（地球探测与信息技术专业论文）伪随机多功能多频观测系统的数据处理研究.pdf

摘要 中南大学物探所长期以来一直致力于物探电法仪器的研制工作，先后研制 出双频激电仪、三频激电仪、堤坝渗漏仪等。本文主要涉及了该所新研制的伪随 机多功能多频观测系统，简要介绍了该仪器的工作原理，而以主要篇幅介绍了该 仪器软件部分中的数据处理功能。文中总结了几种常用的电法工作装置数据处理 方法，包括有广泛应用于电阻率法和激电法的中梯装置、联剖装置、偶极装置、 对称四极测深装置以及属于电磁法观测范畴的c s a m t 法工作装置，并根据该仪 器运行要求编制成相应的程序。最后提供的直接运行于仪器中d o s 环境下的数 据处理程序针对伪随机多功能多频观测数据的特点，按工作装置的不同分类进行 处理，实现物探原始数据的演算及成图，作出的图件包括ps 、f s 、中的剖面 图以及根据解释需要作出的平面等值线图。另外用于室内工作运行于w n q d o w s 环境下的数据成图解释程序弥补了d o s 程序的不足，能够对相关图件实现存储、 打印，并对对称四极测深装置类型数据做出一维反演结果。 关键词：伪随机信号数据处理 a b s t r a c t i n s t i t u t eo fa p p l i e dg e o p h y s i c si nc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t yh a s1 0 n g b e e nt a k i n gu pw i t hd e v e l o p i n gi n s t r u m e n t su s e di ne l e c t r i cm e t h o da n d h a sb r o u g h to u td o u b l ef r e q u e n c yi pi n s t r u m e n t ( s qs e r i e s ) 、t r i f r e q u e n c y i pi n s t r u m e n t 、d a m s e e p a g em e a s u r i n gi n s t r u m e n t ( d bs e r i e s ) t h ea r t i c l e w h i c hm a i n l yi n c l u d e sp s e u d o r a n d o mm u l t i f u n c t i o nm u l t i f r e q u e n c y s u r v e y i n gs y s t e m 。s i m p l yi n t r o d u c e st h ei n s t r u m e n t sw o r k i n gp r i n c i p l e ， b u tu s e sm o s tc h a p t e r st op r e s e n tt h ed a t ap r o c e s s i n ga b i l i t yo ft h e a p p a r a t u sw h i c hisc a r r i e do u tt h r o u g ht h ei n s t r u m e n t ss o f t w a r e p r o g r a m s t h ea r t i c l eh a ss u t t i i t l a r i z e ds e v e r a la r r a y s d a t ap r o c e s s i n g m e a n sw h i c ha r ea l w a y su s e di ne l e c t r i cm e t h o d ，s u c ha sc e n t r a lg r a d i e n t a r r a y 、t r i p o l ea r r a y ( a l w a y su s e du n i t ep r o f i l i n g m e t h o d ) 、d i p o l e d i p o l e a r r a ya n ds y 唧e t r i ct e t r a p o l es o u n d i n ga r r a yw h i c ha r ew jd e l yu s e di n r e s i s t i v i t y m e t h o da n d i p ( i n d u c e dp 0 1 a r i z a t i o n ) m e t h o d ， a s c s a m t ( c o n t r o 】l e ds o u r c ea u d i o f r e q u e n c ym a g n e t o t e l l u r i c s ) a r r a yw h i c h b e l o n g st oe l e c t r o m a g n e t i co b s e r v i n gc a t e g o r y a n dt h ep r o g r 锄sa r em a d e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ei n s t r u m e n t s r u n n i n g a t1 a s t ，t w o p r o g r a m s a r ea v a i l a b l e o n er u n si n d o s ( d i s ko p e r a t i n gs y s t e m ) e n v i r o n m e n t sd i r e c t l yb yt h ei n s t r u m e n ta n dt h a ti sp r o g r a 唧e du 兀d e rt h e c o n s i d e r a t i o no ft h ec h a r a c t e r so f p s e u d o r a n d o mm u l t i f u n c t i o n m u l t i f r e q u e n c yo b s e r v i n gd a t a t h ep r o g r a mc l a s s i f i e st h ed a t aa c c o r d i n g t od i f f e r e n ta r r a ya n d p r o v i d e sg r a p h so ff s ( a p p a r e 八tf r e q u e n c y d i s t r i b u t i o nr a t i o ) 、ps ( a p p a r e n tr e s i s t i v i t y ) 、巾( r e l a t j v ep h a s e ) s e c t i o n a ld r a w i n ga n dc o n t o u rg r a p hi fi ti sn e e d e d a n o t h e rp r o g r a i 玎r u n s i nw i n d o w se n v i r o n m e n t sw h i c hr e m e d i e st h es h o r t c o m i n g so ft h ef i r s to n e t h a ti s i tc a ns t o r ea n dp r i n tt h eg r a p ha n dg i v eo u tt h eo n ed i m e n s i o n b a c k w a r d sr e s u l to ft h ed a t ao b t a i n e db ys y m m e t r i ct e t r a p o l es o u n d i n g a r r a v k e y w o r d ： p s e u d o r a n d o ms i g n a l d a t ap r o c e s s i n g 1绪论 伪随机多功能多频观测系统的研制开发综合考虑了物探电磁法仪器的发展 要求，其数据预处理软件的编制吸取前人所长自成体系。 1 1 电磁法仪器的现状及进展 在应用地球物理学中，电磁法勘探是一门方法种类最多、应用面最广、适用 性最强的分支学科，被广泛应用于找矿、找水、地下管线探测以及工程质检等方 面，在方法理论、方法技术上都形成了比较成熟的体系，而做为电法勘探的不可 缺少的组成部分电磁法仪器，也在一步步地推陈出新，以适应电法工作的需 要13 “。 随着电子技术的发展再加上电子计算机的迅速发展及普及以及各种功能 强大的程序语言的出现，使得电法勘探工作也取得较大发展。首先是仪器中采用 了各种先进的电子元器件，大大提高了仪器的性能，测量数据以智能型数字式显 示，消除了读数时的人为误差；仪器体积也进一步减小，重量减轻，便于携带： 再有就是单片机的应用使得仪器操作步骤简化，节省了野外工作时间。3 1 更好的 设计是仪器测量结果不再由人去手工记录，可以自动存储所测数据，测得的野外 数据在室内输入计算机上由技术人员运用各种商用软件( 如s u r f e r 、 g r a f w i n ) 或自编程序进行数据变换、成图及解释等工作。如中国地质大学的 罗延钟、王华军等编制的电阻率法和激电法微机软件系统“1 ，安徽煤田地质局物 探测量队吴有信编制的直流电法数据处理及解释系统5 。等。 那么从仪器的发展总趋势多功能智能化角度来看，这种工作是远远达 不到要求的。于是，又提出，用软件控制硬件这种方法最明显的好处就是可实 现仪器的多功能。在进行软件控制时，仪器在c p u 的指挥下，按照软件流程不断 取指( 令) ，寻( 地) 址，进行各种转换，逻辑判断，驱动某一执行组件，使仪 器的工作按一定顺序进行下去。”1 这种软件转换带来很大的方便，其硬件组成是 统一的，不必象过去硬件逻辑中那样许多一一对应的专用电路，而且软件的灵活 性很强，当需要改变功能时，只改变程序即可，并不需要改变电路。 在这方面，许多西方发达国家的地球物理勘探仪器都做得比较成功。 例如美国z o n g e 公司生产的g d p 1 2 、g d p 1 6 、g d p 3 2 系列仪器，加拿 大凤凰公司生产的v 一4 、v 5 系统都可完成多种电法工作，且功率大，供 电电流可达几十安培。这些仪器都在朝微机化、多功能、大功率方向发展， 并将和g p s 一体化。 国内生产的电法仪器也紧跟潮流。且有自己的特色。吉林大学工程技术研究 所研制的e 6 0 系列电法勘探仪主要用于高密度电法，仪器能够智能开关电缆电 极，进行实时高密度电阻率数据成像与分析，还能对高密度双频激电数据成像。 重庆奔腾数控技术研究所研制的多功能数字直流激电仪发射、接收一体化，能进 行常规电法装置的测量工作，并将测量结果绘成曲线表示。 总之，物探仪器正朝着高精度、多参数、多分量、大功率、测地g p s 化、数 据处理及成图自动化及资料解释智能化方向发展。 中南大学物探所多年来一直致力于电法仪器的开发研制工作，先后研制出双 频激电仪、三频激电仪、微测深仪、堤坝渗漏检测仪等，在生产应用中起到了不 可估量的作用。 该所何继善院士经长期的研究，提出2 “系列伪随机场源激电法，该方 法的指导思想就是采用相邻两个主频( 或叫基频) 频率比值为2 的系列特 殊波形，多频同时发射，多频同时接收。在这一理论指导下，中南工业大 学已研制出相关的仪器一一伪随机三频激电仪和伪随机五频激电仪。但这 些仪器基本上功能都比较单一，双频、三频、五频激电仪均只使用了一种 2 “系列伪随机信号，只能观测一种特定的信号，互相之间不能通用，不能 实现真正意义上的多功能。 新近正在研制的伪随机多功能多频观测系统在设计之初就考虑到仪器的智 能化、轻便化，采用内置计算机p c 1 0 4 对仪器内部的各种芯片进行选择组合， 发射接收不同频率组合的伪随机电流波形信号，实现了仪器的多功能。它吸取 了目前国际上各先进电磁法仪器的优点，但又不是简单的模仿，可支持 1 1 2 8 h z 一8 1 9 2 h z 宽带的电磁测量，还可支持最多同时7 个频率的频谱测 量。 在具体实现上，使用了模拟傅氏变换采样技术，使得低速的a d 转 换器也能满足测量要求。嵌入式控制系统p c l 0 4 的引入，提高了仪器的灵 活性、可靠性并能实时地处理野外数据，为野外工作提供方便。 1 2 软件编制目的及意义 应用伪随机多频激电仪可做多种方法的电法测量，主要包括：( 1 ) 伪随机信 号电阻率法：根据需要可以使用一个或多个频率的信息( 包括振幅、相位等) ， 因此，它事实上是多频的复电阻率法：( 2 ) 伪随机信号激电法：工作在超低频范 围( 一般在n 1 0 一3 n 1 0 2 h z ) ，在此频率段内，发送机电流可以激励起电化学反 应，且随着不同的频率，其反应是有差别的；( 3 ) 伪随机信号电磁法：目的是地 面以下到1 3 公里左右范围的伪随机信号电磁法，其频率范围为n 1 0 n 1 0 h z ， 在必要时为了不同目的可划分为几个深度级：( 4 ) 伪随机信号充电法：本法主 要是查明矿体或导电体的形态、产状，其频率范围可以较窄，且较低：( 5 ) 其它 变种：根据现场条件，可以组成各组测量方式，例如非线性现象的测量、矢量测 量、地下管线测量等等。那么，在软件设计中，就要考虑到如何全面、快速地处 理这些各种方法所测得的数据。首先，对测得的数据进行预处理，方法是大体相 同的。 人们进行电法勘探的目的，就是为了分辨大地的电能特征。电法勘探可以概 括为，利用人工场源或天然场源作为激励信号，通过观测大地系统在上述激励信 号下的响应信号来认识大地系统的电性特燃。大地系统的电性特性通过大地系统 对激激信号的额涛响应来识澍。佬疆穰多籁信号处理的裰本任务，裁楚魏鹰禳蠢 伪随机多频激励信号和观测到的伪随机雾频响应信号有效地估计大地系统的频 谱。有了大地系统的频谱响臌，就可以计算出视电阻率、视极化率、视频散率、 援笺电阻率、激泡鞠蕴等她球凌理参数。 对于电法数据的解释处理软件，国内外的学者都傲了许多有益的工作。成绩 卓箸。杨进在“激电找水资料处理解释软件系统”中采用的反演方法肖经验法反 演、最优化法反演、线性回归分析、改进的魍尼最小二乘法反演。”3 吴肖信在“直 滚滚法数赛照璎及解释系统”中采霜翡功簸分类缀畜绩蕊懑义，主要分为一维建 电断面和水平囊殷地电断面的电测深ps 曲线正演、一维电测深反演、数据处理。 王华军、罗延钟实现了常规宜流电法人机联作反演软件系统w i n d o w s 版，该系统 建立杰w i n d o w s 9 s 平台上，实现了霞规囊滚电法约野辩数摄处理、残麴帮二维 入橇联作反演解释。“ 上述的各种软件编制成聚均是物探工作者多年来探索的结晶，在生产应用中 均敬得了比较理想的效果，大大提高了物探电法数据的解释效率。但针对伪随机 多频疆溺数据戆数据楚理款 警至今识楚予起步除段，荠没有冤交竞蒋豹较彳孛翊 世。 特别值得一提的是中南大学物探所陈儒军博士在海洋高效电磁频谱响应研 究送一课题中所编制出来豹“频谱激电数攒处理软件”。渡软件主要囊多信道频 谱分柝模琰、仪器传递函数处毽模块、激魄参数计算模块三部分缓成。多信道频 谱分析模块计算多个信道观测结果的自功率谱、互功率谱、传递函数、噪声功率 谱、相干度、信噪比等参数；仪器传递函数处理模块用于计算两个电遒的输入信 号撩弱时它们之瓣豹接递函数；激毫参数计繁模块诗算涎个电遘靛竣入分裂荛激 电激励信号和响应信号时它们之间的传递函数，再除以两个电道之间的传递函 数，得出极化大地的阻抗。3 该项研究中研制的仪器也是采用伪随机波形，但数 据处理的侧重点与本文所做的工作不同，它差要用于频落测量中处理多道数据闽 蕊数关系莠去噤，纛本文要编澍漪软辞铡鬓予多功髓宅浚数据的楚理。尽管如筵， 这种数据处理软件的编制成功对我做的工作仍是一个极好的帮助。通过分析该软 件的编制原则及其中的算法，我少走了许多弯路。 蠲2 “秘随辍波擞激殛源遴学电法勘探，楚一秘蓊懿激缝竣涯鞠是行之骞鼓豹 工作方法，该方法工作效率商，在信号数据处理上，也需要根据这种伪随机场源 滋自身的特点来编制相应的处理软件。本次研制的伪随机多功能多频观测系统就 需瓣有一个相应冉勺数据信息处理软件来与之配套，这既楚仪器研制的需要，又是 方法技术耪器王律豹霉要。 在这次仪器的研制过程中，我所承担的工作就是对数据信息进行预处理。首 先就是编制直接运行于仪器中的d o s 软件，实现对数据的转换、成图、存储等。 其次，就是编制在w i n d 0 w s 环境下运行的电法数据解释工作平台，针对几种常用 的电法工作方法，完成数据成图、维反演等初步处理工作。所有的软件均基于 模块化编写，以利于以后对此类软件的再开发。 2伪随机多功能多频观测系统简介 伪随机多功能多频观测系统包括伪随机波形信号发送机以及伪随机波形信 号接收机。发送机发送的伪随机波形信号为2 ”系列伪随机波形信号，之所以采用 这种波形，与该波形信号的特点密切相关。下面将分述2 “系列伪随机信号特点、 发送机和接收机工作原理、仪器数据存储文件格式。 2 1 2 ”伪随机信号 2 ”系列伪随机信号为中国工程院院士何继善所发明和命名，该系列信号随着 n 的不同，在时间域上具有不同的波形，其频谱也相应的不同。但这些信号的频 谱有一个共同的特点，就是它们的频谱在频率为2 。0 ) 。( k = 0 ，1 ，2 ，n 一2 ，n 一1 ) 共n 个频率上大小基本相等，在这些频率上的功率之和占了信号总平均功率的大 部分，其余谐波含有的功率只占信号总平均功率的小部分，2 “系列伪随机信号的 名称也因此得来。单个伪随机信号根据n 的取值命名为伪随机n 频波。例如，当 n 的取值为3 、5 、7 时，将所对应于的伪随机信号命名为伪随机三频波、伪随机 五频波、伪随机七频波。因此，2 “系列伪随机信号是指无数个满足上述特点的信 号的集合，伪随机n 频波指的是2 ”系列伪随机信号集合中的一个具体信号。 首先对2 “系列伪随机信号进行时域分析，我们把它作为周期信号分析，将伪 随机n 频波分解成若干分段连续函数的迭加。当n 的取值不是无穷大时，可以对 伪随机n 频波进行傅立叶级数分解。 用p ( 2 ，h ，r ) 表示伪随机n 频波，在周期 o ，r ) 内可以表示为： p ( 2 ，n ，r ) = 一 一4 一丝f 丝 2 “ 2 “ 一爿丝t 丝：t 2 ”2 4 式( 2 卜1 ) 表明，伪随机n 频波振幅的绝对值不变，每个小区间的长度为 t 2 “的整数倍。 对于伪随机n 频波，n 的取值越大，波形中的间断点就越多。例如，伪随机 三频波有4 个间断点，伪随机五频波有1 2 个间断点，伪随机七频波有4 0 个间断 点，伪随机九频波有1 4 0 个间断点。 图2 卜1 、图2 卜2 、图2 1 3 分别为周期为1 秒、振幅为l 的伪随机三频 波、伪随机五频波、伪随机七频波的一个周期的波形。从上述波形可以看出2 ” hq 咿歹垆可 甜 g o坚r 系列伪随机信号与方波的相同点和不同点，相同之处是振幅的绝对值保持不变 不同之处在于：随着n 的增大，波形越来越复杂，波形振幅的变化也越来越快 这意味着信号的带宽也越来越大。 1 os 霉 。 一o5 1 1 d 5 监 。 一os 1 伪随机频渡 图2 卜1 伪随机三频波( a = 1 t = 1s ) h 卞几1 4 日# oo 1 o 2 4 晶磊) 7 o 8o9 图2 1 2 伪随机五频波( a = 1 t = 1s ) h $ n _ 匕m 镕 再对2 ”系列伪随机信号进行频域分析。 伪随机n 频波的频谱表达式如式( 2 卜2 ) 所示。 脚加护詈 1 + 2 貅咿c o s ( 划 + c o s 沏) h ， 从图2 1 4 伪随机三频波的振幅谱可以看出，伪随机三频波的频谱在 ，2 。，4 。上有较大值，在其它频率上的值较小。在上述三个频率上的相位为 一纠2 。进一步计算表明，伪随机三频波的基波、2 次谐波、4 次谐波平均功率之 和占伪随机三频波总平均功率的大部分，说明伪随机三频波的总平均功率的大部 分集中在基波、2 次谐波和4 次谐波上，伪随机三频波的命名也因此而来。对伪 随机五频波、七频波进行分析，也能得到相似结论。 伪髓机三频捩振幅谱 伪随机三频棱相位谱 图2 卜4 伪随机三频波频谱 由此可以看出，伪随机n ( n 表示3 、j 、7 、9 、1 1 、，2 k 一】，等等) 频信号 在2 。( k = o ，l ，2 ，n2 ，n 一1 ) 次谐波上有较大值。 通过上述分析，得出2 “系列伪随机波形信号的特点为： 玑波形中含有多( 奇数) 个主频率，如：3 、5 、7 、9 、1 1 、，且各个主 频率均按2 ”步进，既2 、4 、8 、，步进，因而，各个主频率在对数坐标卜是均 匀分布的，这在工程上是有很大用途的。 b 各主频率的振幅值相差不大，基本相等，如表2 卜1 所示。因此可以一 次供电、多频同时一次测量，从而使仪器电源利用率高，装备轻便。 c 各主频率起始相位相同，相位关系简单，便于进行相位谱测量。 表2 卜1伪随机多频波各主频振幅值 n 主频率 主频1主频2 主频3 主频4主频5主频6 主频7 波朱妄泳 。 = 翱波 0 9 0 0 30 6 3 6 6 o 6 3 6 6 五频波 o 6 1 7 3o 5 8 8 20 5 4 3 2o 4 7 7 50 4 7 7 5 七频波 0 4 7 7 6o 4 7 3 8o 4 6 6 50 4 5 3 2o 4 3 0 8o 3 9 7 90 3 9 7 9 2 2 伪随机多功能多频观测系统仪器 伪随机多功能多频观测系统由发送机和接收机组成。 发送机在用户操作下，通过控制频道选择键能够发送单频、双频直至七频伪 随机波形信号，每种频道方式下又均可通过控制频点选择键选择不同频点以实现 不同大小的多种频率组合。 工作时，用户根据实际工作需要，选择所要求的频率组合作为发射波形由发 送机供出，经大地传导后，包含了地质异常信号的频率组合波再被接收机采集分 析。由前文所述2 “伪随机波形的特点，发送机发送的这种电流波形能量集中，经 大地传导后，仍能很好地被接收机采集。况且多个频率波组合在一起发送出去， 由接收机一次采集，大大提高了频谱测量的效率。 发送机和接收机问采用g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 卫星时同步。 接收机采用密封式触摸键盘由用户向接收机输入系统工作参数。键盘按键分 布采用标准计算机键盘分布，显示屏采用分辨率为6 4 0 4 8 0 的黑白屏。接收机 接收来自发送机的组合波信息，当然是包含了大地地质信息的组合波形。正是通 过数学方法分析这种含有地下地质信息的波形信号，剔除噪声干扰，突出有用异 常，我们的物探工作才有了意义。 接收机可实现三个信道输入，实际工作时，用户根据工作需要选择用几个信 道何种组频来实现数据观测。要注意的是，用户在观测系统接收机控制界面上设 置组频方式时要与发送机发出的组频方式保持一致，否则，系统提示出错，采集 不到任何有意义的信息。 接收机在程序控制下实现的最大数据采集规模为：3 个模拟信道和3 个a f t 单元( 三道单频) 、2 个模拟信道和4 个a f t 单元( 双道双频) 、1 个模拟信道和 7 个a f t 单元( 单道七频) ，此外，还可以实现两个测深点的标量c s a m t 观测。 工作时要注意这些限制，否则无法正常工作，造成不必要的损失。 表2 2 1 各组频方案频组的主频成分布表 o 0 0 7 8 1 2 5 h z 、o 0 1 5 6 2 5 h z 、o 0 3 1 2 5 h z ， 0 0 3 1 2 5 h z 、0 0 6 2 5 h z 、0 1 2 5 h z ， 三频 2 5 h 2 、0 2 5 h 2 、o 蚴 05 h 2 、1 h 2 、2h z 1 h 2 、2 h 2 、4 h z ， 4 h z 、8 h 2 、 1 6 h z ， 1 6 h z 、3 2 h z 、6 4 h z ， 6 4 h z 、1 2 8 h z 、2 5 6 h z ， 2 5 6 h z 、5 1 2 h z 、1 0 2 4 h z ， 1 0 2 4 h z 、2 0 4 8 h z 、4 0 9 6h z ， 2 0 4 8 h z 、4 0 9 6h z 、8 1 9 2h z ， 0 0 0 7 8 1 2 5 h z 、o 0 1 5 6 2 5 h z 、 0 0 3 1 2 5 h z 、0 0 6 2 5 h z 、 o 1 2 5 h z ， o 0 6 2 5 z 、 0 1 2 5 h z 、0 2 5 h z 、0 5 h z 、l h z ， o 5 h z 、1 h z 、2 h z 、4 h z 、8 h z ， 4 h z 、8 h z 、 五频 1 6 h z 、3 2 h z 、6 4 h z ， 3 2 h z 、6 4 h z 、1 2 8 h z 、2 5 6 h z 、5 1 2 h z 5 1 2 h z 、1 0 2 4 h z 、 2 0 4 8 h z 、4 0 9 6 h z 、8 1 9 2h z ， 七频 0 0 0 7 8 1 2 5 h z 、o 0 1 5 6 2 5 h z 、0 0 3 1 2 5 h z 、0 0 6 2 5 h z 、0 1 2 5 h z 、0 2 5 h z 、0 5 h z o 2 5 h z 、0 5 h z 、1 h z 、2 h z 、4 h z 、8 h z 、1 6 h z ， 8 h z 、1 6 h z 、3 2 h z 、6 4 h z 、 1 2 8 h z 、2 5 6 h z 、5 1 2 h z ， 1 2 8 h z 、2 5 6 h z 、5 1 2 h z 、1 0 2 4 h z 、2 0 4 8 h z 、4 0 9 6h z 、 8 1 9 2h z ， 表22 1 所示为各组频方案主频分布方式的一种，从表中可看出，这种方案 中主频间的频比为2 。实际上该系统发送机可发送的伪随机波的组频方式不只这 些，主频频比也有4 、1 3 等不同值。工作中，接收机的接收组频参数设置要严格 和发送机保持一致，这样才能接收到有意义的信号。 2 3 伪随机多功能多频观测系统数据格式 伪随机多功能多频观测系统可用来进行多种电法、电磁法勘探工作。每种 工作方式下要求的采集数据记录方式各有其特点，但它们之间又有一定的共性。 分析各个特点，找出其共性，是一项重要的工作，它直接决定用什么样的记录格 式来储存该观测系统的采集数据。 伪随机多功能多频观测系统要一次性采集多个频率的伪随机信号进行分 析，通过傅氏变换分离出实分量和虚分量，再求出振幅和相位。“2 “”1 振幅单位为 t 1 v ，即为测m n 两点间电位差：相位单位为m r a d ，即为实测信号与标准信号之间 的相移。电位差参数历来是电法、电磁法工作所要研究的的实测数据，相位参数 是近年来被逐渐广泛应用的一个实测数据，它在评价金属矿地区激电异常源属性 上具有较好应用1 。 在开展电法工作时，要根据不同的工作目的采用不同的工作装置，常用的 工作装置有中梯装置、联剖装置( 三极装置) 、偶极一偶极装置、对称四极( 测深) 装置。不同的工作装置对应有不同的装置系数k 的计算公式，而装置系数在计算 测点的视电阻率时是必不可少的。视电阻率是电阻率法的主要研究对象，在激电 法中也是一个重要的研究参数。但视电阻率不能被直接测得，它只能由公式 ， p ，= k 半计算间接得出。该公式中的电流值i 由用户在工作时从发送机读出， 再手工输入接收机中，工作装置k 则由用户根据实际情况把工区中的供电a 点、 供电b 点、测量m 点、测量n 点以及测线间线距l 输入接收机，然后再通过相应 的公式计算得出。 一般情况下，物探电法、电磁法工作习惯于把一条剖面上的各个测点的测 量数据记录成一个文件“”，伪随机多功能多频观测系统也承袭这一传统，这样只 需一次定义供电点a 、b 位置以及线距就可作用于整个文件。又由于一般情况下， 一旦观测系统的组频方式确定，将在整个剖面测量过程中保持不便。需要其它组 频方式下的测量数据时，要在条剖面测完后，更改组频方式对同一剖面再测一 次，这次测得的数据可把它存为另一个文件。“ 由此，我们确定伪随机多功能多频观测系统的数据文件存储格式如下： ( 1 ) a r r a y ，( 2 ) l i n e n 。，( 3 ) a ，( 4 ) b ，( 5 ) m ，( 6 ) n ，( 7 ) d 。tj n t e r v a l ，( 8 ) c h a n n e l ( 9 ) f r e q u e n c y n u m ，( 1 0 ) f r e q u e n c y r a t e ，( 1 1 ) l 。w f r e q u e n c y ，( 1 2 ) l i n e i n t e r v a l ( 1 3 ) a r e a n o ， ( 1 4 ) d o t n o ，( 1 5 ) i ，( 1 6 ) g a i n ，( 1 7 ) a 1 ，a 2 ，a n ，( 1 8 ) 中1 ，中2 ，中n 其中，各项定义如表2 3 l 所示。 表2 3 1 数据文件项目定义表 序号名称定义 观测装置，其中o ：中梯；1 ：三极( 联剖) ：2 ： 1a r r a v 偶极偶极：3 ：c s a m t ：4 ：对称四极； 2l i n e n o 线号( ( 1 ) = 4 ：测点号) 3a电极a 点位置( ( 1 ) = 4 ：a 极起始位置) 4 b电极b 点位置( ( 1 ) = 4 ：b 极起始位置) 5m 电极m 点位置( 起始测点) 6n电极n 点位置( 起始测点) 7d o t i n t e r v a l观测点距( m ) 8c h a r i n e l 观测道数 9 f r e q u e n c y n 哪 同时观测频率个数 1 0 f r e q u e n c y r a t e 同时观测频率频比 1 1 l 0 w f r e q u e n c y 同时观测频率中最低频的频率( h z ) 1 2l i n e i n t e r v a l 线距 】3a r e a n o测区号 1 4d o t n o点号( ( 1 ) = 4 ：l 2 a b ) 1 5i电流值( m a ) 1 6g a i n增益 1 7 a 1 ，a 2 ，a n ，振幅( n l v ) ( n = ( 9 ) ) 1 8 巾1 ，中2 ，o n ， 相位( m r a d ) ( n 气9 ) ) 附加项 ( 1 ) = 0 ：0 ：( ”= 1 ：l ( a 极供电) ， 2 ( b 极供电) ；( 1 ) = 2 ：偶极偶极装置中的n 1 9o d t i o n a l值：( 1 ) = 3 ：1 ( 指示为e x l 测量值) ，2 ( 指示 为e x 2 测量值) ，3 ( 指示为h y l 测量值) ：( 1 ) = 4 ：m n 间距 1 0 在这个定义中，( 1 ) 一( 1 3 ) 组成数据文件的文件头定义行，( 1 4 ) 一( 1 9 ) 为数据文件正文第一行，以下各行格式同该行相同。如图2 3 1 为在该定义下建 立的一个中梯三 频观测数据存储文件内容。由文件可知，该中梯装霞电极a 位于o 号点，电极b 位于1 0 0 号点，电极m 起始点为2 9 号点，电极n 起始点为3 1 号点，供电线与测 量线线距为o ，剖面线号为0 ，测区号为o ，观测点距为2 米，观测道数为1 ，采 用三频方式工作，最低频为o 2 5 h z ，频比为4 。 _ i 。1 - ，2 9 。3 1 2 1 3 。 _ 2 s 。2 a 2 8 s 1 6 6 2 s 6 s 。6 s 7 5 a 5 1 7 1 3 2 。2 0 s 。1 6 6 1 峤，6 a 6 。3 6 。1 6 。1 2 。 3 4 2 8 s 。1 6 6 口1 6 1 5 6 2 5 。3 7 。1 日1 1 5 3 6 ，2 8 s 1 6 s 7 s ，钉6 a 昨。3 8 5 2 l 。1 2 3 8 2 8 s 。1 6 s 7 。5 8 5 。5 9 5 3 4 1 6 1 0 5 d 2 s s 1 6 s 耳。s s 5 5 6 a 5 。1 s 1 口 2 。2 b s 1 6 。7 5 j 1 8 9 3 0 。1 2 1 0 。 4 。2 8 s 1 6 3 s 5 ，3 6 3 6 6 5 10 7 2 ， 6 2 8 s 6 q 2 6 7 5 2 6 2 5 2 6 7 s 一4 口一z 日一1 0 8 ，2 b s 6 4 2 1 5 。1 6 5 ，1 5 1 ，一1 6 “5 一7 1 ，一3 1 s ， 50 。2 8 s 6 2 0 。1 3 b 5 1 1 9 5 一2 9 s 一1 3 6 一6 1 5 2 。2 8 s 6 n ，2 3 。2 1 6 2 2 2 5 ，一9 s 一3 3 。一1 5 ， s 。2 8 车。6 2 8 s ，2 8 5 s 2 8 6 s 一1 5 s ，a s 。 s 6 2 8 s 1 6 山口，3 9 7 5 皿a s 。2 a 4 3 s 日2 8 s 1 6 。s 1 。5 2 。5 3 3 2 b 一_ 5 6 b 2 8 s ，1 6 s 7 5 7 s 。s 8 a 9 1 _ 2 6 2 。2 8 s 1 6 ，s 9 7 s 。6 - 6 1 3 a 5 。1 口s 。 6 - 。2 0 s 。1 6 6 1 。6 3 6 3 s 3 1 9 。2 。 6 6 。2 8 s 1 6 6 2 6 3 6 4 匹。3 a 1 _ 0 。 6 8 。2 8 s 1 6 6 6 5 6 6 a - ，9 。3 7 i 。2 0 s ，1 6 6 7 6 7 7 s 6 9 。3 a ，8 一o s 。 图2 ，3 1 中梯三频数据文件 3 数据文件传送 伪随机多功能多频观测系统采集到的数据直接存储在仪器本身，这些数据可 通过过程控制在仪器显示屏上显示供查看、成图供分析但由于仪器内存限制以 及进一步数据处理的需要，必须在室内把这些数据传入计算机，这样就牵涉到一 个数据文件传送的问题。 在伪随机多功能多频观测系统中，数据通过串行口传入普通计算机。这样就 需要在仪器内有串行口通讯输出程序，在计算机上有串行口通讯输入程序。下面 分别介绍这两个程序的编制情况。 3 1 仪器内数据发送程序 由于仪器内安装的是d o s 操作系统，因而编制的数据输出程序t r 州s m i t 采 用的是d o s 下的串口控制命令。 程序流程图如图3 1 1 所示。其中的错误检测是用来检测由仪器发送出的数 据是否被计算机串口正确地接收到。如果计算机没有执行接收数据命令，串口没 被打开，则仪器上的串口关闭，程序退出数据输出操作。 在编程中，直接调用了d o s 操作系统串口通讯程序库a s y n c x l 工bv e r s i o n 1 1 0 。子程序t r a n s m i t ( c h a r ) 以数据文件名指针为输入变量，在程序内定 义一串口变量指针a s y n c 却o r t ，打开串口p o r t 一一o p e n ( 1 ，2 4 0 0 ， p a r o d d ，8 ，l ，0 ，1 0 2 4 ) ，该命令定义选择串口l 、数据传送波特率2 4 0 0 、选择奇 偶校验为奇校验、8 个数据位、1 个停止位、数据输入缓冲区o 字节、数据输出 缓冲区1 0 2 4 字节。然后从数据文件读入一行信息，写入串口aw r i t e ( v o i d b u f ，i n ts ，i n tn ，a s y n c 却) ，当数据依次被发送完毕，关闭数据文件，关闭串 口。在这一过程中，如接收端有接收操作，则输出缓冲区会被自动清空，执行下 一个写串口命令时，就会有新的数据被置入输出缓冲区，等待被送出，如果接收 端没有接收数据操作，则输出缓冲区被写满a w r i t e 函数返回错误信息，此时， 程序提示出错，关闭串口p o r t = a - c l o s e ( p o r t ) 。 该数据传送执行命令被安排在程序主菜单“显示数据”项内，由用户选择“数 据传送”键开始传送所选数据文件。 图3 卜1 数据传送程序框图 3 2 计算机内数据接收程序 数据接收程序r e c e i v e 被设计在w i n d o w s 操作系统下执行，程序流程图如 3 2 1 所示。 数据接收程序中的错误检测就是根据接收到数据的奇偶校验位进行奇偶校 验，如果数据传输过程中没有出现错误则程序正确执行。 设置超时检测是用于检测接收方的串口打开后，发送方是否进行了数据发送 操作，如在规定时间内2 0 秒，仍没有数据被发送过来，接收方接收不到任 何数据，则停止等待，关闭串口。 这部分程序编制用到v c h 6 o 提供的m s c o 硼通讯控件( m i c r o s o f t e o m m u n i c a t j0 n sc o n t r o i 控件) 。定义通讯控件变量为e m s c 。m m 叱p o r t i n ，设 置m j o r t i n 属性如下 圈3 2 1 数据接收程序框图 措p o r t i n 。s e t c o 黼p o r t ( 1 ) ： i f ( ! 啦_ p o r t i n g e t p o r t o p e n ( ) ) m o r t i n s e t p o r t o p e n ( t r u e ) ： 设置输入方式为二进制方式 选择串日c 渊1 打开串日 攒f j o r t i b + s e t i n p 鞋t 鹾g 蠢e ( e o 推l n p u 专鹾o d e 转i n a r y ) ： 设置波特率2 4 0 0 ，奇校验，8 个数据位，1 个停j t 位 m o r t i n s e t s e t t i n g s ( ”2 4 0 0 ，0 ，8 ，1 ”) ： 设置当接收缓冲区中的字符大子或等子l 时激发一个关于e o 越v 疑c e i v e d 懿0 n c o 嘲攀件。 m o r t i n s e t r t h r e s h 0 1 d ( 1 ) ： m j o r t i n s e t i n p u t l e n ( o ) ： 先! 委读缓冷速驭溥臻残辩数据 m j o r t i n g e t i n p u t ( ) ： 在事件响应函数o n c o m m 中检测m j o r t i n g e t c o “煳e v e n t ( ) 的邋回值，当 该傻为2 表示接收到数据，为l 0 0 9 表示接收数据有奇偶校验错误，为7 表示接 收捌数据文斧络采标志。逶避对该返回鏊豹翔断，藏藐对接牧数撂撩维逶行正魂 瞄32 2 数据接收操作界面 罔3 2 2 所示为i 十算机l 数据接收程序操作界丽，该界嘲显示的是从接改机 4数据处理 本章主要介绍了几种常用电法装置的数据预处理要求，一般的物探数据处理 方法，以及在程序编制中用到的数据转换方法。另外，简要介绍了一种测深数据 的一维反演方法。 4 1 电法分类数据处理方法 电法的工作方法是多种多样的，每种方法都又有其相应的数据处理过程。不 同的方法有着不同的解释需要，因而其数据的处理解释也就有着不同的目的，不 同的侧重点。下面结合仪器的功能，分别介绍几种常用的电法装置数据处理方法。 之所以按工作装置对电法分类介绍，是因为计算视电阻率时要用到不同装置的装 置系数计算式，同时也可根据不同工作装置的相应工作目的有针对性地作出成果 图件。 411 中间梯度法”7 1 中间梯度法装置在测量中a b 固定不变 一巩n 半 其中主测线上装置系数为 m n 沿剖面移动，ps 表达式为 一 2 a m a n - b m - b n 。“n 一 i ( 爿 彳爿v + b ，b 7 1 非主测线( 距主期f 线a b 6 范围内) 装置系数的一般表示式为 k 一“= 焉_ 石j 万一 ( 4 1 1 弋) “。丽j 矿瓦r 一 1 41 1 3 j 2 上至 降妒叫”2 。傺妒叫”2 式中x 为m n 中点的横坐标，y 为纵坐标，坐标原点取在a b 中点处。 由于中梯法布置一次供电电极，可同时观测数条测线，因此，有较高的生产 效率。利用同一供电线做出的数条测线的中梯数据可做出平面剖面图及平面等值 线图。 41 2 联合剖面装置( a m n m n b ) 联合剖面装置由两个对称的三极装置联合而成。其中电源一极接到置于“无 穷远”处的c 极，另一极可分别接至a 极或b 极。其ps 表示式为 ：k 。掣 ：k 。掣 其中即耻2 石气笋 利用联剖数据可分别做出a m n 数据的剖面图、