瞬變電磁法弱信號檢測技術研究

圖3給出了筆者自行研制的ATEM-II型儀器系統(tǒng)框圖。利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）提供的高精度定時信息研制成功時間同步控制裝置，較方便地解決了TEM發(fā)射機與接收機遠距離同步問題。實現(xiàn)了重復脈沖激發(fā)、同步密集采集、數(shù)字處理的TEM信號檢測。圖4給出了發(fā)射電流、同步脈沖及TEM信號示意圖。

2.3雙極性數(shù)字化TEM信號處理算法分析

根據TEM信號特征和對噪聲的認識，在ATEM-II型儀器系統(tǒng)中設計實現(xiàn)的主要處理算法及流程如圖5所示。包括儀器測量中的實時處理和室內后處理兩個過程，本文僅分析實時處理同步疊加平均算法與奇異數(shù)據剔除。

設發(fā)射電流穩(wěn)定，發(fā)射周期T等參數(shù)不變，發(fā)射與接收同步誤差可忽略，在同一點觀測條件下， N個一次場周期內雙極性TEM信號就能夠重復，通過2N次同步采集和交替變換極性迭加平均處理，提高信噪比，其算法表達式

xm(k)表示第m個原始采樣序列,y(k)表示累加平均器輸出序列， M為采樣點數(shù)， M ＜T/4T_s ， T_s為采樣間隔，T為發(fā)射周期，N為周期數(shù)。y(k)與xm(k)為線性關系，通過傅里葉變換求得迭加平均器的頻率域傳遞函數(shù)幅度特性為

設ω= 2π/T為基波頻率，

該疊加平均器是一個梳狀濾波器，其窗口位于信號重復頻率的奇次諧波處，保證信號的無失真輸出。梳狀濾波器的各譜窗口寬度近似公式Δf = 2 2/πNT ，設TEM信號疊加了白噪聲，經過N個周期2N次迭加平均后，信噪提高比（ SNIR） R_SNIR = 2N.梳狀濾波器傳輸零點與疊加次數(shù)、發(fā)射周期有關，適當選擇T和取平均周期數(shù)N就可以隨意設置零傳輸點，對消除某些頻率的干擾是非常有利的。如果發(fā)射信號周期T是干擾（如工頻干擾）周期的整數(shù)倍且疊加偶數(shù)次，周期干擾基波和諧波頻率與傳輸零點重合而消除；采用分組疊加平均后再進行組數(shù)平均，對抑制白噪聲是等價的，而對某些頻率點干擾噪聲的抑制能力會有所不同，若能根據干擾頻率（如大氣層釋放電荷引發(fā)的閃電共振點頻率8Hz、14Hz、20Hz、32Hz） ，確定組內疊加次數(shù)是值得深入探討的問題。

同步疊加平均算法對平穩(wěn)噪聲有較強的抑制能力，對等精度測量的重復信號不奇變；而對尖脈沖干擾等造成的奇異數(shù)據（稱為壞值）沒有甄別能力。如果不剔除，勢必影響疊加平均效果，嚴重時數(shù)據不可信。因此，在疊加的同時，必須能夠剔除奇異數(shù)據。ATEM-II型儀器中采用了統(tǒng)計方法進行壞值剔除。根據拉依達準則，在正態(tài)分布的等精度重復測量中，隨機誤差大于3倍標準差的置信概率僅為0.0027.因此，測量誤差大于3倍標準差，則可認為該誤差屬于粗大誤差，該數(shù)據就可以被剔除。在數(shù)據采集和疊加過程中，從第10個周期（少于10個周期拉依達準則失效）以后，每采集1個周期，就計算不同周期相同采樣點的標準差和剩余誤差；若剩余誤差大于標準差的3倍，則剔除，并以算術平均值代替之。

圖6所示實測結果為不同疊加次數(shù)TEM信號晚延時段的對比，結果表明，疊加2048次的衰減信號比疊加128次的衰減信號噪聲水平大大降低，按理論計算，信噪比應該改善4倍，但從實測的信號來看，由于噪聲并不完全是白噪聲，還疊加有其他性質的噪聲，信噪提高比約7倍。

表2給出了不同疊加次數(shù)、相同增益下，以沒有疊加的實測數(shù)據為基準，對信噪比改善程度的統(tǒng)計結果。在考慮信噪比和選擇疊加次數(shù)時，要注意到實測信號和噪聲特性，通常在實地測量之前，要做一測試，適當選擇疊加次數(shù)。因為，只盲目增加疊加次數(shù)不僅增加了儀器采集的時間和工作量，而且對信噪比的改善并不明顯。

3結論

本文在簡要地介紹瞬變電磁法原理基礎上，重點研究了TEM信號同步采集與實時處理算法，給出了實測結果。得出結論：

1）采用高速高精度A/D轉換器和數(shù)字信號處理器實現(xiàn)同步采集與數(shù)字疊加軟件積分取代多個模擬電子同步取樣積分器是可行的，簡化了儀器硬件，便于充分運用數(shù)字信號處理多種方法及軟件的靈活性；

2）雙極性同步疊加平均等效的梳狀濾波器，對等精度測量的重復信號不奇變，傳輸零點與疊加次數(shù)、發(fā)射周期有關，適當選擇發(fā)射周期T和取平均周期數(shù)N就可以隨意設置零傳輸點，對消除某些頻率的干擾是非常有利的；

3）對TEM信號特征和對噪聲的認識是實現(xiàn)弱信號檢測的前提；

4）據拉依達準則，測量誤差大于3倍標準差