1、偽隨機信號電法儀（KGR）推廣方案國土資源部礦產勘查技術指導中心2015年1月8日目錄一、偽隨機信號電法儀理論介紹3二、KGR-1電法儀應用的幾個實例4三、KGR-1抗干擾電法儀的不足及解決方案4四、KGR-1抗干擾電法儀推廣方案4五、申報書內容4六、聯系方式4一、偽隨機信號電法儀理論介紹電法勘查是以地球物質電性差異為基礎，通過觀測和研究地球電流場，推斷地下電性分布，進而勘查地下地質結構和尋找地下資源的一類地質勘查方法。大部分電法勘查方法觀測和研究的地球電流場，是勘查人員主動供電在地中產生的電流場。這類電法勘查方法稱為“主動源電法勘查方法”。1. 電法勘查和系統辨識主動源電法勘查方法可概括為圖

2、1(a)所示觀測系統¾¾由發送系統的電流源供給一定波形和強度的電流I，通過發送傳感器（不接地回線或者接地電極等）在地下產生一定的電流場；接收系統通過接收傳感器（不接地回線或者接地電極等）獲得反映地下電流場的感應電動勢或電位差U，并由觀測儀器（比如，電位儀）記錄下來。圖1(b)示出了上述觀測系統的等效電路¾¾其輸入端（左端，發送系統）和輸出端（右端，接收系統）之間，代表大地系統。 發送系統 接收系統電流源 電位儀 電流源 電位儀 地球 I I U I 系統 U 發送傳感器 地面 接收傳感器（a） (b) 圖1. 主動源電法勘查觀測系統（a）及其等效電路（b

3、）目前，主動源電法勘查有兩種觀測方式¾¾時間域觀測和頻率域觀測。時間域觀測方式通常用一定占空比的正負方波供電，觀測供電期間電流場電位差的建場過程或/和斷電后的放電過程U(t)，獲得歸一化電位差或阻抗的“階躍響應”Z(t) =U(t)/ I0 。時間域激電法和瞬變電磁法等屬于這類方法。頻率域觀測方式通常依次用不同頻率的連續正負方波供電，觀測基波或諧波頻率電流場的復電位差U(i)，獲得歸一化復電位差或復阻抗的“頻譜” Z(i)=U(i) / I0。頻譜激電法和各種頻率測深法(CSAMT及廣域電磁法等)屬于這類方法。按上述兩種觀測方式建立的現有電法勘查儀器，都存在抗干擾能力差和野

4、外觀測效率低的嚴重問題。解決這些問題的出路是，利用現代系統科學關于“系統辨識”的新成就，建立全新的電法勘查儀器。圖1（b）示出了主動源電法勘查觀測系統，按系統科學簡化的等效電路。左端發送機通過發送傳感器向大地供入的電流強度I(t)，作為被研究的“地球系統”的“輸入”，右端接收機通過接收傳感器觀測到的電位差U(t)，則是“地球系統”的“輸出”。大地系統通常可以看成是“線性”和“時不變”的。系統科學理論表明【2】，對于一個線性、時不變系統，任何時間序列輸入信號I(t)與輸出信號U (t)之間的關系，可以通過如下卷積積分（Wiener-Hopf方程）給出： （1）式中，為系統的沖激響應，即供電電流I

5、(t)為(t)函數（單位脈沖）時，大地的時間響應（輸出）；符號*表示卷積， s為積分變量（具時間量綱）。原則上，可以通過輸入信號I(t)與輸出信號U (t)的反卷積，計算出沖激響應，進而通過對積分計算得到系統的階躍響應： （2）對作傅氏變換可得到系統的頻譜（傳輸函數）¾¾對于時間因子，可寫出 （3）系統科學中，基于公式（1）由實測系統的輸入和輸出，確定系統的沖激響應（進而可獲得系統的時間響應和頻率響應），稱為“系統辨識”。所以，從系統科學的觀點看，電法勘查就是對地球系統的系統辨識。2. 偽隨機二進制輸入信號 圖2. 周期為T0，位數N=15的最長偽隨機二進制信號序列（m序列

6、）【1】。I(t)+I0-I0 雖然，對于任意給定的輸入信號I(t)和相應的輸出信號U (t)，都可以通過反卷積計算出沖激響應；但除計算繁瑣外，還經常由于觀測誤差和干擾導致計算失敗。所以，人們總在尋找適當的輸入信號波形，以獲得高精度的沖激響應。在系統辨識的諸多方法中，有一種特殊和十分有效的方法，這就是“偽隨機二進制輸入信號（PRBS）”的系統辨識方法1,2,3。它采用按“最大長度偽隨機二進制序列”（m序列） 偽隨機信號（序列）是指，特征與隨機信號的特征充分相似的確定性信號。有各種各樣的偽隨機信號，其中，最大長度偽隨機二進制序列（m序列）是同時具有平衡標準、游程標準和相關性標準的最佳周期自相關函

7、數序列。在n階GF(p)域序列中，總數（即“位數”N）為pn-1的序列，定義為“最大長度序列”或“m序列”。因此，n階二進制m序列的位數N=2n-1。所謂“n階”是指序列中連續出現某一數的最大次數為n。變化的電流源I(t)供電，供電電流強度I(t)是寬度隨機變化，而幅度保持為常數I0的周期性出現的一系列正、負方波脈沖（見圖2）。其特點是：（1）電流強度只取值為+ I0或I0。（2）而連續取+ I0或I0的時間長度K*t是隨機變化的（t為常數，稱為m序列的“位寬”或“鐘脈沖周期”；K為整數，稱為“蟬聯數”）。（3）經過時間T0后，供電電流波形重復出現。周期T0=N*t（N為整數，稱為m序列的“位

8、數”或“碼數”）。（4）一個周期內，取值+ I0的各（正向）脈沖的蟬聯數之和，與取值- I0的各（反向）脈沖的蟬聯數之和相差不超過1。（5）取，則在一個周期內，蟬聯數為n的非零（或者為+ I0，或者為-I0）方波脈沖出現，而且只出現一次（n稱為m序列的“階數”）；而蟬聯數為K（1K<n）的方波脈沖（包括正的和負的方波脈沖）出現的機率為。上述偽隨機二進制信號序列，可以用專用設備（線性反饋移位寄存器LFSR）產生，也可以由數字計算機（運行線性遞推式）簡單地產生【2,3】。3. 偽隨機二進制輸入信號系統辨識的基本算法前已述及，大地電性系統可視為是線性和時不變系統，在此條件下，供電電流時間序列I

9、(t)和實測電位差時間序列U(t)之間，有形如（1）式的卷積關系。 另一方面，在供電電流I(t)是以T0為周期的最大長度偽隨機二進制信號序列（m序列）時，I(t)的周期自相關函數（PACF）RI,I （4）圖3. m序列的周期自相關函數【1】圖3給出了（4）式的圖形表示，它表明m序列的自相關函數是一個三角形脈沖；它具有周期性，且其周期與m序列相同；除在=0點附近外，的數值很小。由（4）式可進一步寫出近似式：RI,I()/t （5）式中 或 （6）為“狄拉克函數”或稱“脈沖函數”。其一個重要性質是，對于任何一個連續函數f(s)，在包含s =的區間Q上的積分 （7）以及，對f(s)=1的特例，可寫

10、出 當m序列電流幅值I0=1和位寬t « 周期T0時，（5）式足夠近似成立。 進一步，考查供電電流I(t)與實測電位差U(t)的周期互相關函數（PCCF）RI,U： （8）將（1）式代入（8）式，并考慮到當t<0時，可得 （9）考慮到（5）式，上式可進一步寫成： （10）若選擇m序列的周期T0足夠大，使在< T0時沖激響應已衰減殆盡，則（10）式可寫成： （11）這說明，適當選擇m序列的周期T0和位寬t（也就是足夠大的位數N），觀測和計算供電電流輸入I(t)和電位差輸出U(t)的互相關函數，就可近似得到大地的沖激響應。文獻【2】導出了近似性更好的表達式（未考慮相鄰周期的影

11、響）： （11.a）式中， （11.b）S為自相關函數圖形中的三角形面積： （11.c）在獲得大地的沖激響應后，可進一步按（2）和（3）式，算出大地的階躍響應和頻譜（傳輸函數）；進而，換算出常規譜激電法和電磁測深法的觀測數據¾¾由階躍相應可算出常規時間域觀測的充、放電過程；而由頻譜（傳輸函數）Z (i) 乘以裝置系數K，可得復電阻率法的視復電阻率s(i)： （12）或者計算各種頻率測深方法（可控源音頻大地電磁法，廣域電磁法或頻率測深法等）的視電阻率。可見，基于上述偽隨機信號系統辨識原理，可組成全新的主動源電法勘查儀器¾¾偽隨機信號電法儀器。這種儀器原則上

12、一個周期的觀測便可獲得常規電法勘查寬頻帶范圍內的豐富信息¾¾時間響應和視電阻率頻譜。應該指出，上述信息（首先是沖激響應）是通過互相關、積分和傅氏變換獲得的，這些計算本身都是數字濾波運算，可以壓制干擾，能獲得很高的信噪比。此外，還可以通過“過采樣”（在每一個位寬t上分布成百上千個采樣點，以這些采樣時間記錄的數據的平均值，作為該位寬的觀測值）和在多個周期上進行觀測（相當于“多次疊加”），進一步壓制干擾，提高觀測精度。這就是說，偽隨機信號電法儀器既能高效率獲取大地的時間響應和頻譜的豐富信息，又有很強的抗干擾能力。圖4 偽隨機信號電法儀的原理框圖4. 偽隨機信號電法儀的原理框圖偽隨

13、機信號電法儀的原理框圖見圖4。由最長二進制偽隨機信號（m序列）發生器控制的供電電流I(t)，供入大地系統。其輸出電位差U(t)進入相關器，與來自m序列發生器、經時間偏移的供電電流信號I(t -)計算互相關函數，按理有。對其分別做時間積分和傅氏變換，最后輸出階躍響應和頻譜。5. 結論偽隨機信號電法儀是基于系統科學關于“系統辨識”最新成果建立的，不同于現行電法勘查儀器，全新探測理念的主動源電法勘查儀器，其主要優點是：（1）一次觀測即可獲得大地的時間響應（瞬變響應）和頻率響應（頻譜），可用于各種主動源電法勘查方法。（2）具有極強的抗干擾能力。（3）發送機和多道接收機分置，不需太大發送功率，觀測系統非

14、常輕便。 說明：本章的內容由中國地質大學（武漢）羅延鐘教授提供參考文獻1. 徐建華編著，狀態估計與系統辨識，【M】北京：科學出版社，1981.2. 李白南，偽隨機信號及相關辨識，【M】北京：科學出版社，1987.3. Aans-Jutgen Zepernick and Adolf Filger, 偽隨機信號處理¾¾理論與應用，【M】北京：電子工業出版社，2007. 4. Duncan P.M. et al, The development and applications of a wide band electromagnetic sounding system usin

15、g a pseudo-noisesource, Geophysics, 45 (8) 1276-1296, 1980.5. 趙璧如, 趙 健, 張洪魁等，PS100 型I P 到端可控源高精度大地電測儀系統CDMA 技術首次在地電阻率測量中的應用，地球物理學進展，21(2)675-682,2006.6. Bruce Hobbs, Anton Ziolkowski , David Wright, Multi-Transient Electromagnetics (MTEM) controlled source equipment for subsurface resistivity invest

16、igation, 18th IAGA WG 1.2 Workshop on Electromagnetic Induction in the Earth 4/4 El Vendrell, Spain, September 17-23, 2006.二、KGR-1電法儀應用的幾個實例1.水槽實驗 設計如圖所示的水槽，在水中放一直立銅板，利用KGR-1A儀器和多種常規電法儀進行中間梯度測量，將得到的結果進行對比。圖5 水槽實驗示意圖圖6 KGR-1和FX-1電法儀干擾前后相位對比曲線圖7 KGR-1和SQ-3C電法儀干擾前后Fs對比曲線圖8 KGR-1和DZD-6電法儀干擾前后Fs對比曲線水槽試驗結

17、果表明：（1）在無干擾環境下，KGR-1與常規儀器在視電阻率、視頻散率、視相位三個參數測量結果上吻合較好，精度指標相近，驗證了儀器的正確性。（2）在加干擾后，所測三個參數的均方差，KGR-1明顯優于常規儀器，即抗干擾能力更強。 2. 延慶石槽銅礦實驗北京市延慶縣石槽村存在一已知銅礦體，利用KGR-1A儀器與重慶儀器廠的DJS-8大功率激電儀在同一條剖面上進行中間梯度測量，將測得的視電阻率和極化參數進行對比驗證。圖9 KGR-1和DJS-8視電阻率對比曲線圖9 KGR時間常數與DJS-8視極化率對比曲線通過上述對比結果可以看出，視電阻率曲線重合，極化率與時間常數曲線形態一致。并且，由已知的地質和

18、物探資料可知，該測線的40號點左右存在礦體，兩種儀器在礦體上都有明顯反應。3.山西某矽卡巖型銀銅礦礦區位于軍用雷達站旁邊，電磁干擾較強，常規激電儀無法獲得穩定數據。通過KGR-1A測深剖面工作，獲得高精度穩定的電法數據，下圖為電阻率反演圖及時間常數斷面圖，與已知接觸面及礦體有較好的對應關系。圖10 上圖為電阻率反演圖，下圖為時間常數斷面圖4.江西某矽卡型銅礦在江西某礦區利用KGR-1儀器與GDD儀器在同一條剖面上進行激電剖面試驗，激電剖面與測深反演斷面對比結果顯示，KGR-1與GDD的視電阻率和極化參數的對應關系良好（GDD是32個測點，KGR是30個測點，右側對齊）。且對已知礦體有明顯的反演

19、（見礦孔位置在540點左右，斜孔，見礦深部150米左右）。圖11 電阻率反演斷面對比圖圖12 充電率（時間常數）反演斷面對比圖三、KGR-1抗干擾電法儀的不足及解決方案該儀器的較強抗干擾能力，通俗講屬于效率換精度，勘查區干擾水平越大，發射信號的碼長就需要設置的足夠長，增加了單點數據的采集時間，大大降低了工作效率。因此國內最常用的對稱四極測深裝置，應用該種儀器，導致加長了工作時間，增加野外開支。解決辦法：用多臺套接收機的辦法換效率，因此，測深工作必須采用三極測深裝置（國外普遍采用的裝置）。比如：我們在江西某銅礦區，采用三極裝置，利用了15臺接收機（共30個物理點），碼長為6的情況下，2天即可完成。效率大大高于對稱四極，完成同樣工作量的情況下，節省了時間和經費。只是，投入儀器較多，增加了儀器消耗成本！四、KGR-1抗干擾電法儀推廣方案1.目標通過在整裝勘查區或礦集區組織KGR-1新技術的示范推廣，進一步挖掘儀器的不足并不斷完善，加快推進KGR-1抗干擾電法儀的實用化進程，促進科技成果轉化為生產力，提升找礦突破戰略行動科技引領作用。2. 申請單位的條件及義務（1）資質要求：承擔整裝勘查區或者礦集區2015年度IP工作；具備相應地球物理資質，或項目負責人具有豐富的野外電法施工經驗。（2）遵循自愿原則，各勘查單位按照附件要求填寫申請書并報送部礦產勘查技術指導中心，由技術指導中心