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.地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春130026)

0 引言

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

目前，在CSAMT實際勘探中，衰減噪聲干擾的方法主要有以下兩種:1)增大發(fā)射機的發(fā)射功率，該方法使二次信號幅值得到提升，但會加大發(fā)射機功耗，不能避免射頻干擾問題;2)提高接收機的抗干擾能力，該方法可適當(dāng)抑制干擾信號，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。

針對以上問題，根據(jù)發(fā)射信號與接收信號不同時刻對應(yīng)取值相關(guān)性強，與隨機噪聲相關(guān)性弱的特點，筆者提出了一個基于互相關(guān)算法壓制噪聲信號的方法。設(shè)計發(fā)射信號電流波形記錄器，記錄CSAMT測量系統(tǒng)發(fā)射電流信號，經(jīng)過模擬調(diào)理、數(shù)字處理后，與接收數(shù)據(jù)利用Matlab進行互相關(guān)運算，提取有效數(shù)據(jù)。該方法實現(xiàn)了CSAMT接收數(shù)據(jù)各頻率點幅度和相位參數(shù)的精確提取，提高了接收數(shù)據(jù)質(zhì)量，可有效抑制測量過程中環(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，快速高效等優(yōu)點，且更容易獲得對地變化較靈敏的相應(yīng)信息的特點。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，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場源，其發(fā)射頻率一般為萬赫茲到零點幾赫茲，分布式接收機放置在距離發(fā)射電極AB10 km左右的平行測線上。由于不同巖石的電導(dǎo)率存在差異，在電流流過時產(chǎn)生電位差，接收到不同供電頻率形成一次場電位。CSAMT基于麥克斯韋方程和電磁波傳播理論，即測量相互垂直的磁場分量和電場分量［3］，水平電場和垂直磁場的表達式為

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是探測地下不均勻體非常有效的物探方法。通過理論計算可為實際探測提供參考。CSAMT測量系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

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

2 發(fā)射信號電流波形記錄器設(shè)計

由式(1)、式(2)可知，CSAMT法在遠區(qū)觀測的水平電場和垂直磁場均與電流I成正比關(guān)系，可見電流是重要計算參數(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，考慮到國內(nèi)電法發(fā)射機實際勘探時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，以保證足夠的場強壓制干擾。為解決大范圍動態(tài)電流波形記錄問題，筆者設(shè)計采集范圍為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)射信號電流波形記錄器。

發(fā)射信號電流波形記錄器設(shè)計主要包括: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)射機發(fā)射的電流信號模擬調(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，通過總線連接接收控制命令并執(zhí)行，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的串行數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)換后暫存于靜態(tài)RAM中，通過USB將數(shù)據(jù)上傳于工控機中硬盤存儲，供后續(xù)處理［5］。發(fā)射信號電流波形記錄器硬件框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射信號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］采用多級程控放大電路，使信號動態(tài)范圍擴大。低噪聲、高速精準(zhǔn)型運算放大器LT1007將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并使用截止頻率為10 kHz的低通濾波器濾掉射頻干擾，以防止高頻信號混疊在低頻有用信號中。LT1352帶阻濾波器將信號中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放大10倍，通過差分放大電路抑制共模信號［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，使模擬信號數(shù)字化。AK5394AVS過采樣率為128倍，最高采樣率可達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USB單片機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USB傳送到工控機內(nèi)，形成二進制數(shù)據(jù)文件存儲于硬盤內(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］起到了一個重要的總線驅(qū)動作用，其內(nèi)部FIFO被分為低16位和高8位兩個空間，F(xiàn)IFO為先入先出堆棧式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)無需添加任何地址線，簡化了電路結(jié)構(gòu)。FPGA設(shè)計底層采用VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)語言編寫，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序。USB控制器選用CY68013-128AC［11］，實現(xiàn)工控機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，提高了運行速度，簡化了固件代碼的開發(fā)。

3 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計

3.1 信號互相關(guān)檢測原理

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

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)運算結(jié)果只含有同頻率正弦信號的幅度和相位，有效提取了目標(biāo)信號，噪聲得到抑制。理論上，為便于計算，可以建立幅度為1，相位相差90°，同頻率的兩個參考信號r1(t)和r2(t)，分別與待測信號f1(t)進行互相關(guān)運算，得到被測信號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

數(shù)據(jù)采集工作流程采用C語言固化在USB單片機內(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)采集的接收信號文件存儲于USB存儲器里，讀取其內(nèi)部工作配置表，選擇自動掃頻模式測量多個頻率點。為了避免信號波形與電流波形存在相位差，采取GPS時間同步采集技術(shù)［14］逐個掃描測量與發(fā)射信號相同的頻率點［15］，循環(huán)掃描后將接收數(shù)據(jù)傳送于工控機內(nèi)，以CMT文件格式存儲。發(fā)射數(shù)據(jù)通過USB上傳于工控機內(nèi)硬盤存儲，收發(fā)數(shù)據(jù)利用工控機中Matlab軟件中的XCORR函數(shù)進行互相關(guān)處理，并進行仿真。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 實驗測試及數(shù)據(jù)處理

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

圖6為測試數(shù)據(jù)曲線互相關(guān)前后對比圖，提取CSAMT測量部分接收數(shù)據(jù)，以及使用筆者設(shè)計硬件采集發(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?，接收信號記錄中含有較多強噪聲，致使記錄曲線不夠平滑。經(jīng)過互相關(guān)處理后，接收信號記錄中隨機噪聲得到衰減，有效數(shù)據(jù)突出，整體曲線平滑，未出現(xiàn)局部跳變點，這是因為在信號記錄中的隨機噪聲經(jīng)過濾波和相關(guān)算法得到了處理，剩下的就是弱能量的接收信號，即有效數(shù)據(jù)，信噪比有了提高。結(jié)果表明，互相關(guān)算法不僅能將隨機噪聲衰減，還可以突出有效數(shù)據(jù)，具有檢測弱信號的能力，顯著提高接收信號的信噪比，提高了CSAMT探測的工作效率。

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

5 結(jié) 語

理論分析和實際數(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記錄中的隨機噪聲、提高接收信號的信噪比，達到抑制噪聲的目的。在實際操作中，利用互相關(guān)算法的特點，使用Matlab軟件建立合理的互相關(guān)函數(shù)及參數(shù)，可以提高有效信號記錄的分辨率。互相關(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，在各種弱信號檢測中都可以發(fā)揮重要作用，具有較強的推廣性和實用性。

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