专利名称：一种弹性波透地信号的分集接收方法
技术领域：
本发明涉及地质勘探与透地通信技术领域，特别涉及一种弹性波透地信号的分集 接收方法。
背景技术：
在透地通信系统中，采用单频弹性波作为载波，将信息通过扩频调制波承载，用大 地耦合扬声器将已调波以P波的形式耦合到大地中。在接收端，发现较多频点接收信号与 发射信号的强度密切相关，同时，接收信号中不仅含有与发送端相同的P波分量，还有与发 送信号密切相关的S波和R波信号。查阅地震波传播的相关理论和地质勘探的相关理论， 发现部分文献中也有该现象的描述。虽然频率迁移和模式转换的机理还不清楚，但其对弹 性波信号在大地中传输特性影响是明显的。弹性波在各向同性的弹性介质中有良好的传输特性，但是，实际的大地信道是复 杂多变的。介质中存在着不连续界面，而且构造相当复杂，弹性波在介质中的传播速度变化 剧烈，在多层介质、弯曲和倾斜界面以及在临界折射层中存在速度梯度，从而导致传递信息 频率和相位等参数的改变。大地介质中，除了少数的各向同性弹性介质以外，还存在各向异性弹性介质、非均 勻各向同性弹性介质、黏弹性介质以及含流体孔隙的介质。对于那些由本身就是各向异性 的晶体或具有一定取向排列的各向同性矿物颗粒形成的岩石固体，由不同各向同性的薄互 层组合而成的水平或倾斜的沉积岩，以及存在着定向的应力和定向排列的垂直或倾斜裂隙 所构成的岩石固体，当它们的特征长度远小于弹性波波长时，在这类岩石中传播的弹性波 便会表现为各向异性。同时，部分大地介质的压电效应明显，部分薄地层的波导效应明显， 部分特殊地质结构具有弹性波谐振特性。据分析大地信道的压电效应、波导效应和谐振腔 效应是该信道的专属特性，是普通无线通信所不具备的，也是使弹性波产生频率迁移和传 输模式转换的主要原因。移动通信系统中使用的分集技术是抗衰落的最有效措施之一。它利用接收信号在 结构上和统计特性上的不同特点来加以区分，并按照一定的规律进行集合与合并处理来实 现抗衰落。其中，频率分集(带内分集)利用不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不 相关特性，来实现抗衰落的功能。实现时，将待发送的信息分别调制在相互间隔的不同频率 的载波上发射。基于扩频通信技术的地质勘探和透地通信系统所使用的低频弹性波正符合 此条件。使用多径分集的接收技术，能够利用多径信号的互不相关性，分集合并各径信息， 从而抑制大地信道的多径衰落，最终达到提高接收机的检测性能的目的。短波通信和微波中继研究领域，采用空间分集方式，利用多个天线单元分集接收 同一个发射源信号，将多个天线接收的信号合成得到信号总接收功率的提升。该分集接收 方法可以有效地对抗大气介质的传播特性改变引起的衰落。上述分集接收技术均没有考虑多模式信号和多迁移载波信号，本发明正是为了解 决弹性波多模多频分集接收问题的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种弹性波透地信号的分集接收方法，该接收方法通过分集合并多模信号和多迁移载波信号，有效抑制大地信道的多模衰落和频率迁移衰落。本发明为实现上述目的，采用的技术解决方案是一种弹性波透地信号的分集接收方法，包括信道探测步骤和信息传输步骤；信道探测步骤包括(1)选定频点和序列码，将探测信号基于该序列码和频点扩频调制到某一载波上， 并对载波信号进行放大；(2)根据步骤(1)放大后的载波信号，由扬声器(弹性波发射天线)转化为弹性P 波耦合到大地信道进行传输；(3)根据步骤(2)经过大地信道传播后的信号，分别用P波拾音器、SH波拾音器、 SV波拾音器和R波拾音器进行接收，把各拾音器得到的微弱弹性波信号转化为电信号；(4)根据步骤(3)得到的四种电信号，由迁移频率点扫描模块通过改变本振频率 的方式，搜索各峰值功率点，并判断各峰值功率点与步骤(1)载波信号密切相关，从而判定 本地域大地信道的迁移频率点，将P波、SH波、SV波和R波的迁移频率点与步骤(1)载波信 号频点对应，作为信道参数记录在本地域信道参数库中；(5)重复步骤⑴至⑷得到各种频点载波信号下P波、SH波、SV波和R波的迁 移频率点，建立了本地域信道参数库；信息传输步骤包括①选定序列码，将待传输信息基于该序列码扩频调制到某一载波上，并对已调载 波信号进行放大；②根据步骤①放大后的载波信号，由扬声器(弹性波发射天线)转化为弹性P波 耦合到大地信道进行传输；③根据步骤②经过大地信道传播后的信号，分别用P波拾音器、SH波拾音器、SV波 拾音器和R波拾音器进行接收，把各拾音器得到的微弱弹性波信号转化为电信号；④根据步骤③得到的电信号，由选频放大器根据本地域信道参数库中信道参数进 行选频滤波放大后，送入解调与时域均衡模块；⑤解调与时域均衡模块根据本地域信道参数库中信道参数选定本振频率进行解 调处理及均衡处理，由能量合成与相关解扩模块，收集分散在P波、SH波、SV波、R波的各频 点上的信号能量重新合成，并对接收到的信号进行检测，将扩散的信号能量分离、处理、合 并，之后依据步骤①选定序列码进行解扩译码，还原传输信息。本发明名词传输模式弹性波在大地中传播时，将以纵波(P波)、横波(S波)和R波的形式 传输，我们把这些传播方式称为传输模式，其中横波(S波)分为SH波和SV波，SH波为垂 直于地面的横波，SV波为平行于地面的横波。频率迁移单一频率的弹性波经大地中传播后，在接收端会收到多个频率信号，也 就是说弹性波的频率发生改变，我们称该现象为频率迁移，与发射频率不同的接收信号频 率称为迁移频率。
有效载波因弹性波在大地中传播时会出现频率迁移现象，在接收信号中那些能 够被检测到且承载有用信息的频率点叫有效载波。本发明的弹性波多模多频分集接收方法由4个不同模式的拾音器和分集接收机 完成，拾音器位于大地信道接收端一侧的地层上或地层内，弹性波信号被拾音器接收后转 换成电信号，接收机是本发明的主要设备，为了完成通信或地质勘探任务，一个与本发明匹 配的扩频弹性波发射机是必备的。包含信道探测和信息传输两部分，信道探测是在通信链路建立之前必备的过程。因为大地信道是一参数变化很慢的信道(即恒参信道)，而地域不同，信道参数又存在非 常大的差异，在通信链路建立之前进行信道探测不仅可以大大降低接收端的信道估计复杂 度，而且便于选定适合本地域的子信道，尽可能地减小弹性波在传输过程中的能量损耗。因为大地介质的特殊性决定了，弹性波在大地中传播时受部分介质的压电效应、 部分地层的波导效应和特殊地质结构的谐振腔效应的影响，其传输模式会发生转换，在某 一频率的激励下会产生与震源密切相关的新频率信号。信道探测的任务就是通过探测过程 将本地域的模式转换情况以及各频率成份发生频率迁移的情况“普查”清楚，为系统工作频 率的选定和模式选择奠定基础。信息传输是地质勘探或透地通信的关键部分，其过程与信道探测非常类似，只是 目的不同。本发明就是尽可能地收集分散在多个传输模式和多个迁移频率点的信号能量， 提高接收灵敏度。无论信道探测还是信息传输，在发送端配置一扩频发射机，根据多址和通信质量 需求的需要，发送端和接收端选用相同的扩频序列码。在接收端，拾音器连接低噪声放大器和选频滤波器，低噪声放大器和选频滤波器 连接多模多频分集接收机，信号经过接收机的分离、处理、合并后输出还原信号。上述的拾音器嵌入到大地信道接收端一侧的地层内。经过大地传播和各个地层分 界面反射后不同模式的弹性波信号通过多个按照不同模式设置的拾音器进行接收，并把得 到的微弱振动信号转化为电信号。拾音器输出的电信号经过低噪声放大和选频滤波去除噪声和干扰。然后，采用多 模多频接收机对接收到的信号进行相关检测，将扩散的信号能量分离、处理、合并，并加以 有效利用，提高抗干扰能力，克服衰落现象，增加接收功率。接收机中的多个数据解调器对已搜索到的多个最强频点进行数据解调、PN码解扩 与复相关运算，并将结果输出，送入频点与模式合并器进行合并，即进行分集合并，再进行 译码，生成还原信号。而且，每个数据解调器内还有一个子单元，用于跟踪回路对模式和频点相位进行解调。本发明的有益效果本发明提出的一种多模多频分集接收方法，它采用相关频率分集的方式，在大地 信道接收端将分散在各个模式和频点中的互相独立的信号有机的合并在一起，从而提高了 接收端的信干噪比(SNIR)。本发明提出的一种多模多频分集接收方法，根据宽带扩频信号的相关理论，设计 适当扩频比的扩频信号和相应的多模多频接收的信号处理方式，在信号接收端对所有接收模式的所有子迁移载波信号进行分集接收，以提高接收增益，并通过分集合并多径信息，从而抑制大地信道的多径衰落，将大地信道中实际扩散的信号能量分离、处理、合并，并加以 有效利用，解决了地质勘探和透地通信系统中由于地层结构的复杂多变所导致的反射信号 微弱和接收困难的问题，提高了接收机的检测性能。
图1是分集接收方法信道探测原理框图。图2是分集接收方法信息传输原理框图。
具体实施例方式一种弹性波透地信号的分集接收方法，包括信道探测步骤和信息传输步骤；信道探测步骤包括(1)选定频点和序列码，将探测信号基于该序列码和频点扩频调制到某一载波上， 并对载波信号进行放大；(2)根据步骤(1)放大后的载波信号，由扬声器(弹性波发射天线)转化为弹性P 波耦合到大地信道进行传输；(3)根据步骤(2)经过大地信道传播后的信号，分别用P波拾音器、SH波拾音器、 SV波拾音器和R波拾音器进行接收，把各拾音器得到的微弱弹性波信号转化为电信号；(4)根据步骤(3)得到的四种电信号，由迁移频率点扫描模块通过改变本振频率 的方式，搜索各峰值功率点，并判断各峰值功率点与步骤(1)载波信号密切相关，从而判定 本地域大地信道的迁移频率点，将P波、SH波、SV波和R波的迁移频率点与步骤(1)载波信 号频点对应，作为信道参数记录在本地域信道参数库中；(5)重复步骤⑴至⑷得到各种频点载波信号下P波、SH波、SV波和R波的迁 移频率点，建立了本地域信道参数库；信息传输步骤包括①选定序列码，将待传输信息基于该序列码扩频调制到某一载波上，并对已调载 波信号进行放大；②根据步骤①放大后的载波信号，由扬声器(弹性波发射天线)转化为弹性P波 耦合到大地信道进行传输；③根据步骤②经过大地信道传播后的信号，分别用P波拾音器、SH波拾音器、SV波 拾音器和R波拾音器进行接收，把各拾音器得到的微弱弹性波信号转化为电信号；④根据步骤③得到的电信号，由选频放大器根据本地域信道参数库中信道参数进 行选频滤波放大后，送入解调与时域均衡模块；⑤解调与时域均衡模块根据本地域信道参数库中信道参数选定本振频率进行解 调处理及均衡处理，由能量合成与相关解扩模块，收集分散在P波、SH波、SV波、R波的各频 点上的信号能量重新合成，并对接收到的信号进行检测，将扩散的信号能量分离、处理、合 并，之后依据步骤①选定序列码进行解扩译码，还原传输信息。结合附图配合硬件具体说明本发明分集接收方法的应用。如图1所示，硬件系统由扩频发射机、P波扬声器、P波拾音器、SH波拾音器、SV波拾音器、R波拾音器、低噪声放大器、迁移频率扫描模块、各模式有效迁移频点识别模块和信道探测控制器组成。信道探测过程是在信道探测控制器的协调控制下完成的。发送端利用 选定的频点和随机序列码将探测信号调制后，通过P波扬声器耦合到大地中。各拾音器把 接收到的微弱振动信号转化为电信号，经过低噪声放大器，去除噪声和干扰。各模式有效迁 移频点识别模块通过调整本振频率，对频段内的所有频点进行扫描，搜索各峰值功率点。通 过检波、低通滤波和相关滤波等信号处理环节，根据判决规则判定各峰值功率点是否与发 射信号密切相关，从而判定本地域大地信道的有效迁移频点。将这些频点和模式与发射信 号频点相对应，作为信道参数记录在数据库中。如图2所示，硬件系统由扩频发射机、P波扬声器、P波拾音器、SH波拾音器、SV波 拾音器、R波拾音器、选频放大器、解调与时域均衡模块和各频点能量合成与相关解扩模块 组成。扩频发射机发射的待传输信号通过大地信道后，能量分散到多个传输模式和多个频 点上。各拾音器将弹性波信号转换成电信号；选频放大器根据本地域信道参数库中信道参 数提供的频点进行选频滤波，放大后送解调与时域均衡模块；解调与时域均衡模块根据本 地域信道参数库中信道参数选定本振频率进行解调处理，并依据经典通信理论进行均衡处 理；在能量合成与相关解扩模块，分散在各模式和各频点上的信号能量重新合成，并对接收 到的多模多频点信号进行相关检测，将扩散的信号能量分离、处理、合并，并进行译码，还原 传输信息。虽然大地信道不均勻性很强，不同地层介质岩性差别很大，但一定区域在不同时 间内的传输特性又非常稳定。本发明的分集接收方法在信号接收端对所有接收子载波信号 进行分集接收，以提高接收增益，并通过分集合并多模和多频点信息，抑制大地信道的多模 与多频衰落，将实际扩散的信号能量分离、处理、合并，并加以有效利用。经过数据处理和 译码后可完全恢复原信号，解决了地质勘探和透地通信系统中由于地层结构的复杂多变导 致的反射信号微弱、多模衰落、多迁移频率衰落和接收困难的问题，改善了接收机的检测性 能，进一步提高了地质勘探和透地通信系统的有效性和可靠性。当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领 域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的 保护范围。
权利要求
一种弹性波透地信号的分集接收方法，其特征在于所述分集接收方法包括信道探测步骤和信息传输步骤；信道探测步骤包括(1)选定频点和序列码，将探测信号基于该序列码和频点扩频调制到某一载波上，并对载波信号进行放大；(2)根据步骤(1)放大后的载波信号，由扬声器(弹性波发射天线)转化为弹性P波耦合到大地信道进行传输；(3)根据步骤(2)经过大地信道传播后的信号，分别用P波拾音器、SH波拾音器、SV波拾音器和R波拾音器进行接收，把各拾音器得到的微弱弹性波信号转化为电信号；(4)根据步骤(3)得到的四种电信号，由迁移频率点扫描模块通过改变本振频率的方式，搜索各峰值功率点，并判断各峰值功率点与步骤(1)载波信号密切相关，从而判定本地域大地信道的迁移频率点，将P波、SH波、SV波和R波的迁移频率点与步骤(1)载波信号频点对应，作为信道参数记录在本地域信道参数库中；(5)重复步骤(1)至(4)得到各种频点载波信号下P波、SH波、SV波和R波的迁移频率点，建立了本地域信道参数库；信息传输步骤包括①选定序列码，将待传输信息基于该序列码扩频调制到某一载波上，并对已调载波信号进行放大；②根据步骤①放大后的载波信号，由扬声器(弹性波发射天线)转化为弹性P波耦合到大地信道进行传输；③根据步骤②经过大地信道传播后的信号，分别用P波拾音器、SH波拾音器、SV波拾音器和R波拾音器进行接收，把各拾音器得到的微弱弹性波信号转化为电信号；④根据步骤③得到的电信号，由选频放大器根据本地域信道参数库中信道参数进行选频滤波放大后，送入解调与时域均衡模块；⑤解调与时域均衡模块根据本地域信道参数库中信道参数选定本振频率进行解调处理及均衡处理，由能量合成与相关解扩模块，收集分散在P波、SH波、SV波、R波的各频点上的信号能量重新合成，并对接收到的信号进行检测，将扩散的信号能量分离、处理、合并，之后依据步骤①选定序列码进行解扩译码，还原传输信息。
全文摘要
本发明提出了一种弹性波透地信号的分集接收方法，它是应用在勘探和透地通信领域中的一种分集接收技术。它采用多模式接收和多频点接收分集的方式，在大地信道接收端将分散在各个频点和各个传输模中的信号有机的融合在一起，从而提高了接收端的信噪比(SNIR)。弹性波在大地介质中传输过程中，因地介质的压电效应、波导效应和谐振腔效应的影响，其传播模式会发生变化，频率会发生迁移；本发明提出的方法收集分散在各个模式和频点上的信号能量，以提高接收增益，并通过分集合并多模和多频信息，抑制弹性波在大地介质中的衰落，最终达到提高接收机的检测性能的目的。
文档编号H04B1/69GK101826905SQ201010166130
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者丁庆安, 吕文红, 杨军, 王婷, 王正杰, 郝建军, 郭银景 申请人:山东科技大学