CN104391330A - 一种基于相关辨识技术的电法勘探系统 - Google Patents

Abstract

一种基于相关辨识技术的电法勘探系统，包括：GPS模块、FPGA时钟分频与伪随机信号生成模块、主控STM32单片机模块、温度检测模块、显示控制模块；IPM模块，AD采集模块，DSP实时处理模块，存储模块，串口通信模块。通过GPS天线实现自动获取卫星时间；时间信息通过GPS模块上的串口进入STM32模块，单片机计算卫星时间与设定时间的时间差，并开始倒计时，当计时时间到达时，单片机向FPGA发送一个启动控制信号，系统开始运行；于此同时，接收机也在同时时刻启动AD，开始采集信号，并进行实时的数据处理。当一个测点的发送与采集工作完成时，停止采集。改变参数后继续发送与采集。本发明能实现视电阻率和视频散率的计算。

Description

一种基于相关辨识技术的电法勘探系统

技术领域

本发明是使用相关辨识方法计算地下系统的视电阻率和视频散率的电法勘探系统。

背景技术

当地下介质中的电流稳定且电流密度足够小时，该地电系统可以看成是线性时不变系统，因此地球物理勘探问题便转换为系统辨识问题。将地下介质看作待辨识的系统，通过电极向地下供入伪随机电流信号，同时在地表接收通过大地系统的响应信号，利用伪随机相关辨识技术可以得到地下介质的传递函数。因为输入为电流，测量结果为电压，因此该传递函数即为地下介质的复阻抗。这实质是通信系统中伪随机扩频技术与自动控制中系统辨识技术在地球物理勘探中的应用。鉴于伪随机相关辨识技术的高效率与强压制噪声能力，该方法将有效的解决目前激电法中存在的噪声干扰和效率问题，因此其具有很好的发展前景。

目前现有的研究，美国Zonge GDP-32和加拿大Phoenix V8都是比较成熟的仪器，这些仪器均使用了MCU作为伪随机信号的产生单元，中南大学曾经使用美国Lattice公司的CPLD芯片来产生2ⁿ伪随机信号，后又尝试在CPLD上实现m序列与逆重复m序列的产生。Duncan等人使用的是伪随机二进制序列(PRBS)来进行探测，英国MTEM采用的也是PRBS信号，并使用解卷积的方式计算冲激响应与阶跃响应。赵璧如等人使用的是将CDMA技术引入电法勘探，用伪随机信号对探测信号进行调制，提高了信噪比。上述各仪器虽然提高了信噪比，但是在有较强抗干扰存在时，同时获得时域和频域比较理想的地球物理参数的方面有所不足。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于相关辨识技术的电法勘探系统，该系统抗干扰能力强，可同时获得时域的视电阻率和频域的视频散率等参数，实用前景较好。

本发明的技术解决方案为：本发明通过STM32F407ZGT6与Xilinx XC3S50AN相结合的方式，在硬件上实现相关辨识技术在电法勘探中的实际应用，包括：发射部分、接收部分和相关辨识数据处理部分，其中：

发射部分包括：第一GPS模块(1)、第一FPGA模块(2)、第一单片机模块(3)、IPM模块(4)、第一显示控制模块(5)、第一温度检测模块(6)、第一存储模块(7)、第一键盘模块(8)、第一串口通信模块(9)、第一发射电极(101)和第二发射电极(102)；

第一GPS模块(1)包括第一GPS天线(11)、第一脉冲输出端(12)和第一信号输出串口(13)；第一FPGA模块(2)包括第一分频脉冲同步模块(21)、第一伪随机信号生成模块(22)、第一启动控制模块(23)、和第一恒温晶振(24)；第一单片机模块(3)包括第一计数单元(31)、第一温度检测单元(32)、第一GPS串口(33)、第一异常报警单元(34)、第一显示与控制单元(35)、第一数据存储模块(36)、第一串口通信单元(37)、第一键盘控制模块(38)、第一启动控制单元(39)和第一信号记录单元(310)；IPM模块(4)包括驱动控制电路(41)、异常报警电路(42)和信号发送单元(43)；第一显示控制模块(5)包括第一参数显示单元(51)和第一触摸屏手动控制单元(52)；

驱动控制电路(41)与第一伪随机信号生成模块(22)连接，异常报警电路(42)与第一异常报警单元(34)相连接；参数显示单元(51)和触摸屏手动控制单元(52)均与第一显示与控制单元(35)相连；第一温度检测模块(6)与第一温度检测单元(32)连接；第一存储模块(7)与第一数据存储模块(36)连接；第一异常报警单元(34)与异常报警电路(42)连接；第一串口通信单元(37)与第一串口通信模块(9)连接；键盘模块(8)与第一键盘控制模块(38)相连接；

在发送部分中：第一GPS天线(11)接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第一信号输出串口(13)发送至第一GPS串口(33)，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第一脉冲输出端(12)传送给第一分频脉冲同步模块(21)；

第一分频脉冲同步模块(21)不断地接收第一脉冲输出端(12)传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振(24)输出的脉冲，然后对恒温晶振(24)输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第一脉冲输出端(12)输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第一计数单元(31)，第一启动控制模块(23)接收到来自第一启动控制单元(39)发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第一伪随机信号生成模块(22)；第一伪随机信号生成模块(22)使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并转化为用于驱动控制电路(41)的伪随机控制信号；并将生成的伪随机控制信号发送至驱动控制电路(41)；

第一GPS串口(33)接收到第一信号输出串口(13)的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第一显示与控制单元(35)和第一计数单元(31)；

第一计数单元(31)接收来自第一显示与控制单元(35)或第一键盘控制模块(38)输入的启动时间数据，同时也接收来自第一GPS串口(33)的卫星时间数据，并将启动时间数据与第一GPS串口(33)接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第一计数单元(31)内部，用第一分频脉冲同步模块(21)输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第一启动控制单元(39)发送启动信号；

第一温度检测单元(32)向第一温度检测模块(6)发送采集温度数据的指令，第一温度检测模块(6)接收到该指令后，将温度信息发送给第一温度检测单元(32)，如果第一温度检测单元(32)检测到的温度高于设定的值，则发送报警信号给第一异常报警单元(34)；

第一异常报警单元(34)接收来自第一温度检测单元(32)和异常报警电路(42)传来的报警信号后立即报警；

第一显示与控制单元(35)通过第一参数显示单元(51)将第一GPS串口(33)接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第一触摸屏手动控制单元(52)输入的信息传送到第一计数单元(31)；

第一数据存储模块(36)接收第一信号记录单元(310)传来的数据，并将这些数据存入第一存储模块(7)；

第一串口通信单元(37)通过第一串口通信模块(9)与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；

第一键盘控制模块(38)接收由第一键盘模块(8)传来的信息，并将这些信息传输给第一计数单元(31)；

第一启动控制单元(39)等待第一计数单元(31)发来的启动指令，当启动指令到达时，发送启动指令到第一启动控制模块(23)；

第一信号记录单元(310)记录第一伪随机信号生成模块(22)生成的伪随机控制信号，并将记录下来的数据发送给第一数据存储模块(36)；

驱动控制电路(41)在系统上电后等待第一伪随机信号生成模块(22)传来的伪随机控制信号，若驱动控制电路(41)没有收到第一伪随机信号生成模块(22)传来的伪随机控制信号时，则不发出驱动信号至信号发送单元(43)，信号发送单元(43)处于关断状态；当驱动控制电路(41)收到第一伪随机信号生成模块(22)传来的伪随机控制信号时，则向信号发送单元(43)输出驱动信号，信号发送单元(43)开始工作将探测信号通过第一发射电极(101)和第二发射电极(102)送入地下；

异常报警电路(42)在工作中检测到IPM模块(4)异常后，异常报警电路(42)输出一个异常报警信号给驱动控制电路(41)，同时也发送一个报警信号给第一异常报警单元(34)，驱动控制电路(41)接收到异常报警信号后将输入信号锁定，从而实现中止信号发送单元(43)的工作，在实际应用中，驱动控制电路(41)只需将输入信号锁定即可，第一异常报警单元(34)在接收到报警信息后，第一单片机模块(3)在需要时可以控制第一启动控制模块(23)中止信号发送，只要使驱动控制电路(41)停止工作，信号发送单元(43)的信号也自然停止；

参数显示单元(51)将第一显示与控制单元(35)发送来的数据显示出来，第一触摸屏手动控制单元(52)将用户输入的信息传输给第一参数显示单元(51)；

接收部分包括：第二GPS模块(1’)、第二FPGA模块(2’)、第二单片机模块(3’)、第二键盘模块(4’)、第二显示控制模块(5’)、第二温度检测模块(6’)、第二存储模块(7’)、AD模块(8’)、第二串口通信模块(9’)、DSP实时处理模块(10’)、第一接收电极(103)和第二接收电极(104)；

第二GPS模块(1’)包括第二GPS天线(11’)、第二脉冲输出端(12’)和第二信号输出串口(13’)；第二FPGA模块(2’)包括第二分频脉冲同步模块(21’)、第二伪随机信号生成模块(22’)、第一启动控制模块(23’)和第二恒温晶振(24’)；第二单片机模块(3’)包括第二计数单元(31’)、第二温度检测单元(32’)、第二GPS串口(33’)、第二异常报警单元(34’)、第二显示与控制单元(35’)、第二数据存储模块(36’)、第四串口通信单元(37’)、第二键盘控制模块(38’)、第二启动控制单元(39’)、第二信号采集单元(310’)；

第二显示控制模块(5’)包括第二信息显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)；

AD模块(8’)包括AD芯片(81’)和信号调理与放大电路(82’)；

DSP实时处理模块(10’)由实时数字运算处理单元(105’)组成；

实时数字运算处理单元(105’)与第二伪随机信号生成模块(22’)相连接，第二信号采集单元(310’)与时数字运算处理单元(101’)相连接，AD芯片(81’)与第二信号采集单元(310’)相连接；第二参数显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)均与第二显示与控制单元(35’)相连；第二温度检测模块(6’)与第二温度检测单元(32’)连接；第二存储模块(7’)与第二数据存储模块(36’)相连接，第二存储模块(7’)和第二参数显示单元(51’)均与实时数字运算处理单元(105’)连接；第二串口通信单元(37’)与第二串口通信模块(9’)连接；第二键盘模块(4’)与第二键盘控制模块(38’)相连接；

在接收部分中，第二GPS天线(11’)接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第二信号输出串口(13’)将卫星数据发送至第二GPS串口(33’)，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第二脉冲输出端(12’)传送给第二分频脉冲同步模块(21’)；

第二分频脉冲同步模块(21’)不断地接收第二GPS模块(1’)中第二脉冲输出端(12’)传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振(24’)输出的脉冲，然后对恒温晶振(24’)输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第二脉冲输出端(12’)输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第二计数单元(31’)；第二启动控制模块(23’)接收到来自第二启动控制单元(39’)发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第二伪随机信号生成模块(22’)；第二伪随机信号生成模块(22’)使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并将生成的m序列或逆重复m序列发送到DSP实时处理模块(10’)中的实时数字运算处理单元(105’)；

第二GPS串口(33’)接收到第二信号输出串口(13’)的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第二显示与控制单元(35’)和第二计数单元(31’)；

第二计数单元(31)接收来自第二显示与控制单元(35’)的或第二键盘控制模块(38’)输入的启动时间数据，同时也接收来自第二GPS串口(33’)的卫星时间数据，并将启动时间数据与第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第二计数单元(31’)内部，用第二分频脉冲同步模块(21’)输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第二启动控制单元(39’)发送启动信号；

第二温度检测单元(32’)向第二温度检测模块(6’)发送采集温度数据的指令，第二温度检测模块(6’)接收到该指令后，将温度信息发送给第二温度检测单元(32’)；如果第二温度检测单元(32’)检测到的温度高于设定值，则发送报警信号给第二异常报警单元(34’)；

第二异常报警单元(34’)接收来自第二温度检测单元(32’)的报警信号后立即报警；

第二显示与控制单元(35’)通过第二信息显示单元(51’)将第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第二触摸屏手动控制单元(52’)输入的信息传送到第二计数单元(31’)；

第二数据存储模块(36’)接收第二信号采集单元(310’)传来的数据，并将这些数据存入第二存储模块(7’)；

第一串口通信单元(37’)通过第二串口通信模块(9’)与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；

第二键盘控制模块(38’)接收由第二键盘模块(4’)传来的信息，并将这些信息传输给第二计数单元(31’)；

第二启动控制单元(39’)等待第二计数单元(31’)发来的指令，当接收到指令后，可以控制第二启动控制模块(23’)是否发出启动指令，也可以控制AD芯片(81’)是否开始采集数据；

第二信号采集单元(310’)记录AD芯片(81’)采集到的数据，并将记录下来的数据发送给第二数据存储模块(36’)和实时数字运算处理单元(105’)；

AD芯片(81’)等待第二启动控制单元(39’)发来的启动信号，当接收到启动信号之后，AD芯片(81’)采集信号调理与放大电路(82’)输出的模拟信号，并将采集后的数据发送给第二信号采集单元(310’)；第二信号采集单元(310’)将获得的数据发送给DSP实时处理模块(10’)；信号调理与放大电路(82’)在接收到启动信号后，将第二接收电极(103)和第二接收电极(104)上的模拟电压信号进行处理，使之满足AD芯片(81’)的电压输入范围，再发送给AD芯片(81’)；

DSP实时处理模块(10’)将第二信号采集单元(310’)和第二伪随机信号生成模块(22’)发送来的数据，使用相关辨识法进行运算和处理，快速获得运算结果，并将运算结果发送至第二信息显示单元(51’)，并将运算结果发送到第二存储模块(7’)中存储；

第二信息显示单元(51’)将第二显示与控制单元(35’)和实时数字运算处理单元(105’)发送来的数据显示出来，第二触摸屏手动控制单元(52’)将用户输入的信息传输给参数显示单元(51’)。

相关辨识数据处理：将发送部分中的信号发送单元(43)的信号除以标准电阻后转化为电流信号，并将此电流信号与第二信号采集单元(310’)接收到的信号通过相关运算模块(121)进行相关运算，运算公式为：

u(t)＝r(t)+n(t)＝v(t)*h(t)+n(t)

R_vu(t)＝R_vv(t)*h(t)+R_vn(t)

u(t)是第二信号采集单元(310’)接收到的信号，n(t)是外部的随机噪声干扰，r(t)是理想条件下的响应，v(t)是发送部分中的信号发送单元(43)的信号，h(t)为被测系统的时域冲激响应，R_vu(t)是u(t)与v(t)的互相关函数，R_vv(t)是v(t)的自相关函数，R_vn(t)是v(t)与n(t)的互相关函数；

由于外部的随机噪声干扰n(t)和输入信号不相关，因此R_vn(t)为0，相关运算的结果消去了随机噪声的干扰，由此得到Wiener-Hopf方程：

R_vu(t)＝R_vv(t)*h(t)

通过傅里叶变换模块(122)对Wiener-Hopf方程的两边进行傅里叶变换之后，得到待测系统的频谱信息，由此频谱信息便获得频域参数：视频散率：

H_vu(w)＝H_vv(w)H(w)

公式中，H_vu(w)是R_vu(t)的傅里叶变换，H_vv(w)是R_vv(t)的傅里叶变换，H(w)是h(t)的傅里叶变换。

得到频谱信息后，再通过逆傅里叶变换模块(123)对视频散率进行逆傅里叶变换，得到待测系统的时域冲激响应h(t)，通过积分运算模块(123)对该冲激响应做积分运算，得到待测系统的阶跃响应u(t)，阶跃响应的趋近值即是时域参数：视电阻率，这样两个参数均得到了，从而完成了所需的工作。

所述第一单片机模块(3)和第二单片机模块(3’)采用Cortex-M4架构的单片机STM32F407ZGT6，该CPU为32位，内有多个串口，实现与GPS模块，FPGA模块的与上位机PC多个模块的数据通信。

所述第一FPGA模块(2)和第二FPGA模块(2’)采用带有DCM时钟管理模块的FPGAXilinx XC3S50AN，借助FPGA的DCM模块实现高精度同步的GPS标准脉冲，使FPGA同步后的标准脉冲与GPS芯片的脉冲高度同步，精度能够达到纳秒级。以100M的时钟为例，每个脉冲的宽度为10纳秒，所以误差理论上可以控制在两个脉冲宽度20纳秒以内。

所述第一伪随机信号生成模块(22)使用本地算法生成伪随机控制信号的过程具体如下：

(1)确定m序列或逆重复m序列的本原多项式

在生成m序列时，需要用n级移位寄存器来。将移位寄存器用一个n阶的多项式f(x)表示，这个多项式的0次幂系数为1，其k次幂系数为1时代表第k级移位寄存器有反馈线；否则无反馈线。系数只能取0或1。f(x)称为特征多项式。理论分析证明：当特征多项式是本原多项式时，与它对应的移位寄存器电路就能产生m序列。因此，只要找到了本原多项式，就能由它构成m序列产生器。本原多项式总是成对出项的，所以对应于同一个n，本原多项式的个数总是偶数，每一对本原多项式称为互反多项式。

m序列的特征多项式可表示为：

当特征多项式满足以下几个条件：

第一，F(x)不可约；

第二，F(x)可以整除x^m+1，m＝2ⁿ-1；

第三，F(x)除不尽x^q+1，q＜m；

F(x)即为m序列的本原多项式；

n表示m序列的阶数，x本身的取值并无实际意义，只用来构建本原多项式，c_i表示移位寄存器的反馈连接状态，i为整数变量。m表示一个周期内m序列的码元个数，0≤q＜m。

用本原多项式得到m序列之后，将m序列隔位取反，就可以得到逆重复m序列。

(2)设计产生不同级数的m序列或逆重复m序列的方法

基于上一步中m序列的本原多项式，进行逆推得到描述反馈移位寄存器逻辑的表达式，然后使用FPGA的异或逻辑，结合VHDL代码，产生4-25阶的m序列，将m序列隔位取反，就可以得到逆重复m序列，有比较高的信号产生效率。

(3)将m序列或逆重复m序列转化为伪随机控制信号

由于信号发送单元(43)对伪随机信号的死区时间有一定的要求，所以需要将生成的m序列或逆重复m序列添加上死区时间。设m序列或逆重复m序列为pn；

信号发送单元(43)总共需要五路控制信号，设为ctrl1，ctrl2，ctrl3，ctrl4和br，设信号发送单元(43)的上升沿产生脉宽为死区时间长度的脉冲a，下降沿产生脉宽为死区时间长度的脉冲b，这五路伪随机控制信号由以下方式得到：

ctrl1＝ctrl4＝(pn)or(b)

ctrl2＝ctrl3＝(not pn)or(a)

br＝not(a or b)

其中，pn为m序列或逆重复m序列，a为上升沿产生脉宽的死区时间长度脉冲，b为下降沿产生脉宽的死区时间长度脉冲，or表示或运算，not表示非运算，ctrl1和ctrl4为反向控制信号，ctrl2和ctrl3为正向向控制信号，br为假负载控制信号。

由此得到的伪随机控制信号满足了添加死区时间后，总的序列周期不变的要求，可以用于实际应用。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明对于同时需要强抗干扰能力和时频域地球物理参数的文体，在适用相关辨识方法的理论研究的基础上提出了一种新的硬件设计方案，通过发射部分、接收部分和相关运算在很大的程度上消除了噪声，有较强到抗干扰能力，并同时计算了视电阻率和视频散率。

(2)本发明使用带有数字时钟管理模块的FPGA芯片XC3S50AN同时实现了高精度的GPS授时脉冲和逆重复m序列的生成。

(3)本发明使用功能强大的基于Cortex-M4架构的单片机STM32F407ZGT6完成控制、通信等工作。

附图说明

图1为本发明系统的组成框图(发送部分)；

图2为本发明系统的组成框图(接收部分)；

图3为本发明系统的组成框图(相关辨识)；

图4为本发明中产生m序列的流程图；

图5为本发明中偶极偶极水槽水平铜板实验的结果，其中a为视电阻率；b为视频散率。

具体实施方式

本发明一种基于相关辨识原理与技术的电法勘探包括发射部分、接收部分和相关辨识数据处理部分。

如图1所示，发射部分包括：第一GPS模块1、第一FPGA模块2、第一单片机模块3、IPM模块4、第一显示控制模块5、第一温度检测模块6、第一存储模块7、第一键盘模块8、第一串口通信模块9、第一发射电极101和第二发射电极102；

第一GPS模块1包括第一GPS天线11、第一脉冲输出端12和第一信号输出串口13；第一FPGA模块2包括第一分频脉冲同步模块21、第一伪随机信号生成模块22、第一启动控制模块23、和第一恒温晶振24；第一单片机模块3包括第一计数单元31、第一温度检测单元32、第一GPS串口33、第一异常报警单元34、第一显示与控制单元35、第一数据存储模块36、第一串口通信单元37、第一键盘控制模块38、第一启动控制单元39和第一信号记录单元310；IPM模块4包括驱动控制电路41、异常报警电路42和信号发送单元43；第一显示控制模块5包括第一参数显示单元51和第一触摸屏手动控制单元52；

驱动控制电路41与第一伪随机信号生成模块22连接，异常报警电路42与第一异常报警单元34相连接；参数显示单元51和触摸屏手动控制单元52均与第一显示与控制单元35相连；第一温度检测模块6与第一温度检测单元32连接；第一存储模块7与第一数据存储模块36连接；第一异常报警单元34与异常报警电路42连接；第一串口通信单元37与第一串口通信模块9连接；键盘模块8与第一键盘控制模块38相连接；

在发送部分中：第一GPS天线11接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第一信号输出串口13发送至第一GPS串口33，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第一脉冲输出端12传送给第一分频脉冲同步模块21；

第一分频脉冲同步模块21不断地接收第一脉冲输出端12传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振24输出的脉冲，然后对恒温晶振24输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第一脉冲输出端12输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第一计数单元31；第一启动控制模块23接收到来自第一启动控制单元39发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第一伪随机信号生成模块22；第一伪随机信号生成模块22使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并转化为用于驱动控制电路41的伪随机控制信号；并将生成的伪随机控制信号发送至驱动控制电路41；

第一GPS串口33接收到第一信号输出串口13的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第一显示与控制单元35和第一计数单元31；

第一计数单元31接收来自第一显示与控制单元35或第一键盘控制模块38输入的启动时间数据，同时也接收来自第一GPS串口33的卫星时间数据，并将启动时间数据与第一GPS串口33接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第一计数单元31内部，用第一分频脉冲同步模块21输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第一启动控制单元39发送启动信号；

第一温度检测单元32向第一温度检测模块6发送采集温度数据的指令，第一温度检测模块6接收到该指令后，将温度信息发送给第一温度检测单元32；如果第一温度检测单元32检测到的温度高于设定的值，则发送报警信号给第一异常报警单元34；

第一异常报警单元34接收来自第一温度检测单元32和异常报警电路42传来的报警信号后立即报警；

第一显示与控制单元35通过第一参数显示单元51将第一GPS串口33接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第一触摸屏手动控制单元52输入的信息传送到第一计数单元31；

第一数据存储模块36接收第一信号记录单元310传来的数据，并将这些数据存入第一存储模块7；

第一串口通信单元37通过第一串口通信模块9与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；

第一键盘控制模块38接收由第一键盘模块8传来的信息，并将这些信息传输给第一计数单元31；

第一启动控制单元39等待第一计数单元31发来的启动指令，当启动指令到达时，发送启动指令到第一启动控制模块23；

第一信号记录单元310记录第一伪随机信号生成模块22生成的伪随机控制信号，并将记录下来的数据发送给第一数据存储模块36；

驱动控制电路41在系统上电后等待第一伪随机信号生成模块22传来的伪随机控制信号，若驱动控制电路41没有收到第一伪随机信号生成模块22传来的伪随机控制信号时，则不发出驱动信号至信号发送单元43，信号发送单元43处于关断状态；当驱动控制电路41收到第一伪随机信号生成模块22传来的伪随机控制信号时，则向信号发送单元43输出驱动信号，信号发送单元43开始工作将探测信号通过第一发射电极101和第二发射电极102送入地下；

异常报警电路42在工作中检测到IPM模块4异常后，异常报警电路42输出一个异常报警信号给驱动控制电路41，同时也发送一个报警信号给第一异常报警单元34，驱动控制电路41接收到异常报警信号后将输入信号锁定，从而实现中止信号发送单元43的工作，在实际应用中，驱动控制电路41只需将输入信号锁定即可，第一异常报警单元34在接收到报警信息后，第一单片机模块3在需要时可以控制第一启动控制模块23中止信号发送，只要使驱动控制电路41停止工作，信号发送单元43的信号也自然停止；

参数显示单元51将第一显示与控制单元35发送来的数据显示出来，第一触摸屏手动控制单元52将用户输入的信息传输给第一参数显示单元51；

第一FPGA模块2采用带有DCM时钟管理模块的FPGA Xilinx XC3S50AN，借助FPGA的DCM模块实现高精度同步的GPS标准脉冲，使FPGA同步后的标准脉冲与GPS芯片的脉冲高度同步，精度能够达到纳秒级。以100M的时钟为例，每个脉冲的宽度为10纳秒，所以误差理论上可以控制在两个脉冲宽度20纳秒以内。

如图4所示，第一伪随机信号生成模块22使用本地算法生成伪随机控制信号的过程具体如下：

(1)确定m序列或逆重复m序列的本原多项式

在生成m序列时，需要用n级移位寄存器来。将移位寄存器用一个n阶的多项式f(x)表示，这个多项式的0次幂系数为1，其k次幂系数为1时代表第k级移位寄存器有反馈线；否则无反馈线。系数只能取0或1。f(x)称为特征多项式。理论分析证明：当特征多项式是本原多项式时，与它对应的移位寄存器电路就能产生m序列。因此，只要找到了本原多项式，就能由它构成m序列产生器。本原多项式总是成对出项的，所以对应于同一个n，本原多项式的个数总是偶数，每一对本原多项式称为互反多项式。

m序列的特征多项式可表示为：

当特征多项式满足以下几个条件：

第一，F(x)不可约；

第二，F(x)可以整除x^m+1，m＝2ⁿ-1；

第三，F(x)除不尽x^q+1，q＜m；

F(x)即为m序列的本原多项式；

n表示m序列的阶数，x本身的取值并无实际意义，只用来构建本原多项式，c_i表示移位寄存器的反馈连接状态，i为整数变量。m表示一个周期内m序列的码元个数，0≤q＜m。

用本原多项式得到m序列之后，将m序列隔位取反，就可以得到逆重复m序列。

(2)设计产生不同级数的m序列或逆重复m序列的方法

基于上一步中m序列的本原多项式，进行逆推得到描述反馈移位寄存器逻辑的表达式，然后使用FPGA的异或逻辑，结合VHDL代码，产生4-25阶的m序列，将m序列隔位取反，就可以得到逆重复m序列，有比较高的信号产生效率。

(3)将m序列或逆重复m序列转化为伪随机控制信号

由于信号发送单元43对伪随机信号的死区时间有一定的要求，所以需要将生成的m序列或逆重复m序列添加上死区时间。设m序列或逆重复m序列为pn；

信号发送单元43总共需要五路控制信号，设为ctrl1，ctrl2，ctrl3，ctrl4和br，设信号发送单元43的上升沿产生脉宽为死区时间长度的脉冲a，下降沿产生脉宽为死区时间长度的脉冲b，这五路伪随机控制信号由以下方式得到：

ctrl1＝ctrl4＝(pn)or(b)

ctrl2＝ctrl3＝(not pn)or(a)

br＝not(a or b)

其中，pn为m序列或逆重复m序列，a为上升沿产生脉宽的死区时间长度脉冲，b为下降沿产生脉宽的死区时间长度脉冲，or表示或运算，not表示非运算，ctrl1和ctrl4为反向控制信号，ctrl2和ctrl3为正向向控制信号，br为假负载控制信号。

由此得到的伪随机控制信号满足了添加死区时间后，总的序列周期不变的要求，可以用于实际应用。

如图2所示，接收部分包括：接收部分包括：第二GPS模块1’、第二FPGA模块2’、第二单片机模块3’、第二键盘模块4’、第二显示控制模块5’、第二温度检测模块6’、第二存储模块7’、AD模块8’、第二串口通信模块9’、DSP实时处理模块10’、第一接收电极103和第二接收电极104；

第二GPS模块1’包括第二GPS天线11’、第二脉冲输出端12’和第二信号输出串口13’；第二FPGA模块2’包括第二分频脉冲同步模块21’、第二伪随机信号生成模块22’、第一启动控制模块23’和第二恒温晶振24’；第二单片机模块3’包括第二计数单元31’、第二温度检测单元32’、第二GPS串口33’、第二异常报警单元34’、第二显示与控制单元35’、第二数据存储模块36’、第四串口通信单元37’、第二键盘控制模块38’、第二启动控制单元39’、第二信号采集单元310’；

第二显示控制模块5’包括第二信息显示单元51’和第二触摸屏手动控制单元52’；

AD模块8’包括AD芯片81’和信号调理与放大电路82’；

DSP实时处理模块10’由实时数字运算处理单元105’组成；

实时数字运算处理单元105’与第二伪随机信号生成模块22’相连接，第二信号采集单元310’与时数字运算处理单元101’相连接，AD芯片81’与第二信号采集单元310’相连接；第二参数显示单元51’和第二触摸屏手动控制单元52’均与第二显示与控制单元35’相连；第二温度检测模块6’与第二温度检测单元32’连接；第二存储模块7’与第二数据存储模块36’相连接，第二存储模块7’和第二参数显示单元51’均与实时数字运算处理单元105’连接；第二串口通信单元37’与第二串口通信模块9’连接；第二键盘模块4’与第二键盘控制模块38’相连接；

在接收部分中，第二GPS天线11’接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第二信号输出串口13’将卫星数据发送至第二GPS串口33’，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第二脉冲输出端12’传送给第二分频脉冲同步模块21’；

第二分频脉冲同步模块21’不断地接收第二GPS模块1’中第二脉冲输出端12’传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振24’输出的脉冲，然后对恒温晶振24’输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第二脉冲输出端12’输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第二计数单元31’；第二启动控制模块23’接收到来自第二启动控制单元39’发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第二伪随机信号生成模块22’；第二伪随机信号生成模块22’使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并将生成的m序列或逆重复m序列发送到DSP实时处理模块10’中的实时数字运算处理单元105’；

第二GPS串口33’接收到第二信号输出串口13’的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第二显示与控制单元35’和第二计数单元31’；

第二计数单元31接收来自第二显示与控制单元35’的或第二键盘控制模块38’输入的启动时间数据，同时也接收来自第二GPS串口33’的卫星时间数据，并将启动时间数据与第二GPS串口33’接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第二计数单元31’内部，用第二分频脉冲同步模块21’输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第二启动控制单元39’发送启动信号；

第二温度检测单元32’向第二温度检测模块6’发送采集温度数据的指令，第二温度检测模块6’接收到该指令后，将温度信息发送给第二温度检测单元32’；如果第二温度检测单元32’检测到的温度高于设定值，则发送报警信号给第二异常报警单元34’；

第二异常报警单元34’接收来自第二温度检测单元32’的报警信号后立即报警；

第二显示与控制单元35’通过第二信息显示单元51’将第二GPS串口33’接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第二触摸屏手动控制单元52’输入的信息传送到第二计数单元31’；

第二数据存储模块36’接收第二信号采集单元310’传来的数据，并将这些数据存入第二存储模块7’；

第一串口通信单元37’通过第二串口通信模块9’与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；

第二键盘控制模块38’接收由第二键盘模块4’传来的信息，并将这些信息传输给第二计数单元31’；

第二启动控制单元39’等待第二计数单元31’发来的指令，当接收到指令后，可以控制第二启动控制模块23’是否发出启动指令，也可以控制AD芯片81’是否开始采集数据；

第二信号采集单元310’记录AD芯片81’采集到的数据，并将记录下来的数据发送给第二数据存储模块36’和实时数字运算处理单元105’；

AD芯片81’等待第二启动控制单元39’发来的启动信号，当接收到启动信号之后，AD芯片81’采集信号调理与放大电路82’输出的模拟信号，并将采集后的数据发送给第二信号采集单元310’；第二信号采集单元310’将获得的数据发送给DSP实时处理模块10’；信号调理与放大电路82’在接收到启动信号后，将第二接收电极103和第二接收电极104上的模拟电压信号进行处理，使之满足AD芯片81’的电压输入范围，再发送给AD芯片81’；

DSP实时处理模块10’将第二信号采集单元310’和第二伪随机信号生成模块22’发送来的数据，使用相关辨识法进行运算和处理，快速获得运算结果，并将运算结果发送至第二信息显示单元51’，并将运算结果发送到第二存储模块7’中存储。

第二信息显示单元51’将第二显示与控制单元35’和实时数字运算处理单元105’发送来的数据显示出来，第二触摸屏手动控制单元52’将用户输入的信息传输给参数显示单元51’。

第二FPGA模块2’采用带有DCM时钟管理模块的FPGA Xilinx XC3S50AN，借助FPGA的DCM模块实现高精度同步的GPS标准脉冲，使FPGA同步后的标准脉冲与GPS芯片的脉冲高度同步，精度能够达到纳秒级。以100M的时钟为例，每个脉冲的宽度为10纳秒，所以误差理论上可以控制在两个脉冲宽度20纳秒以内。

本发明中使用的Cortex-M4架构的单片机STM32F407ZGT6，总共具有六个串口，一个串口用于读取GPS卫星的信息，另一个串口用于与上位机PC通信，还有一个串口用于对FPGA分频后输出的脉冲进行计数。

如图3所示，在数据采集任务完成后，所有数据将被导入至电脑，进行相关辨识数据处理；将发送部分中的信号发送单元43的信号除以标准电阻后转化为电流信号，并将此电流信号与第二信号采集单元310’接收到的信号接收机接收到的电压信号做相关运算121：

u(t)＝r(t)+n(t)＝v(t)*h(t)+n(t)

R_vu(t)＝R_vv(t)*h(t)+R_vn(t)

u(t)是第二信号采集单元310’接收到的信号，n(t)是外部的随机噪声干扰，r(t)是理想条件下的响应，v(t)是发送部分中的信号发送单元43的信号。h(t)为被测系统的时域冲激响应。R_vu(t)是u(t)与v(t)的互相关函数，R_vv(t)是v(t)的自相关函数，R_vn(t)是v(t)与n(t)的互相关函数。

相关性能参数：

发送部分：

发送码片：可发送4—25阶的m序列或逆重复m序列

电压发送范围：0V—1500V

同步方式：GPS

内存：16G

数据存储介质：SD卡

通信接口：串口

工作温度：-20℃～70℃

功耗：视IPM的高压输出电压值而定

接收部分：

相关性能参数

模数转换：24位A/D

采集码片宽度：1ms、2ms、10ms

电压测量精度：1uV

电压测量准确度：99.8％

电压测量范围：±2.5V

通道数：2通道

同步方式：GPS

内存：16G

数据存储介质：SD卡

通信接口：串口

工作温度：-20℃～70℃

输入阻抗：大于1MΩ

输入电压范围：9V～15V

功耗：3.15W(9V*0.35A)

下面通过实施例对本发明再进一步详细说明。

为了验证本发明的有效性，水槽实验被选择用来验证提出的相关辨识方法。在研究中有两种水槽实验被顺利完成。他们是中间梯度阵列的方法和偶极-偶极阵列方法。

水槽尺寸：长150cm*宽150cm*深110cm，室温20℃，水槽水深70cm左右。样本铜板：长30cm*宽14cm*厚0.2cm，薄铜板被选择为低电阻异常体。所用的电极是是不容易被极化铅电极。水槽的边缘被设定为坐标的零点位置。有12组实验证明了该方案的有效性。六组中间梯度阵列方法和六组偶极-偶极阵列的方法。

使用发送部分的功能，通过第一伪随机信号生成模块22生成伪随机控制信号，本次实验使用的是由生成的10阶的m序列转化的伪随机控制信号，水槽中的发射电极A，B即为第一发射电极101和第二发射电极102。接收电极M，N即为第一接收电极103和第二接收电极104。

通过IPM模块4的信号发送单元43将伪随机控制信号通过发射电极A，B即第一发射电极101和第二发射电极102送入水槽中，第一信号记录单元310记录第一伪随机信号生成模块22生成的伪随机控制信号，并将记录下来的数据发送给第一数据存储模块36；

通过AD模块8’将接收电极M，N即第一接收电极103和第二接收电极104从水槽中得到的信号采集下来。第二信号采集单元310’记录AD芯片81’采集到的数据，并将记录下来的数据发送给第二数据存储模块36’；

这样就同时获得了发送入水槽的伪随机控制信号和采集到的信号，使用这些数据，就可以计算视频散率和视电阻率等参数。

中间梯度阵列方法的相关参数：发射电极间距AB＝0.72m，接收电极间距MN＝0.02m，MN的中点每次移动的点距Δl＝0.02m。铜板被放置在0.64米的坐标位置，铜板的顶部水深是大约0.04米。

计算中间梯度阵列法系数K的方程为：

$K=\frac{2\mathrm{\π}}{|{\mathrm{AM}}^{-1}-{\mathrm{AN}}^{-1}-{\mathrm{BM}}^{-1}+{\mathrm{BN}}^{-1}|}$

接收电极MN每一次变化时，AM，AN，BM，BN之间的距离以及装置系数K都会发生变化。

在本实验中，MN的中点从0.48米的位置移动到0.8米的位置，每次移动0.02米。

偶极阵列方法的相关参数：发射电极间距AB＝0.02m，接收电极间距MN＝0.02m，电极B和M的距离为BM＝0.1m，MN的中点每次移动点距Δl＝0.02m，铜板放置在0.64米的坐标位置，铜板上边沿的水深为0.04米。

计算偶极-偶极阵列法系数K的方程为：

K＝π×D×n(n²-1)

其中AB＝MN＝D，AB的中点与MN的中点之间的距离是OO’，n＝OO’/D。在偶极阵列方法实验中，m序列的阶数是10，码片宽度是1毫秒。MN的中点从0.44米的位置移动到0.96米的位置。每次移动0.02米。

图5是偶极阵列方法中水平铜板的实验结果的示意图。a为视电阻率曲线，可以看出曲线有一个明显的下凹，这是由于铜板是低阻体，电阻率比水小。b是视频散率曲线，可以看出，曲线有一个明显的上凸，这也印证了铜板的存在。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于相关辨识技术的电法勘探系统，其特征在于包括：发射部分、接收部分和相关辨识数据处理部分，其中：

发射部分包括：第一GPS模块(1)、第一FPGA模块(2)、第一单片机模块(3)、IPM模块(4)、第一显示控制模块(5)、第一温度检测模块(6)、第一存储模块(7)、第一键盘模块(8)、第一串口通信模块(9)、第一发射电极(101)和第二发射电极(102)；

第一GPS模块(1)包括第一GPS天线(11)、第一脉冲输出端(12)和第一信号输出串口(13)；第一FPGA模块(2)包括第一分频脉冲同步模块(21)、第一伪随机信号生成模块(22)、第一启动控制模块(23)和第一恒温晶振(24)；第一单片机模块(3)包括第一计数单元(31)、第一温度检测单元(32)、第一GPS串口(33)、第一异常报警单元(34)、第一显示与控制单元(35)、第一数据存储模块(36)、第一串口通信单元(37)、第一键盘控制模块(38)、第一启动控制单元(39)和第一信号记录单元(310)；IPM模块(4)包括驱动控制电路(41)、异常报警电路(42)和信号发送单元(43)；第一显示控制模块(5)包括第一参数显示单元(51)和第一触摸屏手动控制单元(52)；

驱动控制电路(41)与第一伪随机信号生成模块(22)连接，异常报警电路(42)与第一异常报警单元(34)相连接；参数显示单元(51)和触摸屏手动控制单元(52)均与第一显示与控制单元(35)相连；第一温度检测模块(6)与第一温度检测单元(32)连接；第一存储模块(7)与第一数据存储模块(36)连接；第一异常报警单元(34)与异常报警电路(42)连接；第一串口通信单元(37)与第一串口通信模块(9)连接；键盘模块(8)与第一键盘控制模块(38)相连接；

在发送部分中：第一GPS天线(11)接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第一信号输出串口(13)发送至第一GPS串口(33)，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第一脉冲输出端(12)传送给第一分频脉冲同步模块(21)；

第一分频脉冲同步模块(21)不断地接收第一脉冲输出端(12)传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振(24)输出的脉冲，然后对恒温晶振(24)输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第一脉冲输出端(12)输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第一计数单元(31)；第一启动控制模块(23)接收到来自第一启动控制单元(39)发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第一伪随机信号生成模块(22)；第一伪随机信号生成模块(22)使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并转化为用于驱动控制电路(41)的伪随机控制信号；并将生成的伪随机控制信号发送至驱动控制电路(41)；

第一GPS串口(33)接收到第一信号输出串口(13)的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第一显示与控制单元(35)和第一计数单元(31)；

第一计数单元(31)接收来自第一显示与控制单元(35)或第一键盘控制模块(38)输入的启动时间数据，同时也接收来自第一GPS串口(33)的卫星时间数据，并将启动时间数据与第一GPS串口(33)接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第一计数单元(31)内部，用第一分频脉冲同步模块(21)输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第一启动控制单元(39)发送启动信号；

第一温度检测单元(32)向第一温度检测模块(6)发送采集温度数据的指令，第一温度检测模块(6)接收到该指令后，将温度信息发送给第一温度检测单元(32)；如果第一温度检测单元(32)检测到的温度高于设定的值，则发送报警信号给第一异常报警单元(34)；

第一异常报警单元(34)接收来自第一温度检测单元(32)和异常报警电路(42)传来的报警信号后立即报警；

第一显示与控制单元(35)通过第一参数显示单元(51)将第一GPS串口(33)接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第一触摸屏手动控制单元(52)输入的信息传送到第一计数单元(31)；

第一数据存储模块(36)接收第一信号记录单元(310)传来的数据，并将这些数据存入第一存储模块(7)；

第一串口通信单元(37)通过第一串口通信模块(9)与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；

第一键盘控制模块(38)接收由第一键盘模块(8)传来的信息，并将这些信息传输给第一计数单元(31)；

第一启动控制单元(39)等待第一计数单元(31)发来的启动指令，当启动指令到达时，发送启动指令到第一启动控制模块(23)；

第一信号记录单元(310)记录第一伪随机信号生成模块(22)生成的伪随机控制信号，并将记录下来的数据发送给第一数据存储模块(36)；

驱动控制电路(41)在系统上电后等待第一伪随机信号生成模块(22)传来的伪随机控制信号，若驱动控制电路(41)没有收到第一伪随机信号生成模块(22)传来的伪随机控制信号时，则不发出驱动信号至信号发送单元(43)，信号发送单元(43)处于关断状态；当驱动控制电路(41)收到第一伪随机信号生成模块(22)传来的伪随机控制信号时，则向信号发送单元(43)输出驱动信号，信号发送单元(43)开始工作将探测信号通过第一发射电极(101)和第二发射电极(102)送入地下；

异常报警电路(42)在工作中检测到IPM模块(4)异常后，异常报警电路(42)输出一个异常报警信号给驱动控制电路(41)，同时也发送一个报警信号给第一异常报警单元(34)，驱动控制电路(41)接收到异常报警信号后将输入信号锁定，从而实现中止信号发送单元(43)的工作，在实际应用中，驱动控制电路(41)只需将输入信号锁定即可，第一异常报警单元(34)在接收到报警信息后，第一单片机模块(3)在需要时可以控制第一启动控制模块(23)中止信号发送，只要使驱动控制电路(41)停止工作，信号发送单元(43)的信号也自然停止；

参数显示单元(51)将第一显示与控制单元(35)发送来的数据显示出来，第一触摸屏手动控制单元(52)将用户输入的信息传输给第一参数显示单元(51)；

接收部分包括：第二GPS模块(1’)、第二FPGA模块(2’)、第二单片机模块(3’)、第二键盘模块(4’)、第二显示控制模块(5’)、第二温度检测模块(6’)、第二存储模块(7’)、AD模块(8’)、第二串口通信模块(9’)、DSP实时处理模块(10’)、第一接收电极(103)和第二接收电极(104)；

第二GPS模块(1’)包括第二GPS天线(11’)、第二脉冲输出端(12’)和第二信号输出串口(13’)；第二FPGA模块(2’)包括第二分频脉冲同步模块(21’)、第二伪随机信号生成模块(22’)、第一启动控制模块(23’)和第二恒温晶振(24’)；第二单片机模块(3’)包括第二计数单元(31’)、第二温度检测单元(32’)、第二GPS串口(33’)、第二异常报警单元(34’)、第二显示与控制单元(35’)、第二数据存储模块(36’)、第四串口通信单元(37’)、第二键盘控制模块(38’)、第二启动控制单元(39’)、第二信号采集单元(310’)；

第二显示控制模块(5’)包括第二信息显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)；

AD模块(8’)包括AD芯片(81’)和信号调理与放大电路(82’)；

DSP实时处理模块(10’)由实时数字运算处理单元(105’)组成；

实时数字运算处理单元(105’)与第二伪随机信号生成模块(22’)相连接，第二信号采集单元(310’)与时数字运算处理单元(101’)相连接，AD芯片(81’)与第二信号采集单元(310’)相连接；第二参数显示单元(51’)和第二触摸屏手动控制单元(52’)均与第二显示与控制单元(35’)相连；第二温度检测模块(6’)与第二温度检测单元(32’)连接；第二存储模块(7’)与第二数据存储模块(36’)相连接，第二存储模块(7’)和第二参数显示单元(51’)均与实时数字运算处理单元(105’)连接；第二串口通信单元(37’)与第二串口通信模块(9’)连接；第二键盘模块(4’)与第二键盘控制模块(38’)相连接；

在接收部分中，第二GPS天线(11’)接收卫星数据后，将接收到的卫星时间数据通过第二信号输出串口(13’)将卫星数据发送至第二GPS串口(33’)，并将从卫星接收到的授时时间脉冲通过第二脉冲输出端(12’)传送给第二分频脉冲同步模块(21’)；

第二分频脉冲同步模块(21’)不断地接收第二GPS模块(1’)中第二脉冲输出端(12’)传输过来的授时脉冲，同时也接收恒温晶振(24’)输出的脉冲，然后对恒温晶振(24’)输出的脉冲进行分频，使得分频后的脉冲与第二脉冲输出端(12’)输出的脉冲对齐，然后将对齐后的分频脉冲输出到第二计数单元(31’)；第二启动控制模块(23’)接收到来自第二启动控制单元(39’)发来的启动信号之后，发送一个通知信号给第二伪随机信号生成模块(22’)；第二伪随机信号生成模块(22’)使用本地算法生成m序列或逆重复m序列，并将生成的m序列或逆重复m序列发送到DSP实时处理模块(10’)中的实时数字运算处理单元(105’)；

第二GPS串口(33’)接收到第二信号输出串口(13’)的卫星时间数据，并将获得的卫星时间数据分别送至第二显示与控制单元(35’)和第二计数单元(31’)；

第二计数单元(31)接收来自第二显示与控制单元(35’)的或第二键盘控制模块(38’)输入的启动时间数据，同时也接收来自第二GPS串口(33’)的卫星时间数据，并将启动时间数据与第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据求差；求差结果保存在第二计数单元(31’)内部，用第二分频脉冲同步模块(21’)输出的分频脉冲对求差结果进行加一或减一的计数，计数完成后通过第二启动控制单元(39’)发送启动信号；

第二温度检测单元(32’)向第二温度检测模块(6’)发送采集温度数据的指令，第二温度检测模块(6’)接收到该指令后，将温度信息发送给第二温度检测单元(32’)；如果第二温度检测单元(32’)检测到的温度高于设定值，则发送报警信号给第二异常报警单元(34’)；

第二异常报警单元(34’)接收来自第二温度检测单元(32’)的报警信号后立即报警；

第二显示与控制单元(35’)通过第二信息显示单元(51’)将第二GPS串口(33’)接收到的卫星时间数据显示出来，并将用户通过第二触摸屏手动控制单元(52’)输入的信息传送到第二计数单元(31’)；

第二数据存储模块(36’)接收第二信号采集单元(310’)传来的数据，并将这些数据存入第二存储模块(7’)；

第一串口通信单元(37’)通过第二串口通信模块(9’)与上位PC机双向通信，将PC机需要的数据发送过去，并接收PC机发过来的信号；

第二键盘控制模块(38’)接收由第二键盘模块(4’)传来的信息，并将这些信息传输给第二计数单元(31’)；

第二启动控制单元(39’)等待第二计数单元(31’)发来的指令，当接收到指令后，可以控制第二启动控制模块(23’)是否发出启动指令，也可以控制AD芯片(81’)是否开始采集数据；

第二信号采集单元(310’)记录AD芯片(81’)采集到的数据，并将记录下来的数据发送给第二数据存储模块(36’)和实时数字运算处理单元(105’)；

AD芯片(81’)等待第二启动控制单元(39’)发来的启动信号，当接收到启动信号之后，AD芯片(81’)采集信号调理与放大电路(82’)输出的模拟信号，并将采集后的数据发送给第二信号采集单元(310’)；第二信号采集单元(310’)将获得的数据发送给DSP实时处理模块(10’)；信号调理与放大电路(82’)在接收到启动信号后，将第二接收电极(103)和第二接收电极(104)上的模拟电压信号进行处理，使之满足AD芯片(81’)的电压输入范围，再发送给AD芯片(81’)；

DSP实时处理模块(10’)将第二信号采集单元(310’)和第二伪随机信号生成模块(22’)发送来的数据，使用相关辨识法进行运算和处理，快速获得运算结果，并将运算结果发送至第二信息显示单元(51’)，并将运算结果发送到第二存储模块(7’)中存储；

第二信息显示单元(51’)将第二显示与控制单元(35’)和实时数字运算处理单元(105’)发送来的数据显示出来，第二触摸屏手动控制单元(52’)将用户输入的信息传输给参数显示单元(51’)；

相关辨识数据处理：将发送部分中的信号发送单元(43)的信号除以标准电阻后转化为电流信号，并将此电流信号与第二信号采集单元(310’)接收到的信号通过相关运算模块(121)进行相关运算，运算公式为：

u(t)＝r(t)+n(t)＝v(t)*h(t)+n(t)

R_vu(t)＝R_vv(t)*h(t)+R_vn(t)

u(t)是第二信号采集单元(310’)接收到的信号，n(t)是外部的随机噪声干扰，r(t)是理想条件下的响应，v(t)是发送部分中的信号发送单元(43)的信号，h(t)为被测系统的时域冲激响应，R_vu(t)是u(t)与v(t)的互相关函数，R_vv(t)是v(t)的自相关函数，R_vn(t)是v(t)与n(t)的互相关函数；

由于外部的随机噪声干扰n(t)和输入信号不相关，因此R_vn(t)为0，相关运算的结果消去了随机噪声的干扰，由此得到Wiener-Hopf方程：

R_vu(t)＝R_vv(t)*h(t)

通过傅里叶变换模块(122)对Wiener-Hopf方程的两边进行傅里叶变换之后，得到待测系统的频谱信息，由此频谱信息便获得频域参数：视频散率：

H_vu(w)＝H_vv(w)H(w)

公式中，H_vu(w)是R_vu(t)的傅里叶变换，H_vv(w)是R_vv(t)的傅里叶变换，H(w)是h(t)的傅里叶变换；

得到频谱信息后，再通过逆傅里叶变换模块(123)对视频散率进行逆傅里叶变换，得到待测系统的时域冲激响应h(t)，通过积分运算模块(123)对该冲激响应做积分运算，得到待测系统的阶跃响应u(t)，阶跃响应的趋近值即是时域参数：视电阻率，这样两个参数均得到了，从而完成了所需的工作。

2.根据权利要求1所述的基于相关辨识技术的电法勘探系统，其特征在于：所述IPM模块(4)中的驱动控制电路(41)在电路设计中使用了包含四输入与门数字芯片实现了对死区时间的要求，由于与门数字芯片的电平跳转需要一定的时间，所以输入驱动控制电路(41)的伪随机控制信号在通过与门芯片时会产生一个延时，延时后的信号再通过驱动控制电路(41)中的三极管放大后进入驱动控制电路(41)中的光耦隔离芯片，这个延时的时间满足了IPM模块(4)对死区时间的要求；另外，通过对第一FPGA模块(2)中的第一伪随机信号生成模块(22)使用VHDL语言进行编程，也实现了相同的死区时间设置。

3.根据权利要求1所述的基于相关辨识技术的电法勘探系统，其特征在于：所述第一FPGA模块(2)和第二FPGA模块(2’)采用带有DCM时钟管理模块的FPGA XilinxXC3S50AN，借助FPGA的DCM模块实现高精度同步的GPS标准脉冲，使FPGA同步后的标准脉冲与GPS芯片的脉冲高度同步，精度能够达到纳秒级。

4.根据权利要求1所述的基于相关辨识技术的电法勘探系统，其特征在于：在DSP实时处理模块(10’)中，使用了具有高速数字运算处理能力的DSP芯片，结合相关辨识理论方法，在采集的过程中实现实时的相关辨识运算处理，快速获得处理结果，可以比较便捷的获得地下介质的视电阻率，视频散率等参数，并且将运算结果实时显示出来，可以直观的看到结果参数。

5.根据权利要求1所述的基于相关辨识技术的电法勘探系统，其特征在于：所述第一伪随机信号生成模块(22)使用本地算法生成伪随机控制信号的过程具体如下：

(1)确定m序列或逆重复m序列的本原多项式

在生成m序列时，需要用n级移位寄存器来。将移位寄存器用一个n阶的多项式f(x)表示，这个多项式的0次幂系数为1，其k次幂系数为1时代表第k级移位寄存器有反馈线；否则无反馈线。系数只能取0或1。f(x)称为特征多项式。理论分析证明：当特征多项式是本原多项式时，与它对应的移位寄存器电路就能产生m序列。因此，只要找到了本原多项式，就能由它构成m序列产生器。本原多项式总是成对出项的，所以对应于同一个n，本原多项式的个数总是偶数，每一对本原多项式称为互反多项式；

m序列的特征多项式可表示为：

当特征多项式满足以下三个条件：

第一，F(x)不可约；

第二，F(x)可以整除x^m+1，m＝2ⁿ-1；

第三，F(x)除不尽x^q+1，q＜m

F(x)即为m序列的本原多项式；n表示m序列的阶数，x本身的取值并无实际意义，只用来构建本原多项式，c_i表示移位寄存器的反馈连接状态，i为整数变量。c_i表示移位寄存器的反馈连接状态，i为整数变量。m表示一个周期内m序列的码元个数，0≤q＜m；

用本原多项式得到m序列之后，将m序列隔位取反，即得到逆重复m序列；

(2)设计产生不同级数的m序列或逆重复m序列的方法

基于上一步中m序列的本原多项式，进行逆推得到描述反馈移位寄存器逻辑的表达式，然后使用FPGA的异或逻辑，结合VHDL代码，产生4-25阶的m序列，将m序列隔位取反，就可以得到逆重复m序列，有比较高的信号产生效率；

(3)将m序列或逆重复m序列转化为伪随机控制信号

由于信号发送单元(43)对伪随机信号的死区时间有要求，所以需要将生成的m序列或逆重复m序列添加上死区时间，设m序列或逆重复m序列为pn；

信号发送单元(43)总共需要五路控制信号，设为ctrl1，ctrl2，ctrl3，ctrl4和br，设信号发送单元(43)的上升沿产生脉宽为死区时间长度的脉冲a，下降沿产生脉宽为死区时间长度的脉冲b，这五路伪随机控制信号由以下方式得到：

ctrl1＝ctrl4＝(pn)or(b)

ctrl2＝ctrl3＝(not pn)or(a)

br＝not(a or b)

其中，pn为m序列或逆重复m序列，a为上升沿产生脉宽的死区时间长度脉冲，b为下降沿产生脉宽的死区时间长度脉冲，or表示或运算，not表示非运算，ctrl1和ctrl4为反向控制信号，ctrl2和ctrl3为正向向控制信号，br为假负载控制信号；由此得到的伪随机控制信号满足了添加死区时间后，总的序列周期不变的要求，可以用于实际应用。