤差小，覆蓋全國大部分地區(qū)，可配幾十部接收機(jī)大面積組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大范圍多次覆蓋信息同步觀測，為地球科學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究、資源探測和環(huán)境監(jiān)測等提供一個(gè)強(qiáng)有力的新工具。

3 研究方案與關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 研究方案

大功率無線電磁探測法利用發(fā)射臺發(fā)射的極低頻/超低頻信號，采用無線電磁探測儀在極低頻/超低頻電磁場的中、遠(yuǎn)場區(qū)域?qū)邮盏碾姶判盘柵c天然交變電磁場信號進(jìn)行分析與計(jì)算，通過研究信息處理算法，設(shè)計(jì)專用軟件對采集的信號與噪聲進(jìn)行處理、分析，研究出實(shí)用的降噪及信息處理方法，為資源探測和環(huán)境監(jiān)測服務(wù)［7～16］。

1)極低頻/超低頻信號場強(qiáng)理論計(jì)算

美國在20世紀(jì)70年代對極低頻/超低頻電磁波的傳播特性進(jìn)行了大量研究工作，其中D.P.White等人對影響傳播特性的電離層、電磁場引起的各向異性等提出了各種不同的解決方法；國內(nèi)中科院、武漢大學(xué)等單位也對極低頻/超低頻的電磁波響應(yīng)特征進(jìn)行了大量的研究，對極低頻/超低頻電磁場的理論場強(qiáng)計(jì)算方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展；由于極低頻/超低頻電磁波信號的收發(fā)距可在幾十公里至幾千公里的范圍，在計(jì)算極低頻/超低頻電磁場場強(qiáng)時(shí)同時(shí)需考慮地下電性結(jié)構(gòu)帶來的影響。在成功建設(shè)極低頻/超低頻試驗(yàn)臺并開展驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完善了極低頻/超低頻電磁場場強(qiáng)分析理論，為觀測點(diǎn)上電磁場場強(qiáng)的估計(jì)提供理論參考。

2)在觀測點(diǎn)上測量極低頻/超低頻電磁信號與大氣噪聲

極低頻/超低頻大氣噪聲的測試主要采用無線電磁探測儀，開展極低頻/超低頻電磁信號與大氣噪聲的測量，并計(jì)算出觀測點(diǎn)上極低頻/超低頻電磁信號與大氣噪聲的場強(qiáng)，為降噪方法研究奠定基礎(chǔ)。測試設(shè)備包括無線電磁探測儀一套、專用不極化電極四個(gè)、專用接地電極一個(gè)、專用磁場傳感器三根、還需配套筆記本、GPS天線、數(shù)據(jù)快速存儲設(shè)備等。在野外觀測點(diǎn)上的現(xiàn)場測試系統(tǒng)布置如圖1所示。

3)極低頻/超低頻大氣噪聲統(tǒng)計(jì)分析

由于極低頻/超低頻頻段受發(fā)射系統(tǒng)天線輻射效率、傳輸路徑以及接收環(huán)境等條件限制，進(jìn)一步提高發(fā)射信號強(qiáng)度存在困難，距離遠(yuǎn)時(shí)接收到的電磁信號往往十分微弱。而該頻段又是自然、人文干擾集中的頻率范圍，這給準(zhǔn)確測量該頻段的電磁信號帶來了很大的困難。

圖1 電磁探測接收裝置的系統(tǒng)布置示意圖

為了更好的完成信號提取和降噪處理的工作目標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)手段對極低頻/超低頻信號與大氣噪聲進(jìn)行現(xiàn)場采集，得到的數(shù)據(jù)再分析包括收發(fā)位置的影響、大氣噪聲的時(shí)域特征、大氣噪聲的統(tǒng)計(jì)特征等信息，還需在得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對已有大氣噪聲經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行評估，為信號提取和降噪處理工作做好準(zhǔn)備。

4)降噪處理方法研究

降噪處理分WEM發(fā)射信號處理與降噪方法、天然大地電磁場信號處理與降噪方法兩種不同目的分別進(jìn)行。

為了擴(kuò)大無線電磁探測方法的應(yīng)用范圍，增加探測精度，必須采取適當(dāng)?shù)姆椒ń档驮肼暩蓴_，才能提高信號的信噪比，改善接收信號的質(zhì)量。對目標(biāo)頻段內(nèi)電磁信號與大氣噪聲的時(shí)域和頻域特性進(jìn)行分析，得到長變化周期、噪聲模型、雷電脈沖等統(tǒng)計(jì)信息。在了解掌握噪聲特征及其規(guī)律后，通過信號仿真、實(shí)際資料處理，研究并選擇合理的降噪方案。

基于ROBUST估計(jì)原則的時(shí)域消噪技術(shù)、變換域處理技術(shù)、濾波技術(shù)、基于加權(quán)回歸算法等多種時(shí)域和頻域算法融合的分析方法，實(shí)現(xiàn)非平穩(wěn)信號的頻譜分析和降噪處理。

ROBUST算法的基本原理是地表以下特定方向上的電磁波比值具有長期穩(wěn)定的阻抗特性。該算法是對傳統(tǒng)最小二乘法的改進(jìn)，主要使用了尺度估計(jì)和適當(dāng)?shù)募訖?quán)系數(shù)，根據(jù)觀測誤差的大小對數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，注重未受干擾的數(shù)據(jù)，降低了異常點(diǎn)的權(quán)值，使功率譜估算質(zhì)量得到明顯的提高。

小波變換和HHT變換是近年用于瞬時(shí)信號處理的兩種重要變換域處理方法，對于改善和消除信號中的脈沖干擾有一定效果，而近場干擾和雷電脈沖等非高斯信號正是極低頻/超低頻頻段噪聲的主要來源。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)極低頻/超低頻電磁信號數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)處理工作需要合理設(shè)計(jì)陷波器、削波器、相關(guān)檢測以及非線形窄帶處理器等。軟件開發(fā)方面編制仿真、處理程序，利用Fourier變換等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，估計(jì)電磁信號的功率譜。利用現(xiàn)場采集的實(shí)測信號可作對比，驗(yàn)證信號處理部分設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。其關(guān)鍵技術(shù)包括相關(guān)檢測技術(shù)、功率譜及其誤差估計(jì)技術(shù)等。

2)極低頻/超低頻噪聲處理技術(shù)

極低頻/超低頻電磁噪聲主要包括電力干擾、天線噪聲、接收機(jī)噪聲以及大氣噪聲等，電力干擾可以采用窄帶工頻陷波器濾除基波和諧波的干擾，天線噪聲、接收機(jī)噪聲為固定噪聲可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來減小，而大氣噪聲具有很寬的頻譜，其特點(diǎn)有明顯的非高斯特性，因此降低大氣噪聲對提高整體接收信號質(zhì)量尤為重要。研究表明，大氣噪聲信號可以簡化為高斯背景噪聲加尖峰脈沖等非高斯噪聲組成的模型，針對大氣噪聲的非高斯特性，可以用削波器去除大的尖峰脈沖的影響，用非線性窄帶處理器處理后，通過相關(guān)檢測等軟、硬件方法求出大氣噪聲的功率譜，降低噪聲的干擾，提高電磁信號的信噪比。

3)存儲數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)

由于現(xiàn)場測試的時(shí)間很長，數(shù)據(jù)信息量十分龐大，存儲數(shù)據(jù)回放需采用快速回放技術(shù)，重放加速的影響使信號或噪聲的帶寬加大，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要增加校準(zhǔn)因子還原信號或噪聲測試時(shí)的場強(qiáng)，其關(guān)鍵技術(shù)為計(jì)算回放速度與校準(zhǔn)因子的比例關(guān)系等。

4 結(jié)語

基于大功率人工源的無線電磁探測技術(shù)的發(fā)展在我國剛剛起步，由于極低頻/超低頻信號通過地面與電離層之間的“波導(dǎo)”傳播，其信號衰減小，可以傳播數(shù)千公里范圍，因此通過把大功率人工源的無線電磁探測法與天然源大地電磁法結(jié)合起來進(jìn)行采集處理的方法，既補(bǔ)充了現(xiàn)有天然源MT方法接收信號弱，探測精度低的缺點(diǎn)，又補(bǔ)充了人工可控源音頻電磁法（CSAMT)設(shè)備笨重，探測深度淺（1～2km)覆蓋范圍小的缺點(diǎn)，將極大提高地質(zhì)勘探的工作效率和精度，可滿足能源和資源勘探、工程環(huán)境勘察、地震火山災(zāi)害監(jiān)測、地殼上地幔結(jié)構(gòu)探測、海洋和空間電磁測量等大深度探測的需求，為地球物理、空間物理和無線電物理等學(xué)科的研究提供了新的科學(xué)技術(shù)手段。

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