时域电磁法接收系统频率响应的标定方法及信号产生装置

本发明属于地球物理电磁法勘探、系统特性辨识及信号处理领域，涉及时域电磁法接收系统频率响应的标定方法及信号产生装置。

背景技术：

1、目前电磁法在金属矿产资源普查、地下水资源勘查、工程地质和环境地质调查等领域发挥着重要作用，电磁法仪器可以通过接收到的二次场数据探明地下介质的介电常数、电阻率等特性，反映地下介质的矿物蕴藏、含水量等重要特性。在利用接收系统进行实际信号测量的过程中，一般来说，接收系统的测量结果是大地介质的二次场与接收系统的总响应，而仅有前者携带地下介质电性信息，可以简单总结为我们通过接收系统采集到的信号并非是大地介质的实际电磁响应。对于大地的电磁频率响应h(ω)，存在如下的关系式其中hr(ω)为接收机频率响应，hc(ω)为传感器频率响应。只有从实际测量结果中标定并消除接收仪器系统的响应，才能真实复原大地的电磁响应，从而获得精确的地下介质解释。

2、目前的仪器系统频率响应标定方法包括采用时间域下方波作为输入信号激励仪器系统，再测量采集通过仪器系统后的输出信号，对输入与输出信号分别进行快速傅里叶变换得到频率域形式再求解仪器系统频率响应；在频率域电磁法中，利用2n伪随机波等伪随机信号作为接收系统的输入，与前面所述的方法相同，对输入与输出信号分别进行快速傅里叶变换得到频率域形式再求解仪器系统频率响应；频率域中的仪器响应标定方法经过改进后，采取的新技术利用逆重复m序列作为输入信号进入接收系统，再利用快速傅里叶变换进行仪器系统频率响应的求解。

3、中国专利cn104794313b公开了一种获取待辨识系统频率响应函数的方法及装置。通过时钟信号触发线性反馈移位寄存器生成输入信号，按照输入信号的时间序列周期和采样率触发软件程序生成参考信号，输入信号和参考信号均为逆重复m序列且周期为工频周期的偶数倍，提高了获取系统频率响应的效率，压制了工频干扰。

4、中国专利cn113624269a公开了一种基于谐波的频率响应测量系统和方法。利用占空比为50％的方波作为测量信号，把测量系统中的模数转换器过采样率设置为半整数，通过数学运算一次得到待测线性系统在多个频点上的频率响应。提出的测量系统和方法，提高了测量效率，降低了测量成本。

5、以上所述方法公布了关于利用方波或逆重复m序列进行相关系统频率响应特性获取和测量的方法与装置，但是均没有具体涉及标定信号激励源的形式及其与针对的具体系统的配合设计，也没有涉及系统频率响应标定后，转换到时间域运算时可能出现的时域形式虚部缺失问题以及获取了系统频率响应后对系统实际测量采集信号的计算校正内容。如何确定适宜电磁法接收系统频率响应标定的装置、信号激励源以及如何实现接收系统频率响应时间域形式完整性，求解实际接收数据解卷积结果是本领域技术人员迫切解决的一系列技术问题。

技术实现思路

1、本发明一方面提供一种时域电磁法接收系统频率响应的标定方法，另一方面提供一种时域电磁法接收系统频率响应的标定信号产生装置，解决电磁法勘探中由于接收系统自身频率响应不明造成的大地介质响应测量不准确的问题。

2、本发明是这样实现的，

3、一种时域电磁法接收系统频率响应的标定信号产生装置，该装置包括：电源、主控电路、标定信号激励源以及信号调理电路；其中，

4、所述电源向装置各组成部分供电；

5、所述主控电路作为标定控制部分，采用stm32核心；

6、所述标定信号激励源由fpga从机作为核心，产生符合设定相关参数的逆重复m序列控制信号；所述主控电路根据设置的信号参数经过spi总线与fpga从机进行通信，控制fpga从机进行信号激励；

7、所述信号调理电路包括数字隔离器、多路复用器及运算放大电路，fpga从机所产生的单极性逆重复m序列控制信号通过数字隔离器接入多路复用器，控制多路复用器通路的选通，多路复用器的信号通道分别接入高电平和低电平，

8、通过运算放大器的反相输入端输入，经由运算放大器处理后产生双极性逆重复m序列标定信号。

9、进一步地，所述标定信号激励源由主控电路输出的指令控制，按照设定参数激励产生对应阶数、线性反馈移位寄存器位数、叠加周期以及采样率的单极性逆重复m序列控制数字信号，单极性逆重复m序列控制数字信号控制并触发标定信号激励源中程序生成的线性反馈移位寄存器进行后续的标定信号生成。

10、进一步地，双极性逆重复m序列标定信号的信号周期和序列长度与单极性逆重复m序列控制数字信号相同。

11、进一步地，所述标定信号激励源的fpga从机输出的控制信号经过两个通道输出，对应“通道选通”和“使能”两个信号功能，

12、进一步地，所述主控电路与标定信号激励源以及信号调理电路均设置有隔离磁耦。

13、一种标定时域电磁法接收系统频率响应的标定方法，包括步骤1)产生双极性逆重复m序列标定信号；

14、步骤2)接收双极性逆重复m序列标定信号，输出接收信号序列；

15、步骤3)对双极性逆重复m序列标定信号和接收信号序列进行频率响应求解后得到时间域的复数形式接收系统响应函数，结合被标定数据的复数形式的时间域信号得到大地介质的响应的最小均方误差估计值。

16、进一步地，步骤3)具体包括：将双极性逆重复m序列标定信号作为输入信号和接收信号序列作为输出信号进行互相关，并将双极性逆重复m序列标定信号求解自相关函数，分别得到所述的双极性逆重复m序列标定信号和接收信号序列的时间域互相关函数序列和标定信号的自相关函数序列；

17、对时间域互相关函数序列及自相关函数序列进行快速傅里叶变换得到输出信号及输入信号在频率域的互功率谱密度函数及输入信号的功率谱密度函数；

18、根据所述输出信号及输入信号的互功率谱密度函数及输入信号的功率谱密度函数，计算得到电磁法接收系统的频率响应函数；

19、根据电磁法接收系统的频率响应函数经过快速傅里叶反变换得到时间域的复数形式接收系统响应函数；

20、被标定数据经过希尔伯特变换处理得到复数完整形式，得到被标定数据的复数形式的时间域信号；

21、根据所述的电磁法接收系统的频率响应函数与被标定数据的复数形式的时间域信号，进行维纳滤波反卷积得到所探测的大地介质的响应的最小均方误差估计值。

22、进一步地，进行维纳滤波反卷积得到所探测的大地介质的响应的最小均方误差估计值，具体包括：设对于被标定数据即接收系统实际接收的信号，满足第一关系式：f＝h*i+a，其中f为接收系统接收的被标定数据的复数形式的时间域信号，i为大地响应，h为时间域的复数形式接收系统响应函数，α为接收系统接收到的零均值噪声，i为大地时域响应；设计一个时域维纳滤波器，时域形式为g，输出估计量i'＝g*f，代入第一关系式得到第二关系式：i′＝g*h*i+g*α，将第二关系式经过时频变换得到第三关系式：i′＝g·h·i+g·α(ω)，其中i'为时域估计量的频域形式，g为维纳滤波器频域形式，i为大地频域响应，h为接收系统频域响应，α(ω)为接收系统接收到的零均值噪声频域形式，第三关系式两侧同时乘以接收系统频域响应h的复共轭再变换得到：

23、

24、整理得到h*f＝|h|2gf+α(ω)，则根据已知的接收系统频域响应h求解其共轭形式h*，再将第一关系式f做傅里叶变换变换得到第一关系式的频域形式f，最终求得维纳滤波器频域形式g和维纳滤波器时域形式g的值，利用频域滤波方法i＝g×f和时域估计值表达式i'＝g*f进行反卷积计算，求得实际大地频率响应的最小均方误差估计值。

25、本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的标定信号激励源在主控电路的控制下可以产生对应参数的逆重复m序列控制信号，针对所用的电磁法接收系统，设计了信号调理电路将单极性的数字信号调理到接收阈值范围内的双极性模拟信号；采用了希尔伯特变换配合传统的快速傅里叶变换，对于获取的系统频率响应转换到时域使用的情况，补足了时间域中获取的被标定的接收数据的复数形式；利用维纳滤波反卷积的方法，在获取到电磁法接收系统的频率响应后，高效率求解大地介质电磁响应的真实值。技术方案提高了对仪器系统频率响应获取的针对性和效率，可以提高电磁法接收仪器系统对大地介质的勘探精度。