0 引 言

作为地球物理勘探的一种重要方法，电法勘主要针对勘探目标的电性特征，利用已知的可控(可测)电磁信号或电流在勘探目标所在介质区域产生电(磁)场，通过测量勘探目标的对激励电(磁)场的响应，分析和了解勘探目标的导电(导磁、极化)性质.矿山开采需要了解地层及其富(通)水性、构造破碎带、采空区、塌陷区，或在其深部和周边寻找新的矿产资源量；新建铁路线需要路基勘查；油气勘探中需要通过电法勘探获取油气储层的电性参数以评价储层的含油气性，油田开发压裂中需要检测压裂效果；钻井过程中需要查证漏水漏油程度.这些最需要勘查的地方，往往存在严重的电磁干扰，然而现有的电法(电磁法)、磁法均难以获得令人满意的结果.如何减少甚至克服电磁干扰，提高电(磁)法仪器的抗干扰能力已成为电法勘探方法亟待解决的重要技术难题.

地球物理仪器的研制目前越来越受到我国学界的重视和国家层面的关怀，并开始取得成效(罗先中等，2011；刘鹏等，2013；王琦等，2013；万玲等，2013；肖立志等，2013；张启升等，2013；朱万华等，2013).伪随机编码技术是广泛应用于航天遥测和现代通讯领域中的一项抗电磁干扰技术(李仲令，2006).国内外地球物理界一些有识之士早就意识到该技术在提高地球物理电法仪器抗干扰能力方面的应用潜力(Duncan P等，1980).何继善院士有专著论述，并推出了伪随机信号激电仪(何继善，2010)；谢丽等人也对扩频、相关检测、解扩技术在瞬变电磁法中的应用进行过研究与探讨(胡文宝等，2007).2006年Larose等人对国际上伪随机波场相关技术的地球物理中的应用进行了综述报道( Larose E等，2006).但现代通信中的抗干扰技术绝非仅靠某种单一的方法，而需要多方面技术的综合应用( Barbier M等，1973).本文重点讨论伪随机码扩频发送、相关检测、过采样等技术在抗干扰电法仪的硬件系统和处理算法中的实现及压制电磁干扰的应用效果.

图 1

图 1 相关叠加抑噪提高信噪比原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of noise depression by correlation superimposing

编码电法仪设计的基本思路是：向地下发射伪随机编码的脉冲信号(查光明等，1990；罗先中等，2011)，利用相关叠加抑噪技术(李银永等，2011)压制干扰，实现微弱信号的检测和参数提取；采用过采样技术降低系统的量化噪声，提高数据采集的精度.

1.1 相关叠加抑噪

假定勘探目标及其所在介质区域为线性时不变系统，则电法勘探采集数据的数学过程可表示为

将仪器获得的测量信号y(t)与激励源信号u(σ)进行褶积，得到

由于使用的激励源信号是伪随机时间序列，为脉冲函数，因此，上式又可表示为

1.2 过采样技术

当信号的采样频率高于奈奎 斯特(Nyquist)采样频率时，称为过采样.除应用相关叠加抑噪技术提升信噪比外，编码电法仪还采用了过采样技术，过采样技术通过数字平均来减小折合到输入端的噪声，提高信噪比，从而提高分辨率，提高数据采集的精度(赵成岭等，2008；马玲等，2009).

在一个过采样率为k的过采样系统中，采样将通过过采样率k来抽取.经公式(5)运算，提高后的效果见表 1.采样率每增加1倍，通过过采样可以增加信噪比3 db.

表1(Table 1)

表 1 过采样方法提高信噪比的效果 Table 1 The effect of improving signal-to-noise by over sampling 过采样率系数 信噪比提高 扩展的分辨率 2 3 0.5 4 6 1.0 8 9 1.5 16 12 2.0 32 15 2.5 64 18 3.0 128 21 3.5 256 24 4.0 512 27 4.5 1024 30 5.0 2048 33 5.5 4096 36 6.0

表 1 过采样方法提高信噪比的效果 Table 1 The effect of improving signal-to-noise by over sampling

当前的电法勘探仪器在噪声功率为信号功率2倍的前提下，几乎不可能进行有效观测.而在进行仿真设计时，采用噪声功率为信号功率2倍的信号源进行信号源模拟(吴明捷等，2002；郭海燕等，2004；王玉德等，2010).

图 2为利用MATLAB软件在无干扰情况下对于伪随机信号进行相关检测的仿真结果，信噪比提高明显，快速傅里叶变换(FFT)后得到的幅频曲线和相频曲线都呈现很明显的周期变化，因此可以作为标准曲线来进行对比分析.

图 2

图 2 无干扰情况下对于伪随机信号进行 相关检测的仿真结果 (a)FFT后幅频曲线；(b)进行相关检测后的信号； (c)FFT后相频曲线；(d)无干扰情况下发出的信号. Fig. 2 The simulation results of pseudo-r and om signal by related detection method with no interference (a)Amplitude frequency curve after FFT;(b)The signal after related detection processing;(c)Phase frequency curve after FFT;(d)The signal with no interference.

图 3是在强噪声(噪声强度为信号强度的2倍)情况下的仿真结果，观测波形被严重干扰，进行相关检测后信号被检出，但是噪声水平很高.在强干扰条件下仅仅采用相关检测技术不能完全解决干扰问题.

图 3

图 3 强干扰(噪声强度是信号强度的2倍)情况下 对于伪随机信号进行相关检测的仿真结果 (a)FFT后幅频曲线；(b)相关检测后的信号；(c)FFT后 相频曲线；(d)强干扰信号与原信号叠加情况下的信号. Fig. 3 The simulation results of pseudo-r and om signal by related detection method with strong interference (The noise intensity is two times as the signal intensity) (a)Amplitude frequency curve after FFT;(b)The signal after related detection processing;(c)Phase frequency curve after FFT;(d)The signal produced by the overlay of strong interference signal and the original signal.

图 4(过采样系数k=100)和图 5(过采样系数k=1000)显示的是对于伪随机信号进行过采样后，再进行相关检测的仿真结果.可以看出压制干扰信号的效果明显，FFT后得到的幅频曲线和相频曲线，呈现很明显的周期变化.与无干扰情况下标准曲线进行对比发现：曲线形态一致，还原了信号本象，抗干扰效果明显.

图 4

图 4 强干扰(噪声强度是信号强度的2倍)情况下 对于伪随机信号进行过采样(过采样率为100)和 相关检测后的仿真结果 (a)FFT后幅频曲线；(b)过采样(过采样率为100)和 相关检测后的信号；(c)FFT后相频曲线； (d)强干扰信号与原信号叠加情况下的信号. Fig. 4 The simulation results of pseudo-r and om signal after over sampling(over sampling rate is 100) and related detection with strong interference(The noise intensity is two times as the signal intensity) (a)Amplitude frequency curve after FFT;(b)The signal after over sampling(over sampling rate is 100) and related detection processing;(c)Phase frequency curve after FFT; (d)The signal produced by the overlay of strong interference signal and the original signal.

图 5

图 5 强干扰(噪声强度是信号强度的2倍)情况下 对于伪随机信号进行过采样(过采样率为1000) 和相关检测后的仿真结果 (a)FFT后幅频曲线；(b)过采样(过采样率为1000)和 相关检测后的信号；(c)FFT后相频曲线； (d)强干扰信号与原信号叠加情况下的信号. Fig. 5 The simulation results of pseudo-r and om signal after over sampling(over sampling rate is 1000) and related detection with strong interference (The noise intensity is two times as the signal intensity) (a)Amplitude frequency curve after FFT;(b)The signal after over sampling(over sampling rate is 1000) and related detection processing;(c)Phase frequency curve after FFT; (d)The signal produced by the overlay of strong interference signal and the original signal.

综上仿真结果可以看出，抗干扰编码电法仪通过采用伪随机编码信号的相关叠加，压制带内干扰，同时利用过采样技术压制带外干扰，二者结合使用，能够有效压制强干扰. 3 系统的实现

编码电法仪通过发射机向地下发送具有伪随机码特性的电流波形作为激励信号，接收机接收由激励信号产生的电压信号.利用发送的伪随机编码电流序列对接收信号做互相关处理得到大地响应函数，然后对发送的激励信号和提取的大地响应函数做快速傅立叶变换(FFT)，分别得到其幅频和相频特征曲线.用大地响应的相频特征曲线的各频点值减去发送的激励信号的相频特征曲线相应频点值，得到各个频点的绝对相位值φ_s(刘晓娟等，2003；曾兴雯等，2004)，用大地响应的幅频特征曲线各频点值除以发送的激励信号的幅频特征曲线对应频点的值，再乘以装置系数K即得到视电阻率值为

3.1 发射机设计

伪随机编码电法仪发送机由以下8个部分组成，如图 6所示：大规模可编程逻辑器，时钟同步电路，逻辑时序发生器，自采样处理电路，直流电源，驱动电路及保护电路，控制计算机.

图 6

图 6 发射机结构组成框图 Fig. 6 Block diagram of transmitter structure

大规模可编程逻辑芯片是发射机的数学运算和逻辑控制的重要单元，它要完成伪随机码的形成、供电数据的采样、滤波、相关计算、时钟同步、数据后处理计算等功能.其主要功能框图如图 7所示.

图 7

图 7 发射机大规模可编程逻辑芯片功能框图 Fig. 7 Functional block diagram of the large-scale programmable logic chips of transmitter

电流信号通过AD采样电路变成数字信号，数字信号通过零点漂移校正，温度系数校正，卷积处理自相关形成脉冲过渡函数.脉冲过渡函数再经过傅立叶变换形成电流信号的幅频和相频曲线.

同步信号是GPS模块输出的秒脉冲信号，秒脉冲信号经过本地的数字锁相环把本地时钟同GPS时钟同步.

发射机的主要功能如下：

(1)发射机发送的伪随机码波形可以按照不同的码长、本源多项式、码速率和初相任意选择确定，可以针对不同地区的干扰情况选择合适的伪随机码波形取得满意的信噪比，从而能很好压制生产矿山工业电磁干扰，可在生产矿山深边部开展勘探.

(2)同一地区工作的多台测量装置可以选择不同的码长和本源多项式工作，解决了电法勘探仪器互为干扰源从而不能同时工作的问题.

(3)发射机和接收机精确同步，保证了接收机和发射机起始相位相同，可实现多个频率的振幅、绝对相位、相对相位谱精确测量，可根据所测得的谱特征准确判别地下异常源性质，进行找矿.

(4)测量装置的抗干扰设计为降低主动源的功率提供了可能，实现了轻便化和可一机发送多机接收工作方式，能满足快速大面积勘查，特别是降低了在西部荒漠和高山地区的劳动强度，同时提高了工作效率.

3.2 接收机设计

接收机的原理框图如图 8所示，它主要由滤波及保护电路、放大及AD采样电路、数据处理及滤波电路、时钟同步电路、数据显示及控制计算机组成.

图 8

图 8 接收机结构组成框图 Fig. 8 Block diagram of receiver structure

图 9

图 9 接收机大规模可编程逻辑芯片功能框图 Fig. 9 Functional block diagram of the large-scale programmable logic chips of receiver

接收机的主要功能如下：

(1)滤波及保护电路主要是完成信号的滤波及内部电路的保护功能，滤波电路是由高通滤波器、低通滤波器、陷波滤波器综合构成的，保护电路主要是钳制输入端的信号不大于输入电路的最大电压值以保护内部电路的安全和可靠运行.

(2)放大及AD采样电路的主要是放大弱小输入信号、完成模数转换的功能.这部分电路是这块板的模拟电路部分的核心，它要求低噪声、高带宽等，以完成前端弱小信号的采样，为后续处理提供坚实的基础.

(3)数据处理及滤波电路主要功能是以FPGA及周边电路组成，它要完成数据同步采样、线性滤波、数字抗混滤波、低通滤波、采样控制、模式控制、通讯等功能，是接收机的核心.

(4)时钟同步电路主要是完成同发射机的时钟同步功能，同步可以使用GPS同步也可以使用线同步方式，时钟同步电路的精度决定了接收机的激发极化参数的精度，所以这部分电路的设计也十分重要.

(5)数据显示及储存计算机的功能是显示、存储、控制接收机硬件电路的模式选择、参数选择、采样数据显示、输出数据的显示及存储.

电流信号通过AD采样电路变成数字信号，数字信号通过零点漂移校正，温度系数校正，通过卷积处理自相关形成脉冲过渡函数.脉冲过渡函数再经过傅立叶变换形成电流信号的幅频和相频曲线.

同步信号是GPS模块或发射及输出的秒脉冲信号，秒脉冲信号经过本地的数字锁相环把本地时钟同GPS时钟或发射机同步.

3.3 阻容网络验证

为了检验仪器测量参数的正确性，根据大地响应特征而设计的阻容网络试验电路，如图 10所示.

图 10

图 10 阻容网络试验电路图 Fig. 10 Test circuit diagram of resistance and capacitance network

图 10中R₁是发射机内部的采样电阻，R₂是模拟接收极MN之间的电阻，C是模拟MN之间的电容.选定电容C，根据上图计算出MN两点间各个频点的幅值和相位，与编码电法仪实际测的参数对比，用以验证仪器定义电阻率、频散率、相位的正确性.根据电路图，解析解推导公式为

S是我们需要的脉冲响应函数.图 11和图 12是编码电法仪所测结果与理论解析解的比较图，其中电容选择了1000 μF、2200 μF、4700 μF、10000 μF四种情况.通过电路试验，说明了编码电法仪在原理电路上测量的参数和理论计算的参数是一致的.

图 11

图 11 幅频曲线实测值与理论值对比图 Fig. 11 Comparison diagram of measured and theoretical values of amplitude frequency curve

图 12

图 12 相频曲线实测值与理论值对比图 Fig. 12 Comparison diagram of measured and theoretical values of phase frequency curve

4.1 基础调查—内蒙古四子王旗电阻率标准场建立

试验区行政区划属内蒙古自治区四子王旗，区内无城市或县城，距离达尔汗茂明安联合旗8 km、距离四子王旗20 km，试验区内有国道通过，另外还有较多的苏木级别公路相通，交通比较便利.本项目共计设计电测深点945个，要求在2月完成，时间紧任务重，常规仪器在同一工区工作互相影响，一个台班一天6个点算，需要半年完成.布设抗干扰仪器可以上多个台班选择不同的多项式发射伪随机码互相之间不影响.该仪器的投产，能适应大规模、会战式工作开展，规模效益明显.

图 13为AB=920 m时的视电阻率平面等值线图(1:10万)，可以看出工区电性可以分为三个区：西北部电阻率低值区，中部电阻率高值区，南部电阻率高值区，中部高值区和南部高值区被断裂破碎带分隔，与地质构造图 14相吻合.

图 13

图 13 AB=920 m时电阻率平面等值线图 Fig. 13 Resistivity plane contour map(AB=920 m)

图 14

图 14 地质构造图 Fig. 14 Geology structural map

金梦海湾位于秦皇岛市海港区西部滨海地带，东起闻涛园西侧排洪河，西至滨海大道山东堡立交桥，北至京山铁路港口连接线，南至渤海潮汐线，工作区干扰严重，施工现场存在大型机械，火车高压线，居民生活用电、潮汐等强干扰.北京地震局布设浅层地震勘探和常规电测深工作，均由于干扰未能完成.编码电法仪采用电阻率对称四极测深装置，查明了断裂位置.

图 15

图 15 金梦海湾10线综合剖面图 Fig. 15 Comprehensive cross-section of the tenth line in gold dream gulf

5.1    抗干扰编码电法仪通过伪随机编码信号的相关检测理论压制带内干扰，利用过采样技术压制带外干扰，二者合一，理论上证明其能有效压制强噪声干扰.

5.2    完成了仪器的硬件和软件系统的设计，通过阻容网络实验与理论计算结果对比，验证了仪器的抗干扰性与所取得参数的正确性.

5.3    该技术使得仪器体积大大减小，提高了仪器的便携性能，为野外高效施工提供了便利.

5.4    几个具体工程实例检验了仪器的抗干扰特性.抗干扰编码电法仪能够压制电磁干扰，可检测微弱的有用信号，增加了勘探深度；且无需大功率、大电流发射，仪器更加简便，大幅度减少仪器制作及工程探测施工成本.

5.5    抗干扰编码电法仪投入工程应用，必将产生显著的经济与社会效益.