周逢道，周子平，于海明，楊 成

(吉林大學(xué)a.儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院;b.地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130026)

0 引言

CSAMT(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric)實(shí)際勘探時(shí)，測(cè)量條件和環(huán)境因素比較復(fù)雜，系統(tǒng)接收信號(hào)往往含有較多的噪聲和干擾。地面檢測(cè)到的環(huán)境噪聲大部分是寬頻帶的隨機(jī)噪聲，這種噪聲在整個(gè)頻率軸上廣泛分布，并且能量恒定，與目標(biāo)信號(hào)融合在一起，嚴(yán)重干擾了信號(hào)的清晰度。這也使在CSAMT勘查中常規(guī)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)難以用來(lái)壓制目標(biāo)信號(hào)中的各種噪聲，在噪聲干擾嚴(yán)重的礦區(qū)和郊區(qū)測(cè)量效果不佳。

目前，在CSAMT實(shí)際勘探中，衰減噪聲干擾的方法主要有以下兩種:1)增大發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，該方法使二次信號(hào)幅值得到提升，但會(huì)加大發(fā)射機(jī)功耗，不能避免射頻干擾問題;2)提高接收機(jī)的抗干擾能力，該方法可適當(dāng)抑制干擾信號(hào)，但其成本較高，不能有效解決瞬間干擾或常態(tài)下的高壓線干擾［1］等問題。

針對(duì)以上問題，根據(jù)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)取值相關(guān)性強(qiáng)，與隨機(jī)噪聲相關(guān)性弱的特點(diǎn)，筆者提出了一個(gè)基于互相關(guān)算法壓制噪聲信號(hào)的方法。設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)電流波形記錄器，記錄CSAMT測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬調(diào)理、數(shù)字處理后，與接收數(shù)據(jù)利用Matlab進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，提取有效數(shù)據(jù)。該方法實(shí)現(xiàn)了CSAMT接收數(shù)據(jù)各頻率點(diǎn)幅度和相位參數(shù)的精確提取，提高了接收數(shù)據(jù)質(zhì)量，可有效抑制測(cè)量過(guò)程中環(huán)境噪聲的影響。

1 CSAMT工作原理

相比于傳統(tǒng)的大地電磁法(MT:Magnetotelluric)和音頻大地電磁法(AMT:Audio-frequency Magnetotellurics)，CSAMT方法具有勘察深度大，分辨能力強(qiáng)，快速高效等優(yōu)點(diǎn)，且更容易獲得對(duì)地變化較靈敏的相應(yīng)信息的特點(diǎn)。該方法被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源、油氣資源、水資源以及煤炭資源的勘察。CSAMT系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)，接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)軟件處理系統(tǒng)［2］。CSAMT勘探時(shí)，發(fā)射系統(tǒng)由接地電極A、B向地下輸入某一音頻諧變電流作為激勵(lì)場(chǎng)源，其發(fā)射頻率一般為萬(wàn)赫茲到零點(diǎn)幾赫茲，分布式接收機(jī)放置在距離發(fā)射電極AB10 km左右的平行測(cè)線上。由于不同巖石的電導(dǎo)率存在差異，在電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生電位差，接收到不同供電頻率形成一次場(chǎng)電位。CSAMT基于麥克斯韋方程和電磁波傳播理論，即測(cè)量相互垂直的磁場(chǎng)分量和電場(chǎng)分量［3］，水平電場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)的表達(dá)式為

其中ρ為均勻半空間的電阻率，I為發(fā)射電流，l為極距，r為收發(fā)距離。根據(jù)

計(jì)算卡尼亞視電阻率和阻抗相位求取地下電阻的視電阻率［4］。其中ρs為視電阻率;φz為阻抗相位;和分別為的幅度和相位;μ為磁導(dǎo)率，ω為角頻率。

CSAMT是探測(cè)地下不均勻體非常有效的物探方法。通過(guò)理論計(jì)算可為實(shí)際探測(cè)提供參考。CSAMT測(cè)量系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 CSAMT測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 CSAMT measuring system working principle diagram

2 發(fā)射信號(hào)電流波形記錄器設(shè)計(jì)

由式(1)、式(2)可知，CSAMT法在遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè)的水平電場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)均與電流I成正比關(guān)系，可見電流是重要計(jì)算參數(shù)也是重要反演參數(shù)。CSAMT發(fā)射電流的頻率范圍一般在0.1 Hz～10 kHz，考慮到國(guó)內(nèi)電法發(fā)射機(jī)實(shí)際勘探時(shí)的供電電流在高頻段應(yīng)大于2.5 A，低頻段應(yīng)大于15 A，以保證足夠的場(chǎng)強(qiáng)壓制干擾。為解決大范圍動(dòng)態(tài)電流波形記錄問題，筆者設(shè)計(jì)采集范圍為0.1～50 A，頻率范圍為0.1 Hz～10 kHz，采集電流精度為0.1 A的發(fā)射信號(hào)電流波形記錄器。

發(fā)射信號(hào)電流波形記錄器設(shè)計(jì)主要包括:霍爾電流互感器，前置模擬調(diào)理采集電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA:Field Programmable Gate Array)數(shù)字邏輯控制電路。發(fā)射電流波形記錄器將發(fā)射機(jī)發(fā)射的電流信號(hào)模擬調(diào)理，并利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其數(shù)字化，采用FPGA作為接口電路，通過(guò)總線連接接收控制命令并執(zhí)行，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的串行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換后暫存于靜態(tài)RAM中，通過(guò)USB將數(shù)據(jù)上傳于工控機(jī)中硬盤存儲(chǔ)，供后續(xù)處理［5］。發(fā)射信號(hào)電流波形記錄器硬件框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射信號(hào)電流波形記錄器硬件原理框圖Fig.2 The emission current waveform recorder hardware principle diagram

2.1 前置模擬調(diào)理采集模塊

前置模擬調(diào)理采集電路［6］采用多級(jí)程控放大電路，使信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大。低噪聲、高速精準(zhǔn)型運(yùn)算放大器LT1007將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并使用截止頻率為10 kHz的低通濾波器濾掉射頻干擾，以防止高頻信號(hào)混疊在低頻有用信號(hào)中。LT1352帶阻濾波器將信號(hào)中50 Hz的工頻干擾限波，通帶增益為0。反相比例放大器將電壓信號(hào)放大10倍，通過(guò)差分放大電路抑制共模信號(hào)［7］。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

采用高速24位∑-Δ型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AK5394AVS為核心的采集卡，使模擬信號(hào)數(shù)字化。AK5394AVS過(guò)采樣率為128倍，最高采樣率可達(dá)216 kHz，短路噪聲為123 dB。該模塊是數(shù)據(jù)采集的核心部分，由于AK5394AVS采樣率和位數(shù)均高，對(duì)USB單片機(jī)的讀寫速度要求較高，占用其內(nèi)部的大量資源，因此，筆者采用FPGA完成AK5394與USB控制器的硬件接口，模數(shù)轉(zhuǎn)換器與USB通過(guò)大容量FIFO(First Input First Output)相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)嵌于FPGA內(nèi)部的高速FIFO［8］，再通過(guò)USB傳送到工控機(jī)內(nèi)，形成二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)于硬盤內(nèi)供后續(xù)處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件連接示意圖如圖3所示。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件連接圖Fig.3 Diagram of ADC hardware interface connection

2.3 數(shù)字邏輯處理模塊

數(shù)字邏輯處理模塊采用16位USB控制器和Altera公司的CycloneⅢ系列FPGA器件EP3C40Q240C8組成低功耗控制核心。FPGA［9，10］起到了一個(gè)重要的總線驅(qū)動(dòng)作用，其內(nèi)部FIFO被分為低16位和高8位兩個(gè)空間，F(xiàn)IFO為先入先出堆棧式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)無(wú)需添加任何地址線，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。FPGA設(shè)計(jì)底層采用VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)語(yǔ)言編寫，固化在FPGA片內(nèi)。EP3C40Q240C8完成USB控制器總線譯碼功能，并完成各板卡需要的控制時(shí)序。USB控制器選用CY68013-128AC［11］，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與各功能電路模塊的控制與數(shù)據(jù)傳輸。其內(nèi)部嵌入了增強(qiáng)型的8051微處理器，智能串行引擎(SIE)和USB2.0收發(fā)器，提高了運(yùn)行速度，簡(jiǎn)化了固件代碼的開發(fā)。

3 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)互相關(guān)檢測(cè)原理

設(shè)兩路同頻率的正弦信號(hào)f1(t)和f2(t)，分別疊加了噪聲n(t)和v(t)，隨機(jī)噪聲與正弦信號(hào)互不相關(guān)，隨機(jī)噪聲信號(hào)互不相關(guān)，表達(dá)式如下

則f1(t)和f2(t)的互相關(guān)函數(shù)為

式(7)中，互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算結(jié)果只含有同頻率正弦信號(hào)的幅度和相位，有效提取了目標(biāo)信號(hào)，噪聲得到抑制。理論上，為便于計(jì)算，可以建立幅度為1，相位相差90°，同頻率的兩個(gè)參考信號(hào)r1(t)和r2(t)，分別與待測(cè)信號(hào)f1(t)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到被測(cè)信號(hào)的幅度和相位分別如下

其中Rf1r1(0)為f1(t)和r1(t)的互相關(guān)函數(shù)，Rf1r2(0)為f1(t)和r2(t)的互相關(guān)函數(shù)［12，13］。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理工作流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集工作流程采用C語(yǔ)言固化在USB單片機(jī)內(nèi)。圖4為數(shù)據(jù)采集工作流程圖。系統(tǒng)上電后，初始化系統(tǒng)，使其進(jìn)入最佳的工作狀態(tài)，為后續(xù)互相關(guān)處理做準(zhǔn)備。將外設(shè)采集的接收信號(hào)文件存儲(chǔ)于USB存儲(chǔ)器里，讀取其內(nèi)部工作配置表，選擇自動(dòng)掃頻模式測(cè)量多個(gè)頻率點(diǎn)。為了避免信號(hào)波形與電流波形存在相位差，采取GPS時(shí)間同步采集技術(shù)［14］逐個(gè)掃描測(cè)量與發(fā)射信號(hào)相同的頻率點(diǎn)［15］，循環(huán)掃描后將接收數(shù)據(jù)傳送于工控機(jī)內(nèi)，以CMT文件格式存儲(chǔ)。發(fā)射數(shù)據(jù)通過(guò)USB上傳于工控機(jī)內(nèi)硬盤存儲(chǔ)，收發(fā)數(shù)據(jù)利用工控機(jī)中Matlab軟件中的XCORR函數(shù)進(jìn)行互相關(guān)處理，并進(jìn)行仿真。圖5為數(shù)據(jù)處理工作流程圖。

圖4 數(shù)據(jù)采集工作流程圖Fig.4 Flow chart of the data collection workflow

圖5 數(shù)據(jù)處理工作流程圖Fig.5 Flow chart of the data processing workflow

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

為了檢測(cè)基于互相關(guān)算法處理數(shù)據(jù)對(duì)CSAMT方法測(cè)量性能的影響，對(duì)青海貴德扎倉(cāng)寺地?zé)峥碧揭巴鉁y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)處理。

圖6為測(cè)試數(shù)據(jù)曲線互相關(guān)前后對(duì)比圖，提取CSAMT測(cè)量部分接收數(shù)據(jù)，以及使用筆者設(shè)計(jì)硬件采集發(fā)射數(shù)據(jù)并利用Matlab軟件與該組接收數(shù)據(jù)互相關(guān)處理后的結(jié)果利用Matlab成圖?？梢钥闯?，接收信號(hào)記錄中含有較多強(qiáng)噪聲，致使記錄曲線不夠平滑。經(jīng)過(guò)互相關(guān)處理后，接收信號(hào)記錄中隨機(jī)噪聲得到衰減，有效數(shù)據(jù)突出，整體曲線平滑，未出現(xiàn)局部跳變點(diǎn)，這是因?yàn)樵谛盘?hào)記錄中的隨機(jī)噪聲經(jīng)過(guò)濾波和相關(guān)算法得到了處理，剩下的就是弱能量的接收信號(hào)，即有效數(shù)據(jù)，信噪比有了提高。結(jié)果表明，互相關(guān)算法不僅能將隨機(jī)噪聲衰減，還可以突出有效數(shù)據(jù)，具有檢測(cè)弱信號(hào)的能力，顯著提高接收信號(hào)的信噪比，提高了CSAMT探測(cè)的工作效率。

圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)曲線互相關(guān)前后對(duì)比圖Fig.6 Before and after cross-correlation test data curves contrast figure

5 結(jié) 語(yǔ)

理論分析和實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，互相關(guān)算法應(yīng)用在CSAMT中可以衰減接收器接收信號(hào)記錄中的隨機(jī)噪聲、提高接收信號(hào)的信噪比，達(dá)到抑制噪聲的目的。在實(shí)際操作中，利用互相關(guān)算法的特點(diǎn)，使用Matlab軟件建立合理的互相關(guān)函數(shù)及參數(shù)，可以提高有效信號(hào)記錄的分辨率?；ハ嚓P(guān)算法應(yīng)用廣泛，不僅可以應(yīng)用于可控源音頻大地電磁法的數(shù)據(jù)處理中，在各種弱信號(hào)檢測(cè)中都可以發(fā)揮重要作用，具有較強(qiáng)的推廣性和實(shí)用性。

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