瞬變電磁法弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究

圖3給出了筆者自行研制的ATEM-II型儀器系統(tǒng)框圖。利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）提供的高精度定時(shí)信息研制成功時(shí)間同步控制裝置，較方便地解決了TEM發(fā)射機(jī)與接收機(jī)遠(yuǎn)距離同步問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了重復(fù)脈沖激發(fā)、同步密集采集、數(shù)字處理的TEM信號(hào)檢測(cè)。圖4給出了發(fā)射電流、同步脈沖及TEM信號(hào)示意圖。

2.3雙極性數(shù)字化TEM信號(hào)處理算法分析

根據(jù)TEM信號(hào)特征和對(duì)噪聲的認(rèn)識(shí)，在ATEM-II型儀器系統(tǒng)中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要處理算法及流程如圖5所示。包括儀器測(cè)量中的實(shí)時(shí)處理和室內(nèi)后處理兩個(gè)過(guò)程，本文僅分析實(shí)時(shí)處理同步疊加平均算法與奇異數(shù)據(jù)剔除。

設(shè)發(fā)射電流穩(wěn)定，發(fā)射周期T等參數(shù)不變，發(fā)射與接收同步誤差可忽略，在同一點(diǎn)觀測(cè)條件下， N個(gè)一次場(chǎng)周期內(nèi)雙極性TEM信號(hào)就能夠重復(fù)，通過(guò)2N次同步采集和交替變換極性迭加平均處理，提高信噪比，其算法表達(dá)式

xm(k)表示第m個(gè)原始采樣序列,y(k)表示累加平均器輸出序列， M為采樣點(diǎn)數(shù)， M ＜T/4T_s ， T_s為采樣間隔，T為發(fā)射周期，N為周期數(shù)。y(k)與xm(k)為線性關(guān)系，通過(guò)傅里葉變換求得迭加平均器的頻率域傳遞函數(shù)幅度特性為

設(shè)ω= 2π/T為基波頻率，

該疊加平均器是一個(gè)梳狀濾波器，其窗口位于信號(hào)重復(fù)頻率的奇次諧波處，保證信號(hào)的無(wú)失真輸出。梳狀濾波器的各譜窗口寬度近似公式Δf = 2 2/πNT ，設(shè)TEM信號(hào)疊加了白噪聲，經(jīng)過(guò)N個(gè)周期2N次迭加平均后，信噪提高比（ SNIR） R_SNIR = 2N.梳狀濾波器傳輸零點(diǎn)與疊加次數(shù)、發(fā)射周期有關(guān)，適當(dāng)選擇T和取平均周期數(shù)N就可以隨意設(shè)置零傳輸點(diǎn)，對(duì)消除某些頻率的干擾是非常有利的。如果發(fā)射信號(hào)周期T是干擾（如工頻干擾）周期的整數(shù)倍且疊加偶數(shù)次，周期干擾基波和諧波頻率與傳輸零點(diǎn)重合而消除；采用分組疊加平均后再進(jìn)行組數(shù)平均，對(duì)抑制白噪聲是等價(jià)的，而對(duì)某些頻率點(diǎn)干擾噪聲的抑制能力會(huì)有所不同，若能根據(jù)干擾頻率（如大氣層釋放電荷引發(fā)的閃電共振點(diǎn)頻率8Hz、14Hz、20Hz、32Hz） ，確定組內(nèi)疊加次數(shù)是值得深入探討的問(wèn)題。

同步疊加平均算法對(duì)平穩(wěn)噪聲有較強(qiáng)的抑制能力，對(duì)等精度測(cè)量的重復(fù)信號(hào)不奇變；而對(duì)尖脈沖干擾等造成的奇異數(shù)據(jù)（稱為壞值）沒(méi)有甄別能力。如果不剔除，勢(shì)必影響疊加平均效果，嚴(yán)重時(shí)數(shù)據(jù)不可信。因此，在疊加的同時(shí)，必須能夠剔除奇異數(shù)據(jù)。ATEM-II型儀器中采用了統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行壞值剔除。根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則，在正態(tài)分布的等精度重復(fù)測(cè)量中，隨機(jī)誤差大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的置信概率僅為0.0027.因此，測(cè)量誤差大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差，則可認(rèn)為該誤差屬于粗大誤差，該數(shù)據(jù)就可以被剔除。在數(shù)據(jù)采集和疊加過(guò)程中，從第10個(gè)周期（少于10個(gè)周期拉依達(dá)準(zhǔn)則失效）以后，每采集1個(gè)周期，就計(jì)算不同周期相同采樣點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差和剩余誤差；若剩余誤差大于標(biāo)準(zhǔn)差的3倍，則剔除，并以算術(shù)平均值代替之。

圖6所示實(shí)測(cè)結(jié)果為不同疊加次數(shù)TEM信號(hào)晚延時(shí)段的對(duì)比，結(jié)果表明，疊加2048次的衰減信號(hào)比疊加128次的衰減信號(hào)噪聲水平大大降低，按理論計(jì)算，信噪比應(yīng)該改善4倍，但從實(shí)測(cè)的信號(hào)來(lái)看，由于噪聲并不完全是白噪聲，還疊加有其他性質(zhì)的噪聲，信噪提高比約7倍。

表2給出了不同疊加次數(shù)、相同增益下，以沒(méi)有疊加的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)信噪比改善程度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在考慮信噪比和選擇疊加次數(shù)時(shí)，要注意到實(shí)測(cè)信號(hào)和噪聲特性，通常在實(shí)地測(cè)量之前，要做一測(cè)試，適當(dāng)選擇疊加次數(shù)。因?yàn)?，只盲目增加疊加次數(shù)不僅增加了儀器采集的時(shí)間和工作量，而且對(duì)信噪比的改善并不明顯。

3結(jié)論

本文在簡(jiǎn)要地介紹瞬變電磁法原理基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了TEM信號(hào)同步采集與實(shí)時(shí)處理算法，給出了實(shí)測(cè)結(jié)果。得出結(jié)論：

1）采用高速高精度A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)同步采集與數(shù)字疊加軟件積分取代多個(gè)模擬電子同步取樣積分器是可行的，簡(jiǎn)化了儀器硬件，便于充分運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理多種方法及軟件的靈活性；

2）雙極性同步疊加平均等效的梳狀濾波器，對(duì)等精度測(cè)量的重復(fù)信號(hào)不奇變，傳輸零點(diǎn)與疊加次數(shù)、發(fā)射周期有關(guān)，適當(dāng)選擇發(fā)射周期T和取平均周期數(shù)N就可以隨意設(shè)置零傳輸點(diǎn)，對(duì)消除某些頻率的干擾是非常有利的；

3）對(duì)TEM信號(hào)特征和對(duì)噪聲的認(rèn)識(shí)是實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)檢測(cè)的前提；

4）據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則，測(cè)量誤差大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差