一种电磁大地冲激响应的辨识方法
【专利摘要】本发明公开了一种电磁大地冲激响应的辨识方法，按照Wiener-Hopf方程设计电磁大地冲激响应辨识系统，利用伪随机序列对人工源电磁方法发射波形进行编码并发射，在观测中对编码发射波形与响应观测信号进行同步采集，之后采用基于互相关辨识原理的方法，由收发信号中消除发射信号自相关旁瓣的复杂影响，实现对大地冲激响应的高精度辨识。与传统阶跃源激励方式相比，本发明的方法由收发互相关中去除发射波形自相关旁瓣影响，从而显著提高了电磁大地冲激响应的辨识精度。
【专利说明】-种电磁大地冲激响应的辨识方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及地球物理勘探领域，更具体地，设及一种电磁大地冲激响应的辨识方 法，该方法适用于由地球物理电磁勘探系统的观测数据中高精度地辨识出大地冲激响应， 尤其适用于基于编码发射电流的地球物理电磁勘探系统。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术地发展，研究人员面对的对象越发复杂，比如化学化工过程、生物医 学系统、社会经济系统、环境系统等，该些复杂的对象通常很难由理论分析的方法得到其数 学模型。对该类对象的研究就提出了一个问题；如何对该类对象的数学模型与参数进行辨 识？
[0003] 正是基于上述现实需求而产生了系统辨识理论与方法。系统辨识是现代控制论的 一个分支，它与状态估计、控制理论构成了现代控制论的=大支柱。从控制理论的角度出 发，系统辨识的通俗定义是根据被控对象或被辨识系统的输入、输出观测信息来估计它的 数学模型。凡是需要通过对系统的输入输出进行观测，利用观测数据对系统的数学模型与 重要参数进行研究的场合都属于系统辨识过程。
[0004] 电磁法作为地球物理勘探方法的一种，依赖外界源（包括人工源与天然源）对大 地媒质进行激励，通过观测大地媒质受到激励后产生的响应（传统上称作二次场）来建立 大地媒质电性参数随空间分布变化的模型。该个过程从现代控制论的角度看实际上就是一 个系统辨识的过程，其包括4个方面；激励源、信号观测、辨识模型的建立与系统辨识方法。
[0005] 对于常见的频率域方法，其激励源包括天然源和人工源（电流波形常见为占空比 为100%的双极性方波）；信号观测包括观测数据的采集与观测数据的处理，观测数据的 采集一般包括正交分布的电场观测和磁场观测，观测数据的处理一般包括滤波等预处理过 程；辨识模型的建立依据远区假设，使发射源在测点满足平面波条件，之后按照波阻抗模型 建立映射关系；系统辨识方法一般指基于最小二乘法的反演过程。
[0006] 对于常见的时间域方法，其激励源一般为人工源（电流波形常见为占空比非 100%的双极性方波、双极性半正弦W及占空比为100%的双极性梯形波、双极性S角波）； 信号观测包括观测数据的采集与观测数据的处理，观测数据的采集一般包括单分量或多分 量磁场观测和/或单分量或多分量电场观测，观测数据的处理一般包括平滑等预处理过 程；辨识模型的建立一般分为远区法和近区法，通过特定的收发及观测条件建立相对简化 的映射关系；系统辨识方法一般包括基于最小二乘法的反演过程W及基于简化算法的成像 过程。
[0007] 无论是频率域方法还是时间域方法，就整个辨识过程而言实际都可W被区分为两 个环节：第一个环节实现对电磁大地冲激响应的辨识，第二个环节实现由电磁大地冲激响 应对地下媒质电性参数分布模型的辨识。第一个辨识环节完全属于"黑箱"辨识，因为它只 能通过测试系统的响应数据进行辨识；第二个辨识环节属于"灰箱"辨识，因为电磁大地系 统响应与地下媒质电性参数分布之间的映射基本规律是掌握的（基于麦克斯韦方程组）， 但一些具体的机理尚未清楚，因此可称之为"灰箱"辨识。因为第二个辨识环节的输入信号 是第一个辨识环节的结果，因此第二个环节的辨识精度将很大程度上取决于第一个环节的 辨识精度。故此，如何提高第一个环节的辨识精度就对于整个辨识的精度具有重大意义。 [000引电磁法的辨识过程一般不具有实时性，按照系统辨识术语，属于离线辨识。离线辨 识对于输入信号具有一定要求，其最低要求是在整个观测周期内，系统的所有模态必须被 输入信号持续激励。该就是要求输入信号的带宽要能够覆盖辨识系统的带宽，输入信号带 宽相对于辨识系统带宽足够大，则对辨识系统的辨识也将更加精确。因此，为了能够更高精 度地实现系统辨识，就必须对输入信号进行设计，其包括输入信号的类型选择、幅值与带宽 等参数的选择。从该个角度观察常见的人工源电磁法激励波形，其在带宽、幅值等方面均有 欠缺之处。正是因为如此，越来越多的研究者考虑使用W具有最长循环周期的伪随机二进 制序列为代表的编码波形作为激励源波形。
[0009] 伪随机二进制序列（Pseudo Random Binary Sequence,简称PRB巧是对多种二进 制伪随机序列的总称，所谓二进制意味着序列中的每一个随机量只有1和0两个逻辑状态。 在所有PRBS中，有一类称作具有最长循环周期的线性移位寄存器序列（Maximal Length Sequence,简称m序列），因具具有近似白噪声的性质，工程上也易于实现，被广泛地用作系 统辨识的输入信号。
[0010] 在人工源电磁勘探中使用编码波形作为发射电流波形并非新鲜事物。早在二十世 纪^；：十年代，Quinw、^vewort、Lindsay 1^及Duncan就已经展开了基于编码电流波形的 人工源电磁勘探系统及方法的研究。在国内，何继善于1982年提出了《^^序列伪随机信号电 法，并于21世纪初对系统进行了进一步完善。1985年至1986年，中国地质大学电法科研组 在罗延钟教授的主持下，开展伪随机信号宽带激电仪的研制工作。上世纪九十年代，Strack 在其著作中也同样将伪随机编码作为L0TEM方法发射波形进行了研究，该项研究启发苏格 兰爱了堡大学的科研工作者于2004年左右推出了 MTEM系统。在过去十年时间里，国内基 于编码发射电流的勘探系统研究也方兴未艾，如赵碧如团队于2007年至2009年研制了适 用于矿产勘查的伪随机信号电阻率法和激电法仪器KGR。2013年启动的国家重大科研装备 研制项目"深部资源探测核屯、装备研发"，其子项目"多通道大功率电法勘探仪"展开基于m 序列编码电流波形的电法勘探装置研发。
[001U 利用m序列进行系统辨识的基本原理基于Wiener-Hopf方程。对于如图2所示的 一个线性时不变系统：
[0012] y (t) = z (t)+n(t) (13)
[0013] z (t) = g(t)*u(t) (14)
[0014] 其中u(t)为输入信号，g(t)为系统的冲激响应，z(t)为u(t)经过系统的输出信 号，n(t)为噪声，y(t)是包含噪声的输出信号。基于图2的系统描述，首先仅考虑u(t)与 Z (t)，Wiener-Hopf 方程可写为；
[0015] CR(z，U) = g*AR(u) (15)
[0016] 其中，CR(1，m)表示信号1与m的互相关，ARa)表示信号1的自相关。式（巧） 表示输入信号的自相关与系统冲激响应的卷积为输入信号与输出信号的互相关。考虑噪声 n，则有：
[0017] CR(y,u) = CR(z, u)+CR(n, u) = g*AR(u)+CR(n, u) (16)
[0018] 式（16)即为基本相关辨识方法的数学描述。w式（16)为基础选择输入信号，其 要求包括；首先，输入信号应具有随机性，使式中的CR(n，u)可忽略；其次，输入信号自相关 应具有类似5 (t)函数的形态，则可使g*AR(u)近似等于g(t)。
[0019] m序列能够较好地满足上述要求，因此成为一种常见的系统辨识输入信号。然而， 相对于5 (t)函数仅在一点上具有非零值的特性，即便m序列选择较高的编码阶数、较短的 码元宽度，其自相关序列尖峰两侧的非零旁瓣依然存在。该些旁瓣的影响复杂且无法忽略， 因此对于辨识精度有较高要求的EM方法，则不能简单引用式（16)进行大地冲激响应辨识。
[0020] 综上所述，使用m序列作为激励源波形对电磁大地脉冲响应进行的辨识，具有一 系列优势，比如高抗干扰性、更宽的带宽等。然而，对于使用基于m序列作为激励源波形的 系统，由于如何克服发射信号自相关旁瓣影响的方法尚不成熟，导致辨识精度不足。本发明 正是针对此问题，提出一种去除自相关旁瓣影响的方法，从而显著提高了对大地冲激响应 的辨识精度。
【发明内容】
[0021] 有鉴于此，本发明公开了一种电磁大地冲激响应的精确辨识方法，W从收发结果 中更加精确地辨识出大地电磁脉冲响应，
[0022] 为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种电磁大地冲激响 应的辨识方法，其特征在于，按照Wiener-Hopf方程设计电磁大地冲激响应辨识系统，利用 伪随机序列对人工源电磁方法发射波形进行编码并发射，在观测中对编码发射波形与响应 观测信号进行同步采集，之后采用基于互相关辨识原理的方法，由收发信号中消除发射信 号自相关旁瓣的复杂影响，实现对大地冲激响应的高精度辨识。
[0023] 作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种电磁大地冲激响应的辨识方法， 包括W下步骤：
[0024] 对人工源电磁方法发射波形进行编码；
[0025] 按照所述编码生成发射驱动信号；
[0026] W所述发射驱动信号驱动发射机进行发射；
[0027] 使用具有相同系统响应的记录装置或各装置间系统响应函数关系已知的记录装 置同时对所述发射机实际发射电流波形与观测到的响应信号进行记录存储；
[002引根据记录的所述发射机实际发射电流波形计算所述发射机实际发射电流波形的 自相关函数；
[0029] 根据记录的所述观测到的响应信号计算所述观测到的响应信号与所述发射机实 际发射电流波形的互相关函数；
[0030] 基于互相关辨识原理，通过数学方法消除发射信号自相关旁瓣的复杂影响，实现 对大地冲激响应的高精度辨识。
[0031] 其中，所述对人工源电磁方法发射波形进行编码的步骤是按照Wiener-Hopf方程 进行编码的。
[0032] 其中，所述对人工源电磁方法发射波形进行编码的步骤是采用伪随机二进制序 列，即m序列进行编码的。
[0033] 其中，所述计算发射机实际发射电流波形的自相关函数的步骤包括：
[0034] 计算AR(T,(t))，其中T,(t)为实际发射电流波形，ARa)表示信号1的自相关。
[0035] 其中，所述计算观测到的响应信号与发射机实际发射电流波形的互相关函数的步 骤包括：
[0036] 对馬(t)与Tx W做互相关计算：
[0037] CR (Rx (t)，Tx (t)) = CR (g (t) *1, (t)曲,(t)，Tx (t)) +CR (V，Tx (t)) (3)
[003引其中，实际发射电流波形为T,(t)、观测到的响应信号为R,(t) W及电磁大地冲激 响应为g(t)，I，(t)为发射机实际输出的发射电流波形，htf(t)为用于记录I，(t)的接收机 的系统响应，hf(t)为用于响应信号观测的接收机的系统响应，V为噪声，CR(l，m)表示信号 1与m的互相关。
[0039] 其中，所述具有相同系统响应的记录装置或各装置系统响应函数关系已知的记录 装置满足W下关系：
[0040] htr (t) = hr (t)妨
[0041] 或Mt)与hr(t)满足w下关系：
[00创 htr (t) = f (t) *hr (t)化）
[00创其中，f(t)为已知的、t(t)和hfU)的关系函数。
[0044] 其中，所述基于互相关辨识原理的方法，消除发射信号自相关旁瓣的复杂影响的 步骤包括：
[0045]
【权利要求】
1. 一种电磁大地冲激响应的辨识方法，其特征在于，按照Wiener-Hopf方程设计电磁 大地冲激响应辨识系统，利用伪随机序列对人工源电磁方法发射波形进行编码并发射，在 观测中对编码发射波形与响应观测信号进行同步采集，之后采用基于互相关辨识原理的方 法，由收发信号中消除发射信号自相关旁瓣的复杂影响，实现对大地冲激响应的高精度辨 识。
2. -种电磁大地冲激响应的辨识方法，包括以下步骤： 对人工源电磁方法发射波形进行编码； 按照所述编码生成发射驱动信号； 以所述发射驱动信号驱动发射机进行发射； 使用具有相同系统响应的记录装置或各装置间系统响应函数关系已知的记录装置同 时对所述发射机实际发射电流波形与观测到的响应信号进行记录存储； 根据记录的所述发射机实际发射电流波形计算所述发射机实际发射电流波形的自相 关函数； 根据记录的所述观测到的响应信号计算所述观测到的响应信号与所述发射机实际发 射电流波形的互相关函数； 基于互相关辨识原理，通过数学方法消除发射信号自相关旁瓣的复杂影响，实现对大 地冲激响应的高精度辨识。
3. 根据权利要求2所述的电磁大地冲激响应的辨识方法，其中所述对人工源电磁方法 发射波形进行编码的步骤是按照Wiener-Hopf?方程进行编码的。
4. 根据权利要求3所述的电磁大地冲激响应的辨识方法，其中所述对人工源电磁方法 发射波形进行编码的步骤是采用伪随机二进制序列，即m序列进行编码的。
5. 根据权利要求2所述的电磁大地冲激响应的辨识方法，其中所述计算发射机实际发 射电流波形的自相关函数的步骤包括： 计算AR(Tx(t))，其中Tx(t)为实际发射电流波形，AR(I)表示信号1的自相关。
6. 根据权利要求2所述的电磁大地冲激响应的辨识方法，其中所述计算观测到的响应 信号与发射机实际发射电流波形的互相关函数的步骤包括： 对艮(0与1；(〇做互相关计算： CR(Rx (t)，Tx (t)) =CR(g(t) *IW (t) *hr (t)，Tx (t))+CR(v，Tx (t)) (3) 其中，实际发射电流波形为Tx(t)、观测到的响应信号为Rx(t)以及电磁大地冲激响应 为g(t)，Iw(t)为发射机实际输出的发射电流波形，ht,(t)为用于记录Iw(t)的接收机的系 统响应，Mt)为用于响应信号观测的接收机的系统响应，V为噪声，CR(l，m)表示信号1与 m的互相关。
7. 根据权利要求2所述的电磁大地冲激响应的辨识方法，其中所述具有相同系统响应 的记录装置或各装置系统响应函数关系已知的记录装置满足以下关系： htr(t) =hr(t) (5) 或Mt)与^⑴满足以下关系：hr(t) =f(t)*hr(t) (6) 其中，f(t)为已知的ht,(t)和h,(t)的关系函数。
8. 根据权利要求7所述的电磁大地冲激响应的辨识方法，其中所述基于互相关辨识原 理的方法，通过数学方法消除发射信号自相关旁瓣的复杂影响的步骤包括：
且当htt(t)与匕⑴之间的关系如权利要求7所述时， 则式（4)可被矩阵化为： A=BG+cv (11) 其中：
Ng为辨识大地冲激响应的采样点数；nJPn2分别为a(n)和b(n)序列中最大值采样点 的序列号； 通过最小二乘法计算，将矢量G从矢量A中分离出来： G= (BtBK1BtA(12)， 由此得到的G实现了将发射信号自相关旁瓣的影响从收发互相关中去除，实现了对大 地冲激响应的高精度辨识。
9. 根据权利要求8所述的电磁大地冲激响应的辨识方法，其中在所述基于互相关辨识 原理的方法，消除发射信号自相关旁瓣的复杂影响的步骤中，对所述式（12)进行多次迭代 计算，以进一步提高辨识精度。
10. 根据权利要求8所述的电磁大地冲激响应的辨识方法，其中在所述基于互相关辨 识原理，消除发射信号自相关旁瓣的复杂影响的步骤之前还包括对数据进行去偏置处理， 即使用低通滤波将信号带宽限制在相应的范围内的步骤；以及 在完成辨识之后，还包括根据接收机采样频率对G的幅度进行修正，并对G曲线进行平 滑处理的步骤。
【文档编号】G01V3/08GK104502980SQ201410743525
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】武欣, 方广有, 薛国强, 底青云, 张一鸣 申请人:中国科学院电子学研究所, 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京工业大学