本實(shí)用新型涉及勘探儀器領(lǐng)域,尤其涉及一種基于偽隨機(jī)相關(guān)辨識(shí)技術(shù)的電法勘探儀器。
背景技術(shù):
在野外的勘探環(huán)境中,電法勘探所面臨的一個(gè)重大問題,就是各種的干擾噪聲;由于勘探儀器主要使用的是電信號(hào),而在地下介質(zhì)中,可能存在一些天然的地下電信號(hào)和一些周邊基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的一些人工干擾信號(hào),這些干擾信號(hào)都會(huì)對(duì)電法勘探的結(jié)果造成影響;在某些情況下,噪聲信號(hào)的強(qiáng)度甚至超過了有用信號(hào);如果單純依靠增加供電電壓和電流的方式,則會(huì)導(dǎo)致比較大的能耗,大大增加成本;因此,需要采取更先進(jìn)的信號(hào)與信息處理技術(shù)和方法,發(fā)展一種具備有效壓制噪聲的新的勘探方法和技術(shù)。
與此同時(shí),隨著勘探需求的不斷提高,先采集數(shù)據(jù),之后再用PC機(jī)進(jìn)行處理的方式已經(jīng)無法滿足日益增長的需要;因此,研制一款既具有強(qiáng)抗干擾能力也具備強(qiáng)實(shí)時(shí)計(jì)算能力的儀器是十分必要的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型的技術(shù)解決問題:克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種基于偽隨機(jī)相關(guān)辨識(shí)技術(shù)的電法勘探儀器及其方法,對(duì)地球物理勘探中的主要物理參數(shù)-視電阻率、視極化率等進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、分析和處理,能夠提高電法勘探后期數(shù)據(jù)處理的效率,給尋找礦藏帶來極大的便利。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案為:一種基于偽隨機(jī)相關(guān)辨識(shí)技術(shù)的電法勘探儀器,包括:GPS模塊、AD模塊、電極模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、鍵盤控制模塊、顯示控制模塊、USB與串口通信模塊和溫濕度檢測模塊;所述GPS模塊與主控模塊相連,AD模塊與主控模塊相連,電極模塊與AD模塊相連,主控模塊分別和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、鍵盤控制模塊、顯示控制模塊、USB與串口通信模塊和溫濕度檢測模塊相連;
所述GPS模塊包括GPS天線、GPS信號(hào)輸出串口和GPS脈沖輸出端;其中GPS天線分別和GPS信號(hào)輸出串口和GPS脈沖輸出端連接;GPS信號(hào)輸出串口將GPS信息發(fā)送給GPS串口單元;GPS脈沖輸出端將脈沖信號(hào)發(fā)送給GPS脈沖同步與計(jì)數(shù)單元單元;
所述AD模塊包括信號(hào)調(diào)理與放大電路和ADC模塊;其中信號(hào)調(diào)理與放大電路與電極和電極相連,將電極獲取的信號(hào)處理之后發(fā)送給ADC模塊;ADC模塊與AD采集控制單元相連和信號(hào)采集單元相連,在AD采集控制單元的控制下進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將數(shù)據(jù)發(fā)送給信號(hào)采集單元;
所述電極模塊包括電極和電極;電極和電極均和信號(hào)調(diào)理與放大電路相連;
所述主控模塊包括GPS脈沖同步與計(jì)數(shù)單元、GPS串口單元、信號(hào)采集單元、AD采集控制單、異常報(bào)警單元、壓控溫補(bǔ)晶振單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、偽隨機(jī)信號(hào)生成單元、操作系統(tǒng)控制單元、鍵盤控制單元、實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算單元、溫濕度檢測單元、USB與串口通信單元、顯示與控制單元;主控模塊負(fù)責(zé)儀器的整體運(yùn)行,操作系統(tǒng)控制單元為主控模塊的控制中樞;GPS脈沖同步與計(jì)數(shù)單元單元、GPS串口單元和壓控溫補(bǔ)晶振單元主要完成了儀器的GPS同步任務(wù);信號(hào)采集單元和AD采集控制單元主要完成了儀器的AD采集工作;異常報(bào)警單元和溫濕度檢測單元主要用于監(jiān)控環(huán)境參數(shù),保護(hù)儀器的正常運(yùn)行;信號(hào)采集單元、偽隨機(jī)信號(hào)生成單元和實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算單元主要完成了儀器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、鍵盤控制單元、USB與串口通信單元和顯示與控制單元主要完成了儀器與上位機(jī)或外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信;
所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)完成儀器采集到和生成的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);
鍵盤控制模塊負(fù)責(zé)人機(jī)交互中的用戶操作;
顯示控制模塊負(fù)責(zé)儀器工作中顯示相應(yīng)的內(nèi)容以及接收用戶觸摸輸入的指令;
USB與串口通信模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)或外設(shè)通信,完成數(shù)據(jù)的傳輸;
溫濕度檢測模塊負(fù)責(zé)檢測環(huán)境參數(shù),保護(hù)儀器的正常運(yùn)行。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
(1)本實(shí)用新型使用了具有較強(qiáng)數(shù)學(xué)計(jì)算能力的ARM Cortex-A主控模塊,計(jì)算速度快,可以實(shí)時(shí)得到計(jì)算結(jié)果,并顯示在LCD上;克服了現(xiàn)有的儀器計(jì)算能力不強(qiáng),實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn);
(2)本實(shí)用新型使用了一種抗干擾能力極強(qiáng)的相關(guān)辨識(shí)理論算法,該算法移植到儀器上之后,可以獲得很好的抗干擾效果;
(3)本實(shí)用新型經(jīng)過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和改進(jìn),不僅可用于電法勘探,也可更廣泛的用于多種小信號(hào)的采集與分析處理。
附圖說明
圖1為本實(shí)用新型一種基于偽隨機(jī)相關(guān)辨識(shí)技術(shù)的電法勘探儀器的組成框圖;
圖2為本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施示例的方法流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示,本實(shí)用新型一種基于偽隨機(jī)相關(guān)辨識(shí)技術(shù)的電法勘探儀器包括:GPS模塊1、AD模塊2、電極模塊3、主控模塊4、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊5、鍵盤控制模塊6、顯示控制模塊7、USB與串口通信模塊8和溫濕度檢測模塊9;所述GPS模塊1與主控模塊4相連,AD模塊2與主控模塊4相連,電極模塊3與AD模塊2相連,主控模塊4分別和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊5、鍵盤控制模塊6、顯示控制模塊7、USB與串口通信模塊8和溫濕度檢測模塊9相連;
所述GPS模塊1包括GPS天線11、GPS信號(hào)輸出串口12和GPS脈沖輸出端13;其中GPS天線11分別和GPS信號(hào)輸出串口12和GPS脈沖輸出端13連接,GPS天線獲得衛(wèi)星數(shù)據(jù)后,通過GPS信號(hào)輸出串口12將GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊中的GPS串口單元42,由主控模塊對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析與處理,完成儀器的時(shí)間控制等任務(wù);另外,GPS天線11從衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)中也包括脈沖信息,該脈沖信息將通過GPS脈沖輸出端13發(fā)送給主控模塊中的GPS脈沖同步與計(jì)數(shù)單元41,主控模塊會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)同步的脈沖,在GPS失鎖時(shí)代替GPS的脈沖使用;
所述AD模塊2包括信號(hào)調(diào)理與放大電路21和ADC模塊22;其中信號(hào)調(diào)理與放大電路21與電極31和電極32相連,用于從電極31和電極32獲取地下信號(hào),所述地下信號(hào)在信號(hào)調(diào)理與放大電路21內(nèi)經(jīng)過無源低通濾波,可編程增益放大,有源低通濾波,單端轉(zhuǎn)差分變換處理之后,轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC模塊可以接受的輸入信號(hào),送入ADC模塊22;ADC模塊22與AD采集控制單元44相連和信號(hào)采集單元43相連,ADC模塊22對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后,在AD采集控制單元44的控制下將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)送入信號(hào)采集單元43,以便主控模塊4進(jìn)行下一步處理;
所述電極模塊3包括電極31和電極32;電極31和電極32均和信號(hào)調(diào)理與放大電路21相連,用于獲取地下的電信號(hào);
所述主控模塊4包括GPS脈沖同步與計(jì)數(shù)單元41、GPS串口單元42、信號(hào)采集單元43、AD采集控制單元44、異常報(bào)警單元45、壓控溫補(bǔ)晶振單元46、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元47、偽隨機(jī)信號(hào)生成單元48、操作系統(tǒng)控制單元49、鍵盤控制單元410、實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算單元411、溫濕度檢測單元412、USB與串口通信單元413、顯示與控制單元414;主控模塊4負(fù)責(zé)儀器的整體運(yùn)行,操作系統(tǒng)控制單元49為主控模塊4的控制中樞;GPS脈沖同步與計(jì)數(shù)單元41負(fù)責(zé)接收GPS脈沖輸出端13發(fā)來的脈沖信號(hào),并通過對(duì)壓控溫補(bǔ)晶振單元46的調(diào)節(jié),同步一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào),用于在GPS衛(wèi)星失鎖的情況下,給主控模塊4提供準(zhǔn)確的脈沖信號(hào);GPS串口單元42和GPS信號(hào)輸出串口12相連,通過UART接收GPS信號(hào)輸出串口12的數(shù)據(jù)或者向GPS信號(hào)輸出串口12發(fā)送數(shù)據(jù),接收到的信息中包括經(jīng)度,緯度,時(shí)間,日期等信息,這些信息將被記錄,用于后期數(shù)據(jù)分析時(shí)使用;信號(hào)采集單元43和AD采集控制單元44主要完成了儀器的AD采集工作,AD采集控制單元44用于控制ADC模塊的采樣進(jìn)程,例如采用速率,采樣通道數(shù)等等;信號(hào)采集單元43負(fù)責(zé)接收ADC模塊22發(fā)來的數(shù)據(jù),用于后續(xù)的計(jì)算處理使用;異常報(bào)警單元45的主要任務(wù)是接收溫濕度檢測單元412傳來的溫濕度參數(shù),如果溫度或濕度有明顯的異常,用戶會(huì)在儀器的顯示屏上看到警告提示,以便用戶進(jìn)行下一步的處理,保護(hù)儀器的正常運(yùn)行;偽隨機(jī)信號(hào)生成單元48用于生成偽隨機(jī)m序列或逆重復(fù)m序列,并將生成的序列發(fā)送給實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算單元411;實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算單元411同時(shí)接收偽隨機(jī)信號(hào)生成單元48和信號(hào)采集單元43發(fā)來的數(shù)據(jù),計(jì)算各參數(shù),所述參數(shù)包括但不限于視電阻率,視極化率等地球物理學(xué)參數(shù),所述地球物理學(xué)參數(shù)用于反映地下介質(zhì)的分布情況;優(yōu)選地,實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算單元411計(jì)算得到的參數(shù),會(huì)被發(fā)送給顯示與控制單元414,顯示與控制單元414會(huì)通過繪圖等一系列操作將計(jì)算結(jié)果顯示在屏幕上;顯示與控制單元414另外也在接收用戶觸摸輸入的指令,操作系統(tǒng)控制單元49在接受到這些指令后,會(huì)執(zhí)行下一步的處理;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元47是負(fù)責(zé)儀器所有需要保存的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作;信號(hào)采集單元43和偽隨機(jī)信號(hào)生成單元48的數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算單元411所計(jì)算出來的部分?jǐn)?shù)據(jù),均需要存儲(chǔ)下來,以便后期分析時(shí)使用;鍵盤控制單元410也屬于人機(jī)交互的一部分,接受用戶輸入的指令,并執(zhí)行相應(yīng)的操作;USB與串口通信單元413為儀器和外界的通信接口,當(dāng)用戶需要將儀器與上位機(jī)或外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的操作時(shí),USB與串口通信單元413將承擔(dān)這部分任務(wù);在主控模塊4上,移植了一個(gè)操作系統(tǒng)控制單元49,主控模塊4上的所有工作,均由操作系統(tǒng)控制單元49進(jìn)行調(diào)度,使儀器運(yùn)行在一個(gè)良好的時(shí)序環(huán)境下;
所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊5是儀器上的內(nèi)部存儲(chǔ)設(shè)備,負(fù)責(zé)完成儀器采集到和生成的數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);
鍵盤控制模塊6是儀器上的輸入設(shè)備,負(fù)責(zé)人機(jī)交互中的用戶操作;
顯示控制模塊7是儀器上的輸出與輸入設(shè)備,負(fù)責(zé)儀器工作中顯示相應(yīng)的內(nèi)容以及接收用戶觸摸輸入的指令;在儀器的設(shè)計(jì)中,顯示控制模塊7將使用一塊7寸的TFT觸摸屏,支持5點(diǎn)觸控;
USB與串口通信模塊8是儀器上的通信接口,負(fù)責(zé)儀器與上位機(jī)或外設(shè)通信,完成數(shù)據(jù)的傳輸;可以支持USB2.0通信協(xié)議,將數(shù)據(jù)傳輸至U盤,或直接連接上位機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟僮鳎?/p>
溫濕度檢測模塊9是儀器上的傳感器設(shè)備,負(fù)責(zé)檢測環(huán)境參數(shù),保護(hù)儀器的正常運(yùn)行;
下面通過實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型一種基于偽隨機(jī)相關(guān)辨識(shí)技術(shù)的電法勘探方法再進(jìn)一步詳細(xì)說明;
如圖2所示:
步驟201:首先,將儀器與電源(蓄電池等)連接好,按下開關(guān),啟動(dòng)儀器,給儀器上電;
步驟202:儀器通電之后,會(huì)首先執(zhí)行一系列的準(zhǔn)備工作,此時(shí)操作系統(tǒng)控制單元開始運(yùn)行,儀器將在后臺(tái)執(zhí)行系統(tǒng)初始化操作,例如檢查自身的硬件情況是否正常,獲取GPS衛(wèi)星的參數(shù),采集溫濕度信息,判斷環(huán)境參數(shù)是否正常,檢查電池電量等等,為儀器正常工作做準(zhǔn)備;
步驟203:儀器在后臺(tái)執(zhí)行GPS同步的操作,連接衛(wèi)星,并獲取衛(wèi)星的數(shù)據(jù),獲得經(jīng)緯度,時(shí)間,日期信息和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖等信息,這些數(shù)據(jù)和信息將為儀器的工作提供必要的保障;
步驟J01:在操作系統(tǒng)控制單元開始運(yùn)行之后,儀器將采集并獲取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù),并判斷這些數(shù)值是否在安全的范圍之內(nèi);如果是,那么儀器將執(zhí)行步驟205,否則,儀器將執(zhí)行步驟207;
步驟204:在完成步驟202和步驟203之后,儀器進(jìn)入步驟204,顯示儀器的主界面;主界面為人機(jī)交互的窗口,用戶的操作均在主界面完成;在主界面上,用戶可以輸入各種參數(shù),如采樣率,通道數(shù),需要計(jì)算并顯示的參數(shù),存儲(chǔ)位置,采樣時(shí)間等等;并控制采集的啟動(dòng)與停止,采集后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出,參數(shù)的計(jì)算等各種操作;
步驟J02:在執(zhí)行完步驟203之后,儀器將進(jìn)行一次判斷,核實(shí)GPS同步結(jié)果是否成功,如果同步成功,則進(jìn)入步驟205,否則,有可能是儀器無法接收GPS信號(hào),返回步驟203重新執(zhí)行GPS同步;如果儀器一直接收不到GPS信號(hào),將會(huì)在屏幕上顯示一個(gè)警告信息,以提醒用戶衛(wèi)星信號(hào)的問題;
步驟205:在溫濕度數(shù)值檢測正常之后,儀器會(huì)將溫度,GPS同步狀態(tài)等信息顯示在屏幕上,用戶可以根據(jù)儀器顯示的數(shù)據(jù),判斷是否需要進(jìn)行下一步操作;
步驟206:如果儀器在步驟J01中,檢測到溫濕度數(shù)據(jù)異常,那么儀器將進(jìn)入步驟206,在屏幕上顯示異常報(bào)警信息,用戶可以依據(jù)此信息來處理異常;
步驟207:在一切準(zhǔn)備就緒之后,用戶可以開始在顯示控制模塊7上操作,輸入指令和參數(shù)要求,也可以通過鍵盤控制單元完成指令和參數(shù)的輸入,并啟動(dòng)儀器的采集任務(wù);
步驟J03:用戶設(shè)定好儀器開始采集的時(shí)間之后,儀器會(huì)執(zhí)行一次判斷,以比較GPS衛(wèi)星的時(shí)間與用戶輸入的自定義時(shí)間;如果用戶設(shè)定的時(shí)間尚未到達(dá),那么儀器就進(jìn)入步驟208,等待時(shí)間到達(dá)后再開始采集,如果時(shí)間到達(dá)了,則進(jìn)入步驟209;
步驟208:執(zhí)行等待操作,等到用戶設(shè)定的時(shí)間到達(dá)為止;
步驟209:在指定的時(shí)間到達(dá)后,儀器開始采集任務(wù),獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和分析,計(jì)算結(jié)果將在屏幕上顯示,用戶可以直觀的獲得視電阻率,視頻散率等參數(shù);
步驟210:獲取用戶指定的參數(shù);
步驟211:獲得傳遞函數(shù)ssystem:
所述傳遞函數(shù)的獲取方式具體為:
根據(jù)輸入與輸出信號(hào)的關(guān)系:
(1)sout-snoise=sin*ssystem
其中,sin為輸入系統(tǒng)的偽隨機(jī)m信號(hào),其在一個(gè)周期內(nèi)可視為具有隨機(jī)性;ssystem是需要計(jì)算出來的系統(tǒng)傳遞函數(shù),snoise為隨機(jī)的噪聲信號(hào),sout為儀器采集到的信號(hào);
(2)接著,方程兩邊對(duì)輸入信號(hào)sin做互相關(guān)運(yùn)算,得到
Rinout(t)-Rinnoise(t)=Rinin(t)*ssystem
其中,Rinout(t)為輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的互相關(guān)函數(shù),Rinin(t)為輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù),Rinnoise(t)為輸入信號(hào)與噪聲的互相關(guān)函數(shù);
(3)之后,對(duì)方程兩邊進(jìn)行快速傅里葉變換FFT,得到
Rinout(w)-Rinnoise(w)=Rinin(w)S(w)
等式變形,得到
上式中,由于噪聲信號(hào)snoise與輸入信號(hào)sin具有不相關(guān)性,所以Rinnoise(w)在數(shù)學(xué)上近似為0;因此,可以得到如下等式:
其中,偽隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)頻譜Rinin(w)有可能會(huì)出現(xiàn)為0的頻點(diǎn),致使分母為0,所以,為了避免Rinin(w)為0時(shí)對(duì)辨識(shí)結(jié)果帶來很大的波動(dòng),經(jīng)過研究改進(jìn),在偽隨機(jī)信號(hào)sin的自相關(guān)的頻率譜Rinin(w)上加一個(gè)小常實(shí)數(shù)值Rα,使得0幅度頻點(diǎn)附近的值可以稍微變大一些,又不至于對(duì)辨識(shí)結(jié)果造成較大的影響;于是可以得到下面的式子:
對(duì)上式進(jìn)行快速傅里葉反變換IFFT,就可以得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù);
以輸入信號(hào)sin和輸出信號(hào)sout作為原始信號(hào),那么最終的表達(dá)式為:
這就是最終得到的系統(tǒng)傳遞函數(shù);經(jīng)過實(shí)驗(yàn),修正因子取值Rα為0.01時(shí)效果較好;
測試時(shí),選定一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)為
ssystem(t)=12.3e-10tsin(5.7t),
其中,e為一個(gè)常數(shù);使用了上述算法進(jìn)行處理,發(fā)送的信號(hào)為幅值為1V,重復(fù)周期數(shù)為1,碼片寬度的倒數(shù)為0.0002s,采樣頻率為0.001Hz的偽隨機(jī)m信號(hào);在加入5V的隨機(jī)噪聲以后,該算法比傳統(tǒng)方法的抑噪能力好19dB左右;
步驟J04:在采集完成之后,將由用戶決定是否需要導(dǎo)出數(shù)據(jù),如果用戶選擇否,那么直接進(jìn)入步驟213,如果用戶選擇是,那么進(jìn)入步驟212,以導(dǎo)出數(shù)據(jù);
步驟212:數(shù)據(jù)導(dǎo)出的操作;用戶在此步驟中,將可以操作儀器將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至外部的U盤或者和儀器連接的上位機(jī),供用戶后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與深度分析;
步驟213:完成數(shù)據(jù)導(dǎo)出的操作之后,儀器的一次采集任務(wù)完成;下一次采集時(shí),可以重復(fù)以上的步驟;
本實(shí)用新型說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù);
以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤飾,這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。