基于互相关算法的CSAMT 接收信号处理研究

周逢道，周子平，于海明，杨 成

(吉林大学a.仪器科学与电气工程学院;b.地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春130026)

0 引言

CSAMT(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric)实际勘探时，测量条件和环境因素比较复杂，系统接收信号往往含有较多的噪声和干扰。地面检测到的环境噪声大部分是宽频带的随机噪声，这种噪声在整个频率轴上广泛分布，并且能量恒定，与目标信号融合在一起，严重干扰了信号的清晰度。这也使在CSAMT勘查中常规的数据处理技术难以用来压制目标信号中的各种噪声，在噪声干扰严重的矿区和郊区测量效果不佳。

目前，在CSAMT实际勘探中，衰减噪声干扰的方法主要有以下两种:1)增大发射机的发射功率，该方法使二次信号幅值得到提升，但会加大发射机功耗，不能避免射频干扰问题;2)提高接收机的抗干扰能力，该方法可适当抑制干扰信号，但其成本较高，不能有效解决瞬间干扰或常态下的高压线干扰［1］等问题。

针对以上问题，根据发射信号与接收信号不同时刻对应取值相关性强，与随机噪声相关性弱的特点，笔者提出了一个基于互相关算法压制噪声信号的方法。设计发射信号电流波形记录器，记录CSAMT测量系统发射电流信号，经过模拟调理、数字处理后，与接收数据利用Matlab进行互相关运算，提取有效数据。该方法实现了CSAMT接收数据各频率点幅度和相位参数的精确提取，提高了接收数据质量，可有效抑制测量过程中环境噪声的影响。

1 CSAMT工作原理

相比于传统的大地电磁法(MT:Magnetotelluric)和音频大地电磁法(AMT:Audio-frequency Magnetotellurics)，CSAMT方法具有勘察深度大，分辨能力强，快速高效等优点，且更容易获得对地变化较灵敏的相应信息的特点。该方法被广泛应用于矿产资源、油气资源、水资源以及煤炭资源的勘察。CSAMT系统包括信号发射系统，接收系统和数据软件处理系统［2］。CSAMT勘探时，发射系统由接地电极A、B向地下输入某一音频谐变电流作为激励场源，其发射频率一般为万赫兹到零点几赫兹，分布式接收机放置在距离发射电极AB10 km左右的平行测线上。由于不同岩石的电导率存在差异，在电流流过时产生电位差，接收到不同供电频率形成一次场电位。CSAMT基于麦克斯韦方程和电磁波传播理论，即测量相互垂直的磁场分量和电场分量［3］，水平电场和垂直磁场的表达式为

其中ρ为均匀半空间的电阻率，I为发射电流，l为极距，r为收发距离。根据

计算卡尼亚视电阻率和阻抗相位求取地下电阻的视电阻率［4］。其中ρs为视电阻率;φz为阻抗相位;和分别为的幅度和相位;μ为磁导率，ω为角频率。

CSAMT是探测地下不均匀体非常有效的物探方法。通过理论计算可为实际探测提供参考。CSAMT测量系统的工作原理如图1所示。

图1 CSAMT测量系统工作原理图Fig.1 CSAMT measuring system working principle diagram

2 发射信号电流波形记录器设计

由式(1)、式(2)可知，CSAMT法在远区观测的水平电场和垂直磁场均与电流I成正比关系，可见电流是重要计算参数也是重要反演参数。CSAMT发射电流的频率范围一般在0.1 Hz～10 kHz，考虑到国内电法发射机实际勘探时的供电电流在高频段应大于2.5 A，低频段应大于15 A，以保证足够的场强压制干扰。为解决大范围动态电流波形记录问题，笔者设计采集范围为0.1～50 A，频率范围为0.1 Hz～10 kHz，采集电流精度为0.1 A的发射信号电流波形记录器。

发射信号电流波形记录器设计主要包括:霍尔电流互感器，前置模拟调理采集电路，模数转换器和现场可编程门阵列(FPGA:Field Programmable Gate Array)数字逻辑控制电路。发射电流波形记录器将发射机发射的电流信号模拟调理，并利用模数转换器将其数字化，采用FPGA作为接口电路，通过总线连接接收控制命令并执行，对模数转换器输出的串行数据实时转换后暂存于静态RAM中，通过USB将数据上传于工控机中硬盘存储，供后续处理［5］。发射信号电流波形记录器硬件框图如图2所示。

图2 发射信号电流波形记录器硬件原理框图Fig.2 The emission current waveform recorder hardware principle diagram

2.1 前置模拟调理采集模块

前置模拟调理采集电路［6］采用多级程控放大电路，使信号动态范围扩大。低噪声、高速精准型运算放大器LT1007将电流信号转换为电压信号，并使用截止频率为10 kHz的低通滤波器滤掉射频干扰，以防止高频信号混叠在低频有用信号中。LT1352带阻滤波器将信号中50 Hz的工频干扰限波，通带增益为0。反相比例放大器将电压信号放大10倍，通过差分放大电路抑制共模信号［7］。

2.2 模数转换模块

采用高速24位∑-Δ型高精度模数转换芯片AK5394AVS为核心的采集卡，使模拟信号数字化。AK5394AVS过采样率为128倍，最高采样率可达216 kHz，短路噪声为123 dB。该模块是数据采集的核心部分，由于AK5394AVS采样率和位数均高，对USB单片机的读写速度要求较高，占用其内部的大量资源，因此，笔者采用FPGA完成AK5394与USB控制器的硬件接口，模数转换器与USB通过大容量FIFO(First Input First Output)相连，模数转换后的串行数据缓存在内嵌于FPGA内部的高速FIFO［8］，再通过USB传送到工控机内，形成二进制数据文件存储于硬盘内供后续处理。模数转换硬件连接示意图如图3所示。

图3 模数转换硬件连接图Fig.3 Diagram of ADC hardware interface connection

2.3 数字逻辑处理模块

数字逻辑处理模块采用16位USB控制器和Altera公司的CycloneⅢ系列FPGA器件EP3C40Q240C8组成低功耗控制核心。FPGA［9，10］起到了一个重要的总线驱动作用，其内部FIFO被分为低16位和高8位两个空间，FIFO为先入先出堆栈式结构，系统无需添加任何地址线，简化了电路结构。FPGA设计底层采用VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)语言编写，固化在FPGA片内。EP3C40Q240C8完成USB控制器总线译码功能，并完成各板卡需要的控制时序。USB控制器选用CY68013-128AC［11］，实现工控机与各功能电路模块的控制与数据传输。其内部嵌入了增强型的8051微处理器，智能串行引擎(SIE)和USB2.0收发器，提高了运行速度，简化了固件代码的开发。

3 数据处理软件设计

3.1 信号互相关检测原理

设两路同频率的正弦信号f1(t)和f2(t)，分别叠加了噪声n(t)和v(t)，随机噪声与正弦信号互不相关，随机噪声信号互不相关，表达式如下

则f1(t)和f2(t)的互相关函数为

式(7)中，互相关函数运算结果只含有同频率正弦信号的幅度和相位，有效提取了目标信号，噪声得到抑制。理论上，为便于计算，可以建立幅度为1，相位相差90°，同频率的两个参考信号r1(t)和r2(t)，分别与待测信号f1(t)进行互相关运算，得到被测信号的幅度和相位分别如下

其中Rf1r1(0)为f1(t)和r1(t)的互相关函数，Rf1r2(0)为f1(t)和r2(t)的互相关函数［12，13］。

3.2 数据采集与处理工作流程设计

数据采集工作流程采用C语言固化在USB单片机内。图4为数据采集工作流程图。系统上电后，初始化系统，使其进入最佳的工作状态，为后续互相关处理做准备。将外设采集的接收信号文件存储于USB存储器里，读取其内部工作配置表，选择自动扫频模式测量多个频率点。为了避免信号波形与电流波形存在相位差，采取GPS时间同步采集技术［14］逐个扫描测量与发射信号相同的频率点［15］，循环扫描后将接收数据传送于工控机内，以CMT文件格式存储。发射数据通过USB上传于工控机内硬盘存储，收发数据利用工控机中Matlab软件中的XCORR函数进行互相关处理，并进行仿真。图5为数据处理工作流程图。

图4 数据采集工作流程图Fig.4 Flow chart of the data collection workflow

图5 数据处理工作流程图Fig.5 Flow chart of the data processing workflow

4 实验测试及数据处理

为了检测基于互相关算法处理数据对CSAMT方法测量性能的影响，对青海贵德扎仓寺地热勘探野外测量数据进行互相关处理。

图6为测试数据曲线互相关前后对比图，提取CSAMT测量部分接收数据，以及使用笔者设计硬件采集发射数据并利用Matlab软件与该组接收数据互相关处理后的结果利用Matlab成图。可以看出，接收信号记录中含有较多强噪声，致使记录曲线不够平滑。经过互相关处理后，接收信号记录中随机噪声得到衰减，有效数据突出，整体曲线平滑，未出现局部跳变点，这是因为在信号记录中的随机噪声经过滤波和相关算法得到了处理，剩下的就是弱能量的接收信号，即有效数据，信噪比有了提高。结果表明，互相关算法不仅能将随机噪声衰减，还可以突出有效数据，具有检测弱信号的能力，显著提高接收信号的信噪比，提高了CSAMT探测的工作效率。

图6 测试数据曲线互相关前后对比图Fig.6 Before and after cross-correlation test data curves contrast figure

5 结 语

理论分析和实际数据处理结果表明，互相关算法应用在CSAMT中可以衰减接收器接收信号记录中的随机噪声、提高接收信号的信噪比，达到抑制噪声的目的。在实际操作中，利用互相关算法的特点，使用Matlab软件建立合理的互相关函数及参数，可以提高有效信号记录的分辨率。互相关算法应用广泛，不仅可以应用于可控源音频大地电磁法的数据处理中，在各种弱信号检测中都可以发挥重要作用，具有较强的推广性和实用性。

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