新方法新技术：KGR-1抗干扰电法仪介绍

电法勘探观测系统
2014年5月27日
系统辨识等效观测系统
中国地质调查局发展研究中心
理论基础—相关检测
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Wiener-Hopf方程
I(t)
冲激响应
Z (t )

ΔU(t)
对于一个线性、时不变系统，任何时间序列输入信号I(t)与输 出信号Δ U (t)之间的关系，可以通过如下卷积积分给出：
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KGR-1抗干扰电法仪介绍
中国地质调查局发展研究中心 罗先中 18910285168@163.com
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新方法新技术：KGR-1抗干扰电法仪介绍
本次汇报的内容
•仪器概况 •理论基础 •室内实验及水槽实验 •野外实测 •工作实列 •结论与发展方向
随科技的发展人文干扰日趋严重
1. 当前常规仪器主要采取加大发射功率、叠加观测等方法， 无法解决强干扰区干扰问题，电法勘探面临严峻挑战；
2.研制一种抗干扰、轻便、节能的电法仪器是非常必要的。
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2、研究现状 编码电法与仪器
Z ( s) R
I ,I
Z ( s) ( s)ds ＝Z ( )
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理论基础—相关检测 伪随机信号电法仪总结： • 按m序列波形供电I(t)； • 观测相应的电位差U(t)； • 计算供电电流I(t)和实测电位差U(t)之间的 互相关RIU(t)； • 由RIU(t)计算大地的冲激响应 Z (t ) • 对 Z (t )积分获得大地的瞬变响应Z(t) • 对 Z (t )傅氏变换获得大地的频谱 Z (i )
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3.1阻容网络实验
干扰前均方相对误差 KGR-1与 DZD-6与 干扰后均方相对误差
阻容电路 干扰条件 频段 干扰前均方相对误差 KGR-1 SQ 干扰后均方相对误差 KGR-1 SQ
KGR-1与理
DZD-6与
2200µ F
阻容电路 10000µ F 阻容电路
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1、主要研究背景及意义
国民经济建设对矿产、能源等的需求
1.找矿突破行动，整装勘查及老矿山接替资源勘查的需要； 2.国家能源政策，油田开发、页岩气开发压裂监测的需要； 3.基础地质调查，大比例尺电法基础扫面工作的需要； 4.城市物探开展的需要。
T0
0 1

t
1

t
( 2 n 1)
当 n足够大时，经过归一 化处理可写出近似式：
RI , I ( ) ( iT0 )
i 0

( )
m序列的周期自相关函数近似为单位脉冲函数δ(τ)
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带激电议研制工作，由于院系合并，项目搁浅；
4. 1994年何继善院士发出伪随机源多频激电仪； 5. 2002年，赵壁如等研制了小功率的伪随机样机PS100，开展电阻率工作； 6 2004年，英国爱丁堡MTEM公司研制伪随机信号多道瞬变电磁MTEM仪器，开展LOTEM。 7 2005年，胡文宝等开始研制了伪随机瞬变电磁仪研制。
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理论基础---过采样技术
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无干扰
加干扰（信噪比1:2）
0.1K采样率对信号的恢复能力
1K采样率对信号的恢复能 力
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小节： 1、伪随机码相关检测可以有效压制带内干扰， 时间换精度。 2、抗混叠滤波的过采样技术可以有效压制带外 干扰，两者联合用可以压制强干扰。 3、KGR-1抗干扰电法仪比常规伪随机码仪器抗 干扰效果更好。 4、KGR-1设计抗干扰能力是--120DB。铜陵冬 瓜山实测抗干扰能力-60DB，即1：1000。 5、KGR-1仪器灵敏度大幅提高，使得压裂监测 成为可能等。
8 2009年，罗先中等开始KGR-1研制工作，截至目前是“唯一在铜陵冬瓜山铜矿取得合乎精 度要求数据的物探仪器”。
9目前国内，已查询到相关专利17个。国内正开展新仪器研制的有中南大学何继善院士团队， 地大（北京）魏文博教授团队，中科院地质地球物理所邸青云研究员团队，地大（武汉）董浩斌 教授团队，长江大学胡文宝教授团队，罗延钟教授团队，……国内正在掀起伪随机编码电法仪研 制高潮，期待全新伪随机编码电法仪面世。
平均 值
观测值 平均值 观测值 -66.81 -66.85 -66.76 -66.80 132.96 133.04 132.87 132.95 132.91 132.97 132.96 132.83 132.60 132.65
平均 值
观测 值 260.68 260.87 260.70 260.82 260.71 260.81 260.85 260.69 260.33 260.34
周期为T0，位数N=15（阶数 n＝4）的最长伪随机二进制信号（m序列） 2014年5月27日
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最长伪随机二进制输入信号的自相关特点
以T0为周期m序列伪随机码信号I(t)的周期自相关函数：
n t 2 1 * t 1, RI , I ( ) I (t ) I (t )dt T0 0 1,
1. 1973年Barbier等人在海上地震用一组伪随机码控制震源的发射； 2. 1980年Duncan等人报道了采用伪随机码作为可控源的电磁勘探系统，硬件和计算机 速度的限制，相关处理和反褶积处理均非常费时，未见有进一步的研究成果和应用成果； 3. 1985-1986年，中国地质大学电法科研组在罗延钟教授主持下，开展伪随机信号宽
1-1/13Hz
2-2/13Hz 1-1/13Hz 2-2/13Hz
11.214%
6.361% 5. 543% 4.505%
215.748%
56.769% 7.128% 2.795%
17.077%
13.654% 5.668 % 4.541%
7882.986%
2247.278% 254.503% 66.679%
U (t ) Z ( )I (t )d Z (t ) I (t )

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• 对于任意给定的输入信号I(t)和相应的输出信号ΔU (t)，都可 以通过反卷积计算出冲激响应 Z (t ) 。 • 我们采用“最大长度伪随机二进制序列(m序列)” 的伪随机 码发射供电电流I(t)：
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理论基础—伪随机仪器原理图
罗延钟老师提供
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伪随机信号电法仪原理图
伪随机 码（m 序列）
发生器
冲激响应
积 分

RI ,U ( )

阶跃响应
t
Z (t )dt
Z (t )
频 谱
平均 值
观测 值 485.36 485.61 485.85 485.87 485.67 485.83 486.10 486.14 485.89 485.68
平均 观测 平均 观测 平均 观测 平均 观测 值 值 值 值 值 值 值 值 9.93 9.93 9.92 9.92 9.86 9.86 9.85 9.85 9.60 9.60 9.59 9.59 8.74 8.74 8.74 8.74
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KGR-1抗干扰电法仪是系统科学理论关于“系统辨识” 思路设计的全新的电法勘查仪器。
利用m序列的自相关特性
冲激响应
RI , I ( ) ( )

I ( t)
Z (t )

ΔU(t)
U (t ) Z ( s)I (t s)ds
考查供电电流I(t)与实测电位差ΔU(t)的周期互相关函数 T0 1 RI ,U ( ) I (t ) U (t )dt T 0 0 T
1 T0
I (t ) Z ( s) I (t s)ds dt
0 0 T0 0
0

1 Z ( s) T0 0
0

I (t ) I (t s)dt ds
( s ) ds
0
等于系统的冲 激响应 Z ( )

RI ,U ( ) 就近似
I (t )
Z (t )

U (t )
相关器
傅氏变换
I (t )



Z (t )e dt
it
Z (i )
1、原则上一次观测就获得大地的瞬变响应和频谱，完成时间域和频率域观测. 2、仪器具有很强的抗干扰能力： ①计算互相关压制不相干的随机干扰； ②积分计算时间响应和傅氏变换计算频率响应，也能压制随机干扰； ③也能通过多次叠加和其它数据处理压制干扰。
干扰后均方相对误差 KGR-1 2.733% 1.971% 0.981% 0.269% 2.807% 2.057% 1.170% 0.269% FX-1 652.814% 104.392% 171.644% 32.176% 125.948% 25.394% 43.579% 17.584%
1、视电阻率、视频散率、视相位三个参数，干扰前所测参数与理论值比较，KGR-1与常 规仪器误差相近，即反映真实值的准确度相近；5.668% 4.541% 2、干扰后所测三个参数与理论值比较，KGR-1明显优于常规仪器，即反映真实值的准 确度更高； 17 中国地质调查局发展研究中心 2014年5月27日
理论实验阻容网络电路图
2.根据电路图，解析解推导公式 R2 如下： Vi S C V 0 R1 R2 S C 1
S C
V0 R2 R2 Vi R 1 (S C R 2 1) C R 1 R 2 S R 1
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3.1阻容网络实验
1.为了验证仪器输出参数的正确 性和仪器性能指标的准确性,我 们设计了理论验证的模型.
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3.1阻容网络实验
Φs（mrad） 0.5Hz 1Hz 2Hz
Fs
阻抗值（Ω）
参数
1-1/13Hz
2-2/13Hz
0.25Hz
0.25Hz
0.5Hz
1Hz
2Hz
观测值 平均值 观测值 3.674% 3.665% 3.613% 3.627% 13.795 % 13.783 % 13.675 % 13.719 % 13.750 % 13.777 % 13.764 % 13.703 % 13.601 % 13.585 %
理论值
理论值
论值
理论值
0.102%
0.252%
0.222%
12.788%
干扰条件 阻容电路 频率 0.25Hz 2200µF 阻容电路 0.5Hz 1Hz 2Hz 0.25Hz 10000µF 阻容电路 0.5Hz 1Hz 2Hz
干扰前均方相对误差 KGR-1 2.524% 1.823% 1.058% 0.384% 2.673% 1.934% 1.079% 0.289% FX-1 1.408% 0.118% 0.997% 1.796% 2.741% 1.577% 0.403% 0.405%