大功率源無線電磁探測信息處理技術研究＊

張淑玲 沈 田

（湖北經(jīng)濟學院電子工程系 武漢 430205)

1 引言

基于大功率人工源的無線電磁探測法（Wireless ElectroMagnetic Method，WEM法)是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新的人工源電磁探測技術，其基本構(gòu)成：超過500kW大功率發(fā)射源，在高大地電阻率地區(qū)架設的數(shù)十、上百公里發(fā)射天線上，發(fā)射頻率為0.1Hz～300Hz范圍內(nèi)的極低頻/超低頻電磁信號，并在波導層傳播到數(shù)千公里范圍，采用無線電磁探測儀測量各電、磁場分量，用于研究空間環(huán)境電磁場的信息以及地下的電性結(jié)構(gòu)［1］。

傳統(tǒng)的大地電磁探測法MT、可控源音頻大地電磁探測法CSAMT等方法的理論不再完全適用于WEM探測法，對于 MT、CSAMT都無須考慮電離層的影響，而對于WEM法，由于電流源的長度已經(jīng)和電離層高度量級相同，許多觀測點上源接收距已接近或大于電離層高度，因此需考慮電離層的影響，并分析極低頻/超低頻電磁場傳播特性，在理論上確定觀測點場強［2］。

對于一定的極低頻/超低頻輻射場強，信號接收處理的最終限制為各種自然噪聲，因為干擾、天線噪聲與接收機噪聲可以做到人為控制，而大氣噪聲是隨地域、氣候以及時間變化而有所不同，極低頻/超低頻大氣噪聲的測量與分析對極低頻/超低頻信號的處理意義重大，因此大功率人工源的無線電磁探測法研究內(nèi)容涉及的極低頻/超低頻輻射場強的測量與分析，大氣噪聲測量、處理與分析以及研究噪聲規(guī)律、抑制噪聲干擾、提取有效信號始終是無線電磁探測的研究重點之一，大功率WEM法開展的研究工作，對提高信噪比，更真實地反映地質(zhì)情況，對我國不同地域的大氣噪聲分析和后續(xù)極低頻/超低頻信息處理具有重要的意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

美國、俄羅斯在20世紀80年代建成了用于軍事通信的極低頻/超低頻通信系統(tǒng)，美國在20世紀70年代進行了大量的研究工作，得出的結(jié)論是極低頻/超低頻大氣噪聲具有明顯的非高斯特性，其降噪處理器需采用非線性處理器才能獲得最優(yōu)的性能。20世紀90年代俄羅斯將極低頻無線電波應用于地震預報與地球物理探測的研究。

20世紀90年代起，我國通過與俄羅斯科學家在無線電磁探測法技術上的合作，國內(nèi)多家科學研究機構(gòu)開始研究無線電磁探測法在地球物理勘探和地震監(jiān)測方面的應用，同時也進行了一系列的實際試驗工作；2005年，中國艦船研究院聯(lián)合中國科學院地質(zhì)與地球物理所和中國地震局地質(zhì)研究所，利用小型極低頻試驗臺進行了一次地下資源探測對比試驗和一次地震電磁監(jiān)測試驗［3～6］。

為適應國家經(jīng)濟建設增長的需求和科學技術的發(fā)展，滿足大深度探測的需求，“極低頻探地工程”（無線電磁探測技術)通過了國家發(fā)改委“十一五國家重大科學技術基礎設施建設項目”的批準。WEM發(fā)射臺的工程浩大，技術難度高，其建設周期較長，無線電磁探測信號接收技術的研究工作在我國是剛剛開始，根據(jù)多年的低頻段接收系統(tǒng)研制經(jīng)驗和技術，通過與俄羅斯聯(lián)合研制磁性接收天線，已經(jīng)成功地研制出無線電磁探測儀，為極低頻/超低頻電磁信號與大氣噪聲的接收奠定了基礎。

應用地球物理中常用的頻率域電磁探測方法有：大地電磁探測法（MT)、可控源音頻大地電磁探測法（CSAMT)。由于MT法探測深度大，但利用的是天然源信號，信號本身的隨機性和微弱性造成抗干擾能力弱、測量誤差大，因而探測精度不高。而對于CSAMT法，雖然采用了人工源，信號增強，提高了探測的精度，但由于發(fā)射機的移動性與發(fā)射功率之間存在矛盾，限制了采用更大功率發(fā)射信號的可能性，因此很難用于更大深度的勘探能力。

大功率WEM法的特點是人工發(fā)射信號強度大，抗干擾能力強，信號穩(wěn)定，測量誤差小，覆蓋全國大部分地區(qū)，可配幾十部接收機大面積組網(wǎng)實現(xiàn)大范圍多次覆蓋信息同步觀測，為地球科學應用基礎研究、資源探測和環(huán)境監(jiān)測等提供一個強有力的新工具。

3 研究方案與關鍵技術研究

3.1 研究方案

大功率無線電磁探測法利用發(fā)射臺發(fā)射的極低頻/超低頻信號，采用無線電磁探測儀在極低頻/超低頻電磁場的中、遠場區(qū)域?qū)邮盏碾姶判盘柵c天然交變電磁場信號進行分析與計算，通過研究信息處理算法，設計專用軟件對采集的信號與噪聲進行處理、分析，研究出實用的降噪及信息處理方法，為資源探測和環(huán)境監(jiān)測服務［7～16］。

1)極低頻/超低頻信號場強理論計算

美國在20世紀70年代對極低頻/超低頻電磁波的傳播特性進行了大量研究工作，其中D.P.White等人對影響傳播特性的電離層、電磁場引起的各向異性等提出了各種不同的解決方法；國內(nèi)中科院、武漢大學等單位也對極低頻/超低頻的電磁波響應特征進行了大量的研究，對極低頻/超低頻電磁場的理論場強計算方面已經(jīng)取得了突破性進展；由于極低頻/超低頻電磁波信號的收發(fā)距可在幾十公里至幾千公里的范圍，在計算極低頻/超低頻電磁場場強時同時需考慮地下電性結(jié)構(gòu)帶來的影響。在成功建設極低頻/超低頻試驗臺并開展驗證試驗的基礎上，完善了極低頻/超低頻電磁場場強分析理論，為觀測點上電磁場場強的估計提供理論參考。

2)在觀測點上測量極低頻/超低頻電磁信號與大氣噪聲

極低頻/超低頻大氣噪聲的測試主要采用無線電磁探測儀，開展極低頻/超低頻電磁信號與大氣噪聲的測量，并計算出觀測點上極低頻/超低頻電磁信號與大氣噪聲的場強，為降噪方法研究奠定基礎。測試設備包括無線電磁探測儀一套、專用不極化電極四個、專用接地電極一個、專用磁場傳感器三根、還需配套筆記本、GPS天線、數(shù)據(jù)快速存儲設備等。在野外觀測點上的現(xiàn)場測試系統(tǒng)布置如圖1所示。

3)極低頻/超低頻大氣噪聲統(tǒng)計分析

由于極低頻/超低頻頻段受發(fā)射系統(tǒng)天線輻射效率、傳輸路徑以及接收環(huán)境等條件限制，進一步提高發(fā)射信號強度存在困難，距離遠時接收到的電磁信號往往十分微弱。而該頻段又是自然、人文干擾集中的頻率范圍，這給準確測量該頻段的電磁信號帶來了很大的困難。

圖1 電磁探測接收裝置的系統(tǒng)布置示意圖

為了更好的完成信號提取和降噪處理的工作目標，通過實驗手段對極低頻/超低頻信號與大氣噪聲進行現(xiàn)場采集，得到的數(shù)據(jù)再分析包括收發(fā)位置的影響、大氣噪聲的時域特征、大氣噪聲的統(tǒng)計特征等信息，還需在得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎上對已有大氣噪聲經(jīng)驗模型進行評估，為信號提取和降噪處理工作做好準備。

4)降噪處理方法研究

降噪處理分WEM發(fā)射信號處理與降噪方法、天然大地電磁場信號處理與降噪方法兩種不同目的分別進行。

為了擴大無線電磁探測方法的應用范圍，增加探測精度，必須采取適當?shù)姆椒ń档驮肼暩蓴_，才能提高信號的信噪比，改善接收信號的質(zhì)量。對目標頻段內(nèi)電磁信號與大氣噪聲的時域和頻域特性進行分析，得到長變化周期、噪聲模型、雷電脈沖等統(tǒng)計信息。在了解掌握噪聲特征及其規(guī)律后，通過信號仿真、實際資料處理，研究并選擇合理的降噪方案。

基于ROBUST估計原則的時域消噪技術、變換域處理技術、濾波技術、基于加權回歸算法等多種時域和頻域算法融合的分析方法，實現(xiàn)非平穩(wěn)信號的頻譜分析和降噪處理。

ROBUST算法的基本原理是地表以下特定方向上的電磁波比值具有長期穩(wěn)定的阻抗特性。該算法是對傳統(tǒng)最小二乘法的改進，主要使用了尺度估計和適當?shù)募訖嘞禂?shù)，根據(jù)觀測誤差的大小對數(shù)據(jù)進行加權，注重未受干擾的數(shù)據(jù)，降低了異常點的權值，使功率譜估算質(zhì)量得到明顯的提高。

小波變換和HHT變換是近年用于瞬時信號處理的兩種重要變換域處理方法，對于改善和消除信號中的脈沖干擾有一定效果，而近場干擾和雷電脈沖等非高斯信號正是極低頻/超低頻頻段噪聲的主要來源。

3.2 關鍵技術

1)極低頻/超低頻電磁信號數(shù)據(jù)處理技術

數(shù)據(jù)處理工作需要合理設計陷波器、削波器、相關檢測以及非線形窄帶處理器等。軟件開發(fā)方面編制仿真、處理程序，利用Fourier變換等數(shù)據(jù)處理技術，估計電磁信號的功率譜。利用現(xiàn)場采集的實測信號可作對比，驗證信號處理部分設計的準確性和實用性。其關鍵技術包括相關檢測技術、功率譜及其誤差估計技術等。

2)極低頻/超低頻噪聲處理技術

極低頻/超低頻電磁噪聲主要包括電力干擾、天線噪聲、接收機噪聲以及大氣噪聲等，電力干擾可以采用窄帶工頻陷波器濾除基波和諧波的干擾，天線噪聲、接收機噪聲為固定噪聲可通過優(yōu)化設計來減小，而大氣噪聲具有很寬的頻譜，其特點有明顯的非高斯特性，因此降低大氣噪聲對提高整體接收信號質(zhì)量尤為重要。研究表明，大氣噪聲信號可以簡化為高斯背景噪聲加尖峰脈沖等非高斯噪聲組成的模型，針對大氣噪聲的非高斯特性，可以用削波器去除大的尖峰脈沖的影響，用非線性窄帶處理器處理后，通過相關檢測等軟、硬件方法求出大氣噪聲的功率譜，降低噪聲的干擾，提高電磁信號的信噪比。

3)存儲數(shù)據(jù)快速處理技術

由于現(xiàn)場測試的時間很長，數(shù)據(jù)信息量十分龐大，存儲數(shù)據(jù)回放需采用快速回放技術，重放加速的影響使信號或噪聲的帶寬加大，因此在數(shù)據(jù)處理時需要增加校準因子還原信號或噪聲測試時的場強，其關鍵技術為計算回放速度與校準因子的比例關系等。

4 結(jié)語

基于大功率人工源的無線電磁探測技術的發(fā)展在我國剛剛起步，由于極低頻/超低頻信號通過地面與電離層之間的“波導”傳播，其信號衰減小，可以傳播數(shù)千公里范圍，因此通過把大功率人工源的無線電磁探測法與天然源大地電磁法結(jié)合起來進行采集處理的方法，既補充了現(xiàn)有天然源MT方法接收信號弱，探測精度低的缺點，又補充了人工可控源音頻電磁法（CSAMT)設備笨重，探測深度淺（1～2km)覆蓋范圍小的缺點，將極大提高地質(zhì)勘探的工作效率和精度，可滿足能源和資源勘探、工程環(huán)境勘察、地震火山災害監(jiān)測、地殼上地幔結(jié)構(gòu)探測、海洋和空間電磁測量等大深度探測的需求，為地球物理、空間物理和無線電物理等學科的研究提供了新的科學技術手段。

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