瞬变电磁法弱信号检测技术研究

图3给出了笔者自行研制的ATEM-II型仪器系统框图。利用全球卫星定位系统（GPS）提供的高精度定时信息研制成功时间同步控制装置，较方便地解决了TEM发射机与接收机远距离同步问题。实现了重复脉冲激发、同步密集采集、数字处理的TEM信号检测。图4给出了发射电流、同步脉冲及TEM信号示意图。

2.3双极性数字化TEM信号处理算法分析

根据TEM信号特征和对噪声的认识，在ATEM-II型仪器系统中设计实现的主要处理算法及流程如图5所示。包括仪器测量中的实时处理和室内后处理两个过程，本文仅分析实时处理同步叠加平均算法与奇异数据剔除。

设发射电流稳定，发射周期T等参数不变，发射与接收同步误差可忽略，在同一点观测条件下， N个一次场周期内双极性TEM信号就能够重复，通过2N次同步采集和交替变换极性迭加平均处理，提高信噪比，其算法表达式

xm(k)表示第m个原始采样序列,y(k)表示累加平均器输出序列， M为采样点数， M ＜T/4T_s ， T_s为采样间隔，T为发射周期，N为周期数。y(k)与xm(k)为线性关系，通过傅里叶变换求得迭加平均器的频率域传递函数幅度特性为

设ω= 2π/T为基波频率，

该叠加平均器是一个梳状滤波器，其窗口位于信号重复频率的奇次谐波处，保证信号的无失真输出。梳状滤波器的各谱窗口宽度近似公式Δf = 2 2/πNT ，设TEM信号叠加了白噪声，经过N个周期2N次迭加平均后，信噪提高比（ SNIR） R_SNIR = 2N.梳状滤波器传输零点与叠加次数、发射周期有关，适当选择T和取平均周期数N就可以随意设置零传输点，对消除某些频率的干扰是非常有利的。如果发射信号周期T是干扰（如工频干扰）周期的整数倍且叠加偶数次，周期干扰基波和谐波频率与传输零点重合而消除；采用分组叠加平均后再进行组数平均，对抑制白噪声是等价的，而对某些频率点干扰噪声的抑制能力会有所不同，若能根据干扰频率（如大气层释放电荷引发的闪电共振点频率8Hz、14Hz、20Hz、32Hz） ，确定组内叠加次数是值得深入探讨的问题。

同步叠加平均算法对平稳噪声有较强的抑制能力，对等精度测量的重复信号不奇变；而对尖脉冲干扰等造成的奇异数据（称为坏值）没有甄别能力。如果不剔除，势必影响叠加平均效果，严重时数据不可信。因此，在叠加的同时，必须能够剔除奇异数据。ATEM-II型仪器中采用了统计方法进行坏值剔除。根据拉依达准则，在正态分布的等精度重复测量中，随机误差大于3倍标准差的置信概率仅为0.0027.因此，测量误差大于3倍标准差，则可认为该误差属于粗大误差，该数据就可以被剔除。在数据采集和叠加过程中，从第10个周期（少于10个周期拉依达准则失效）以后，每采集1个周期，就计算不同周期相同采样点的标准差和剩余误差；若剩余误差大于标准差的3倍，则剔除，并以算术平均值代替之。

图6所示实测结果为不同叠加次数TEM信号晚延时段的对比，结果表明，叠加2048次的衰减信号比叠加128次的衰减信号噪声水平大大降低，按理论计算，信噪比应该改善4倍，但从实测的信号来看，由于噪声并不完全是白噪声，还叠加有其他性质的噪声，信噪提高比约7倍。

表2给出了不同叠加次数、相同增益下，以没有叠加的实测数据为基准，对信噪比改善程度的统计结果。在考虑信噪比和选择叠加次数时，要注意到实测信号和噪声特性，通常在实地测量之前，要做一测试，适当选择叠加次数。因为，只盲目增加叠加次数不仅增加了仪器采集的时间和工作量，而且对信噪比的改善并不明显。

3结论

本文在简要地介绍瞬变电磁法原理基础上，重点研究了TEM信号同步采集与实时处理算法，给出了实测结果。得出结论：

1）采用高速高精度A/D转换器和数字信号处理器实现同步采集与数字叠加软件积分取代多个模拟电子同步取样积分器是可行的，简化了仪器硬件，便于充分运用数字信号处理多种方法及软件的灵活性；

2）双极性同步叠加平均等效的梳状滤波器，对等精度测量的重复信号不奇变，传输零点与叠加次数、发射周期有关，适当选择发射周期T和取平均周期数N就可以随意设置零传输点，对消除某些频率的干扰是非常有利的；

3）对TEM信号特征和对噪声的认识是实现弱信号检测的前提；

4）据拉依达准则，测量误差大于3倍标准差