大功率源无线电磁探测信息处理技术研究＊

张淑玲 沈 田

（湖北经济学院电子工程系 武汉 430205)

1 引言

基于大功率人工源的无线电磁探测法（Wireless ElectroMagnetic Method，WEM法)是20世纪90年代发展起来的一种新的人工源电磁探测技术，其基本构成：超过500kW大功率发射源，在高大地电阻率地区架设的数十、上百公里发射天线上，发射频率为0.1Hz～300Hz范围内的极低频/超低频电磁信号，并在波导层传播到数千公里范围，采用无线电磁探测仪测量各电、磁场分量，用于研究空间环境电磁场的信息以及地下的电性结构［1］。

传统的大地电磁探测法MT、可控源音频大地电磁探测法CSAMT等方法的理论不再完全适用于WEM探测法，对于 MT、CSAMT都无须考虑电离层的影响，而对于WEM法，由于电流源的长度已经和电离层高度量级相同，许多观测点上源接收距已接近或大于电离层高度，因此需考虑电离层的影响，并分析极低频/超低频电磁场传播特性，在理论上确定观测点场强［2］。

对于一定的极低频/超低频辐射场强，信号接收处理的最终限制为各种自然噪声，因为干扰、天线噪声与接收机噪声可以做到人为控制，而大气噪声是随地域、气候以及时间变化而有所不同，极低频/超低频大气噪声的测量与分析对极低频/超低频信号的处理意义重大，因此大功率人工源的无线电磁探测法研究内容涉及的极低频/超低频辐射场强的测量与分析，大气噪声测量、处理与分析以及研究噪声规律、抑制噪声干扰、提取有效信号始终是无线电磁探测的研究重点之一，大功率WEM法开展的研究工作，对提高信噪比，更真实地反映地质情况，对我国不同地域的大气噪声分析和后续极低频/超低频信息处理具有重要的意义。

2 国内外研究现状分析

美国、俄罗斯在20世纪80年代建成了用于军事通信的极低频/超低频通信系统，美国在20世纪70年代进行了大量的研究工作，得出的结论是极低频/超低频大气噪声具有明显的非高斯特性，其降噪处理器需采用非线性处理器才能获得最优的性能。20世纪90年代俄罗斯将极低频无线电波应用于地震预报与地球物理探测的研究。

20世纪90年代起，我国通过与俄罗斯科学家在无线电磁探测法技术上的合作，国内多家科学研究机构开始研究无线电磁探测法在地球物理勘探和地震监测方面的应用，同时也进行了一系列的实际试验工作；2005年，中国舰船研究院联合中国科学院地质与地球物理所和中国地震局地质研究所，利用小型极低频试验台进行了一次地下资源探测对比试验和一次地震电磁监测试验［3～6］。

为适应国家经济建设增长的需求和科学技术的发展，满足大深度探测的需求，“极低频探地工程”（无线电磁探测技术)通过了国家发改委“十一五国家重大科学技术基础设施建设项目”的批准。WEM发射台的工程浩大，技术难度高，其建设周期较长，无线电磁探测信号接收技术的研究工作在我国是刚刚开始，根据多年的低频段接收系统研制经验和技术，通过与俄罗斯联合研制磁性接收天线，已经成功地研制出无线电磁探测仪，为极低频/超低频电磁信号与大气噪声的接收奠定了基础。

应用地球物理中常用的频率域电磁探测方法有：大地电磁探测法（MT)、可控源音频大地电磁探测法（CSAMT)。由于MT法探测深度大，但利用的是天然源信号，信号本身的随机性和微弱性造成抗干扰能力弱、测量误差大，因而探测精度不高。而对于CSAMT法，虽然采用了人工源，信号增强，提高了探测的精度，但由于发射机的移动性与发射功率之间存在矛盾，限制了采用更大功率发射信号的可能性，因此很难用于更大深度的勘探能力。

大功率WEM法的特点是人工发射信号强度大，抗干扰能力强，信号稳定，测量误差小，覆盖全国大部分地区，可配几十部接收机大面积组网实现大范围多次覆盖信息同步观测，为地球科学应用基础研究、资源探测和环境监测等提供一个强有力的新工具。

3 研究方案与关键技术研究

3.1 研究方案

大功率无线电磁探测法利用发射台发射的极低频/超低频信号，采用无线电磁探测仪在极低频/超低频电磁场的中、远场区域对接收的电磁信号与天然交变电磁场信号进行分析与计算，通过研究信息处理算法，设计专用软件对采集的信号与噪声进行处理、分析，研究出实用的降噪及信息处理方法，为资源探测和环境监测服务［7～16］。

1)极低频/超低频信号场强理论计算

美国在20世纪70年代对极低频/超低频电磁波的传播特性进行了大量研究工作，其中D.P.White等人对影响传播特性的电离层、电磁场引起的各向异性等提出了各种不同的解决方法；国内中科院、武汉大学等单位也对极低频/超低频的电磁波响应特征进行了大量的研究，对极低频/超低频电磁场的理论场强计算方面已经取得了突破性进展；由于极低频/超低频电磁波信号的收发距可在几十公里至几千公里的范围，在计算极低频/超低频电磁场场强时同时需考虑地下电性结构带来的影响。在成功建设极低频/超低频试验台并开展验证试验的基础上，完善了极低频/超低频电磁场场强分析理论，为观测点上电磁场场强的估计提供理论参考。

2)在观测点上测量极低频/超低频电磁信号与大气噪声

极低频/超低频大气噪声的测试主要采用无线电磁探测仪，开展极低频/超低频电磁信号与大气噪声的测量，并计算出观测点上极低频/超低频电磁信号与大气噪声的场强，为降噪方法研究奠定基础。测试设备包括无线电磁探测仪一套、专用不极化电极四个、专用接地电极一个、专用磁场传感器三根、还需配套笔记本、GPS天线、数据快速存储设备等。在野外观测点上的现场测试系统布置如图1所示。

3)极低频/超低频大气噪声统计分析

由于极低频/超低频频段受发射系统天线辐射效率、传输路径以及接收环境等条件限制，进一步提高发射信号强度存在困难，距离远时接收到的电磁信号往往十分微弱。而该频段又是自然、人文干扰集中的频率范围，这给准确测量该频段的电磁信号带来了很大的困难。

图1 电磁探测接收装置的系统布置示意图

为了更好的完成信号提取和降噪处理的工作目标，通过实验手段对极低频/超低频信号与大气噪声进行现场采集，得到的数据再分析包括收发位置的影响、大气噪声的时域特征、大气噪声的统计特征等信息，还需在得到统计数据的基础上对已有大气噪声经验模型进行评估，为信号提取和降噪处理工作做好准备。

4)降噪处理方法研究

降噪处理分WEM发射信号处理与降噪方法、天然大地电磁场信号处理与降噪方法两种不同目的分别进行。

为了扩大无线电磁探测方法的应用范围，增加探测精度，必须采取适当的方法降低噪声干扰，才能提高信号的信噪比，改善接收信号的质量。对目标频段内电磁信号与大气噪声的时域和频域特性进行分析，得到长变化周期、噪声模型、雷电脉冲等统计信息。在了解掌握噪声特征及其规律后，通过信号仿真、实际资料处理，研究并选择合理的降噪方案。

基于ROBUST估计原则的时域消噪技术、变换域处理技术、滤波技术、基于加权回归算法等多种时域和频域算法融合的分析方法，实现非平稳信号的频谱分析和降噪处理。

ROBUST算法的基本原理是地表以下特定方向上的电磁波比值具有长期稳定的阻抗特性。该算法是对传统最小二乘法的改进，主要使用了尺度估计和适当的加权系数，根据观测误差的大小对数据进行加权，注重未受干扰的数据，降低了异常点的权值，使功率谱估算质量得到明显的提高。

小波变换和HHT变换是近年用于瞬时信号处理的两种重要变换域处理方法，对于改善和消除信号中的脉冲干扰有一定效果，而近场干扰和雷电脉冲等非高斯信号正是极低频/超低频频段噪声的主要来源。

3.2 关键技术

1)极低频/超低频电磁信号数据处理技术

数据处理工作需要合理设计陷波器、削波器、相关检测以及非线形窄带处理器等。软件开发方面编制仿真、处理程序，利用Fourier变换等数据处理技术，估计电磁信号的功率谱。利用现场采集的实测信号可作对比，验证信号处理部分设计的准确性和实用性。其关键技术包括相关检测技术、功率谱及其误差估计技术等。

2)极低频/超低频噪声处理技术

极低频/超低频电磁噪声主要包括电力干扰、天线噪声、接收机噪声以及大气噪声等，电力干扰可以采用窄带工频陷波器滤除基波和谐波的干扰，天线噪声、接收机噪声为固定噪声可通过优化设计来减小，而大气噪声具有很宽的频谱，其特点有明显的非高斯特性，因此降低大气噪声对提高整体接收信号质量尤为重要。研究表明，大气噪声信号可以简化为高斯背景噪声加尖峰脉冲等非高斯噪声组成的模型，针对大气噪声的非高斯特性，可以用削波器去除大的尖峰脉冲的影响，用非线性窄带处理器处理后，通过相关检测等软、硬件方法求出大气噪声的功率谱，降低噪声的干扰，提高电磁信号的信噪比。

3)存储数据快速处理技术

由于现场测试的时间很长，数据信息量十分庞大，存储数据回放需采用快速回放技术，重放加速的影响使信号或噪声的带宽加大，因此在数据处理时需要增加校准因子还原信号或噪声测试时的场强，其关键技术为计算回放速度与校准因子的比例关系等。

4 结语

基于大功率人工源的无线电磁探测技术的发展在我国刚刚起步，由于极低频/超低频信号通过地面与电离层之间的“波导”传播，其信号衰减小，可以传播数千公里范围，因此通过把大功率人工源的无线电磁探测法与天然源大地电磁法结合起来进行采集处理的方法，既补充了现有天然源MT方法接收信号弱，探测精度低的缺点，又补充了人工可控源音频电磁法（CSAMT)设备笨重，探测深度浅（1～2km)覆盖范围小的缺点，将极大提高地质勘探的工作效率和精度，可满足能源和资源勘探、工程环境勘察、地震火山灾害监测、地壳上地幔结构探测、海洋和空间电磁测量等大深度探测的需求，为地球物理、空间物理和无线电物理等学科的研究提供了新的科学技术手段。

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