一种获取待辨识系统频率响应函数的方法及装置

摘要

本发明提供一种获取待辨识系统频率响应函数的方法及装置。该方法包括：通过时钟信号触发线性反馈移位寄存器生成输入信号，按照输入信号的时间序列周期和采样率触发软件程序生成参考信号，输入信号和参考信号均为逆重复M序列且周期为工频周期的偶数倍；向待辨识系统输入输入信号，采集待辨识系统输出的输出信号；对参考信号、输入信号和输出信号应用互相关理论，获取待辨识系统的频率响应函数。由于输入信号为多周期逆重复M序列，其频谱包含多个离散频率避免依次输入多个单频率信号，提高获取频率响应函数的效率。由于增加了参考信号，使得获取频率响应函数的辨识精度很高，输入信号和参考信号的周期为工频周期的偶数倍，能有效压制工频干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及信号采集与处理领域、系统辨识领域及地球物理电 磁法勘探领域，具体而言，涉及一种获取待辨识系统频率响应函数 的方法及装置。

背景技术

目前，为了了解待辨识系统的系统特性，往往需要获取待辨识 系统的频率响应函数，待辨识系统可以是电路系统、观测仪器系统 或待探测大地系统等。例如，为了测定待探测大地系统的地质分布， 进而对待探测大地系统中的矿体进行勘查，需要获取待探测大地系 统的电磁频率响应函数。

当前，现有技术提供了一种获取待辨识系统频率响应函数的方 法，包括：用一定频率的输入信号激发待辨识系统，采集待辨识系 统对该输入信号的响应输出为输出信号。然后改变输入信号的频率， 用改变频率后的输入信号激发待辨识系统，采集待辨识系统输出的 输出信号。如此按照上述方法依次向待辨识系统输入不同频率的输 入信号，并分别采集每个输入信号对应的输出信号。对每个输入信 号及其对应的输出信号进行分析处理，得到待辨识系统的频率响应 函数。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下 问题：

依次向待辨识系统输入多个输入信号并采集输出信号，需要花 费大量的时间，导致获取频率响应函数的效率很低。且现代社会中 广泛存在的工业交流电磁场会影响输入信号和输出信号，导致在工 频干扰严重区，很难准确获取系统的频率响应函数。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种获取待辨识系统 频率响应函数的方法及装置，提高了获取频率响应函数的效率，以 及提高了获取频率响应函数的精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种获取待辨识系统频率响应 函数的方法，所述方法包括：

通过时钟信号触发线性反馈移位寄存器生成输入信号，按照所 述输入信号的时间序列周期和采样率触发软件程序生成参考信号， 所述输入信号和所述参考信号均为逆重复M序列且周期相同均为 工频周期的偶数倍；

向待辨识系统输入所述输入信号，采集所述待辨识系统输出的 输出信号；

对所述参考信号、所述输入信号和所述输出信号应用互相关理 论，获取所述待辨识系统的频率响应函数。

结合第一方面，本发明实施例提供了上述第一方面的第一种可 能的实现方式，其中，所述对所述参考信号、所述输入信号和所述 输出信号应用互相关理论，获取所述待辨识系统的频率响应函数， 包括：

将所述输出信号及所述输入信号分别与所述参考信号进行循环 互相关，得到所述输出信号对应的互相关时间序列及所述输入信号 对应的互相关时间序列；

对所述输出信号对应的互相关时间序列及所述输入信号对应的 互相关时间序列分别进行快速傅立叶变换，得到所述输出信号的互 功率谱及所述输入信号的互功率谱；

根据所述输出信号的互功率谱及所述输入信号的互功率谱，获 取所述待辨识系统的频率响应函数。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，本发明实施例提供了 上述第一方面的第二种可能的实现方式，其中，所述根据所述输出 信号的互功率谱及所述输入信号的互功率谱，获取所述待辨识系统 的频率响应函数，包括：

从所述输出信号的互功率谱中获取输出谱线峰值及其对应的频 率值，以及从所述输入信号的互功率谱中获取输入谱线峰值及其对 应的频率值；

从所述获取的输出谱线峰值和所述获取的输入谱线峰值中筛选 出频率值相同的输出谱线峰值和输入谱线峰值，并通过如下公式(1) 计算所述频率值相同的输出谱线峰值与输入谱线峰值之间的比值， 得到所述待辨识系统的频率响应函数；

$H\left(\omega \right)=\frac{P_{C_{\mathrm{ys}}}\left(\omega \right)}{P_{C_{\mathrm{us}}}\left(\omega \right)}...\left(1\right)$

其中，在公式(1)中，ω为频率值，为频率值ω对应的输 出谱线峰值，为频率值ω对应的输入谱线峰值，H(ω)为所述待 辨识系统的频率响应函数。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，本发明实施例提供了 上述第一方面的第三种可能的实现方式，其中，所述向待辨识系统 输入所述输入信号，采集所述待辨识系统输出的输出信号，包括：

向所述待辨识系统输入所述输入信号，并以同步方式或异步方 式采集所述待辨识系统输出的输出信号；

对应地，所述对所述参考信号、所述输入信号和所述输出信号 应用互相关理论，获取所述待辨识系统的频率响应函数，包括：

当以所述异步方式采集所述输出信号时，根据所述输出信号的 互功率谱和所述输入信号的互功率谱，获取所述待辨识系统的频率 响应函数，所述频率响应函数包含幅度谱；

当以所述同步方式采集所述输出信号时，根据所述输出信号的 互功率谱和所述输入信号的互功率谱，获取所述待辨识系统的频率 响应函数，所述频率响应函数包括相位谱和幅度谱，以及通过如下 公式(2)，获取所述待辨识系统频率响应函数的相位谱；

其中，在公式(2)中，mod为模运算符，为频率ω对应 的所述输出信号的互功率谱的相位，为频率ω对应的所述输入 信号的互功率谱的相位，为所述待辨识系统频率响应函数的相 位谱。

结合第一方面，本发明实施例提供了上述第一方面的第四种可 能的实现方式，其中，所述获取所述待辨识系统的频率响应函数之 后，还包括：

当所述待辨识系统为待探测大地系统时，对所述频率响应函数 进行反演计算，获取所述待探测大地系统的地电断面，以及根据所 述频率响应函数计算待探测大地系统的电磁勘探参数，所述电磁勘 探参数包括阶跃响应、复电阻率、百分比频率效应和晚期视电阻率。

第二方面，一种获取待辨识系统频率响应函数的装置，所述装 置包括：

生成模块，用于通过时钟信号触发线性反馈移位寄存器生成输 入信号，按照所述输入信号的时间序列周期和采样率触发软件程序 生成参考信号，所述输入信号和所述参考信号均为逆重复M序列且 周期相同均为工频周期的偶数倍；

采集模块，用于向待辨识系统输入所述输入信号，采集所述待 辨识系统输出的输出信号；

获取模块，用于对所述参考信号、所述输入信号和所述输出信 号应用互相关理论，获取所述待辨识系统的频率响应函数。

结合第二方面，本发明实施例提供了上述第二方面的第一种可 能的实现方式，其中，所述获取模块包括：

循环互相关单元，用于将所述输出信号及所述输入信号分别与 所述参考信号进行循环互相关，得到所述输出信号对应的互相关时 间序列及所述输入信号对应的互相关时间序列；

快速傅立叶变换单元，用于对所述输出信号对应的互相关时间 序列及所述输入信号对应的互相关时间序列分别进行快速傅立叶变 换，得到所述输出信号的互功率谱及所述输入信号的互功率谱；

第一获取单元，用于根据所述输出信号的互功率谱及所述输入 信号的互功率谱，获取所述待辨识系统的频率响应函数。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，本发明实施例提供了 上述第二方面的第二种可能的实现方式，其中，所述第一获取单元 包括：

获取子单元，用于从所述输出信号的互功率谱中获取输出谱线 峰值及其对应的频率值，以及从所述输入信号的互功率谱中获取输 入谱线峰值及其对应的频率值；

计算子单元，用于从所述获取的输出谱线峰值和所述获取的输 入谱线峰值中筛选出频率值相同的输出谱线峰值和输入谱线峰值， 并通过如下公式(1)计算所述频率值相同的输出谱线峰值与输入谱 线峰值之间的比值，得到所述待辨识系统的频率响应函数；

$H\left(\omega \right)=\frac{P_{C_{\mathrm{ys}}}\left(\omega \right)}{P_{C_{\mathrm{us}}}\left(\omega \right)}...\left(1\right)$

其中，在公式(1)中，ω为频率值，为频率值ω对应的输 出谱线峰值，为频率值ω对应的输入谱线峰值，H(ω)为所述待 辨识系统的频率响应函数。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，本发明实施例提供了 上述第二方面的第三种可能的实现方式，其中，所述采集模块，用 于向所述待辨识系统输入所述输入信号，并以同步方式或异步方式 采集所述待辨识系统输出的输出信号；

对应地，所述获取模块包括：

第二获取单元，用于当以所述异步方式采集所述输出信号时， 根据所述输出信号的互功率谱和所述输入信号的互功率谱，获取所 述待辨识系统的频率响应函数，所述频率响应函数包含幅度谱；

第三获取单元，用于当以所述同步方式采集所述输出信号时， 根据所述输出信号的互功率谱和所述输入信号的互功率谱，获取所 述待辨识系统的频率响应函数，所述频率响应函数包括相位谱和幅 度谱，以及通过如下公式(2)，获取所述待辨识系统频率响应函数 的相位谱；

其中，在公式(2)中，mod为模运算符，为频率ω对应 的所述输出信号的互功率谱的相位，为频率ω对应的所述输入 信号的互功率谱的相位，为所述待辨识系统频率响应函数的相 位谱。

结合第二方面，本发明实施例提供了上述第二方面的第四种可 能的实现方式，其中，所述装置还包括：

计算模块，用于当所述待辨识系统为待探测大地系统时，对所 述频率响应函数进行反演计算，获取所述待探测大地系统的地电断 面，以及根据所述频率响应函数计算所述待探测大地系统的电磁勘 探参数，所述电磁勘探参数包括阶跃响应、复电阻率、百分比频率 效应和晚期视电阻率。

在本发明实施例中，由于输入信号为逆重复M序列，其频谱 中包含多个离散频率的信号，这多个离散频率的信号在主频带内幅 度近似相等，所以避免了向待辨识系统依次输入多个单频率信号， 提高了获取频率响应函数的效率。另外，根据参考信号、输出信号 和输入信号通过互相关法来获取频率响应函数的精度很高，且输入 信号和参考信号的周期为工频周期的偶数倍，可以有效压制工频干 扰。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文 特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例 中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了 本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例1所提供的一种获取待辨识系统频率 响应函数的方法流程图；

图2A示出了本发明实施例2所提供的一种获取待辨识系统频 率响应函数的方法流程图；

图2B示出了本发明实施例2所提供的一种逆重复M序列的时 间域波形示意图；

图2C示出了本发明实施例2所提供的一种逆重复M序列的功 率谱示意图；

图2D示出了本发明实施例2所提供的一种逆重复M序列的自 相关函数曲线的示意图；

图2E示出了本发明实施例2所提供的一种输出信号与参考信 号的互功率谱的示意图；

图3示出了本发明实施例3所提供的获取待辨识系统频率响应 函数的方法流程图；

图4示出了本发明实施例4所提供的一种获取待辨识系统频率 响应函数的装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一 部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出 的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此， 以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要 求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于 本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑到已有技术中依次向待辨识系统输入多个输入信号并采集 输出信号，需要花费大量的时间，导致获取频率响应函数的效率很 低。且相关技术中工业交流电频率会影响输入信号的频率，导致获 取的频率响应函数的精度很低。基于此，本发明实施例提供了一种 获取待辨识系统频率响应函数的方法及装置。下面通过实施例进行 描述。

实施例1

参见图1，本发明实施例提供了一种获取待辨识系统频率响应 函数的方法，该方法可以由获取待辨识系统频率响应函数的装置来 执行。该方法具体包括以下步骤：

步骤101：通过时钟信号触发线性反馈移位寄存器生成输入信 号，按照输入信号的时间序列周期和采样率触发软件程序生成参考 信号，输入信号和参考信号均为逆重复M序列且周期相同均为工频 周期的偶数倍；

步骤102：向待辨识系统输入该输入信号，采集待辨识系统输 出的输出信号；

步骤103：对参考信号、输入信号和输出信号应用互相关理论， 获取待辨识系统的频率响应函数。

在本发明实施例中，由于输入信号为逆重复M序列，其频谱 中包含多个离散频率的信号，这多个离散频率的信号在主频带内幅 度近似相等，所以避免了向待辨识系统依次输入多个单频率信号， 提高了获取频率响应函数的效率。另外，根据参考信号、输出信号 和输入信号通过互相关法来获取频率响应函数的精度很高，且输入 信号和参考信号的周期为工频周期的偶数倍，可以有效压制工频干 扰。

实施例2

本发明实施例提供了一种获取待辨识系统频率响应函数的方 法，该方法可以由获取待辨识系统频率响应函数的装置来执行。

其中，待辨识系统为电路系统、观测仪器系统或待探测大地系 统等。由于待辨识系统中包含导电性和导磁性不同的介质，用输入 信号激发待辨识系统，由于存在电磁感应，待辨识系统会对输入信 号产生响应。在本发明实施例中以同步方式来采集待辨识系统输出 的输出信号，并通过本发明实施例提供的方法来获取待辨识系统的 频率响应函数。

参见图2A，该方法具体包括以下步骤：

步骤201：通过时钟信号触发线性反馈移位寄存器生成输入信 号，该输入信号为逆重复M序列且周期为工频周期的偶数倍；

其中，输入信号为周期性伪随机的逆重复M序列。

本发明实施例的执行主体为用于获取待辨识系统频率响应函数 的装置，待辨识系统可以为电路系统、观测仪器系统或待探测大地 系统等。该装置中设置有N+1位寄存器，N为大于或等于3的整数。 在这N+1位寄存器中，1位寄存器用于生成二分频移位寄存器时钟 信号，剩余的N位寄存器组成线性反馈移位寄存器，预先设定线性 反馈移位寄存器的反馈位，这N位线性反馈移位寄存器组成了最大 长度伪随机m序列产生电路。上述另1位寄存器二分频线性反馈移 位寄存器时钟信号，将该时钟信号与N位线性反馈移位寄存器生成 的伪随机m序列进行异或运算，实现对伪随机m序列隔位取反，得 到逆重复M序列。预先设定采样率，按照该采样率对逆重复M序 列的时间序列进行采样，将采样得到的时间序列信号确定为输入信 号，采样率为采集输入信号的频率。其中，输入信号为多周期的信 号。

其中，逆重复M序列的周期及频带是可调节的，可以通过选择 不同的线性反馈移位寄存器位数及时钟频率来调节。线性反馈移位 寄存器的位数一般取5、6、7、8、9或10位，时钟频率可以在频率 区间[0.5Hz，10kHz]内进行选择。其中，如表1所示，不同的线性 反馈移位寄存器位数与时钟频率，对应的逆重复M序列的周期及序 列位长不同。表1中本原多项式为产生逆重复M序列的反馈位表达 式，时钟频率与逆重复M序列周期的对应表中只是示意性地给出时 钟频率，具体操作中时钟频率可以在频率区间[0.5Hz，10kHz]内进 行选择。

表1

其中，逆重复M序列的周期是最大线性反馈伪随机m序列的 周期的2倍。取逆重复M序列的周期为工频周期的偶数倍，即输入 信号的周期为工频周期的偶数倍。在工业用电较多的场景下，输入 信号会受工业用电的影响。而输入信号的相关峰值表现为周期性的 正负交替出现，因此取输入信号的周期为工频周期的偶数倍，可以 有效的压制工频干扰，削弱工频干扰对输入信号的影响，进而提高 获取的频率响应函数的准确性。

其中，工频为工业上使用的交流电源的频率，一般为50Hz。

其中，逆重复M序列的时间域波形如图2B所示，逆重复M序 列1个周期内波形是随机的。逆重复M序列的功率谱如图2C所示， 其功率谱为离散的线状谱。逆重复M序列的自相关函数曲线如图 2D所示，该自相关函数的曲线表现为正负交替的尖脉冲。

其中，输入信号为逆重复M序列，逆重复M序列信号中包含 了多个离散频率的信号，且这多个信号在主频带内幅度相等，所以 根据该输入信号来获取频率响应函数，可以避免逐个地向待辨识系 统输入多个单频率信号，提高了获取频率响应函数的效率。

其中，通过本步骤的操作生成输入信号之后，需要通过如下步 骤202的操作来获取待辨识系统的输出信号。

步骤202：向待辨识系统输入该输入信号，并以同步方式采集 待辨识系统输出的输出信号；

其中，同步方式表示按照与采集输入信号相同的采样率和采样 时间，通过性能一致的采样器动作一致地采集待辨识系统对输入信 号进行响应后输出的输出信号。该输出信号可以为电信号或磁信号。

其中，用于获取待辨识系统频率响应函数的装置可以是分体式 信号发送设备和信号接收设备，也可以是发送和接收一体式采集设 备。信号发送设备可以包含大功率逆变器等，输入信号经过大功率 逆变器驱动并通过电偶极子输出给待辨识系统，信号接收设备使用 电偶极子或磁偶极子接收待辨识系统的电磁响应，电偶极子可以为 电性分离的电极等，磁偶极子可以为磁探头等。其中，输入信号为 电信号，输出信号有电信号和磁信号两种类型。信号发送设备使用 逆变器将输入信号通过电偶极子发送给待辨识系统。在采集输出信 号时，通过信号采集设备的电偶极子采集的输出信号为电信号，通 过信号采集设备的磁偶极子采集的输出信号为磁信号。

本步骤具体为，控制信号发送设备通过电偶极子连接到待辨识 系统上，以及控制信号采集设备将电偶极子或磁探头连接到待辨识 系统上。控制信号发送设备将输入信号通过电偶极子输入给待辨识 系统，激发待辨识系统，与此同时，控制信号采集设备通过电极或 磁探头，按照与采集输入信号相同的采样率和采样时间来采集待辨 识系统的电磁响应为输出信号。

其中，在本发明实施例中，可以通过信号采集设备的电偶极子 或磁偶极子采集待辨识系统的电场响应或磁场响应。为了提高获取 的频率响应函数的精度，在本发明实施例中，需要保持输入信号采 集器和输出信号采集器系统特性一致。

另外，用于获取待辨识系统频率响应函数的装置中还设置有时 间同步设备，控制该时间同步设备同步信号发送设备，以及同步信 号采集设备，使信号发送设备激发待辨识系统时信号采集设备同时 采集待辨识系统输出的输出信号。进一步地，还可以在时间同步设 备中预设采样率，通过该时间同步设备控制信号采集设备按照预设 的采样率来同步采集输入信号和输出信号。采样率为采集信号的频 率，即每隔预设时间段采集一次输入信号的幅值和输出信号的幅值。

进一步地，信号采集设备还可以存储采集的输入信号和输出信 号，以及将采集的输入信号和输出信号传送给计算机等处理设备， 使计算机等处理设备对采集的输入信号和输出信号进行更深入地计 算处理。

其中，通过上述步骤201和202的操作得到输入信号和输出信 号后，需要通过如下步骤203的操作来生成参考信号。

步骤203：按照输入信号的时间序列周期和采样率触发软件程 序生成参考信号；

其中，该参考信号1个周期的序列长度与输入信号1个周期的 序列长度相同，其初始状态可以与输入信号不同。参考信号只需要 1个或2个整周期的逆重复M序列，而输入信号为多周期逆重复M 序列且周期为工频周期的偶数倍。该参考信号的生成方式可以与输 入信号的生成方式相同。其中，设置产生逆重复M序列的线性反馈 移位寄存器的位数及反馈位之后，产生的逆重复M序列是固定的， 只是不同的寄存器初始状态产生的逆重复M序列之间具有时间延 迟，但是产生的逆重复M序列的频谱分布相同。

其中，在本步骤中，生成参考信号所需的时钟频率和采样率等 参数，均与生成输入信号的参数相同。另外，技术人员可以事先开 发用于生成参考信号的软件程序，设定时钟频率及线性反馈移位寄 存器位数，按照输入信号的时间序列周期和采样率触发该软件程序 来生成1个或2个整周期的逆重复M序列，将生成的逆重复M序 列确定为参考信号。

其中，该参考信号的周期与输入信号周期相同，均为工频周期 的偶数倍。后续根据该参考信号来对输入信号和输出信号进行循环 互相关处理，可以有效压制工频干扰，提高获取的频率响应函数的 精度。

其中，本步骤操作也可以与步骤201的操作同时执行。

其中，获取到输入信号、输出信号和参考信号之后，可以通过 如下步骤204的操作来获取待辨识系统的频率响应函数。

步骤204：对参考信号、输入信号和输出信号应用互相关理论， 获取待辨识系统的频率响应函数；

其中，本步骤可以通过如下S1-S4的操作来实现，具体为：

S1：根据该参考信号、输入信号和输出信号，分别获取输入信 号对应的互相关时间序列及输出信号对应的互相关时间序列；

具体地，根据参考信号和输入信号，通过如下公式(3)将参考 信号与输入信号进行循环互相关，得到输入信号对应的互相关时间 序列。以及，根据参考信号和输出信号，通过如下公式(4)将参考 信号与输出信号进行循环互相关，得到输出信号对应的互相关时间 序列。

C_us(t)＝cxcorr(u,SS)…(3)

C_ys(t)＝cxcorr(yout,SS)…(4)

其中，在公式(3)和(4)中，u为输入信号，yout为输出信 号，SS为参考信号，t为时间，C_us(t)为输入信号对应的互相关时间 序列，C_ys(t)为输出信号对应的互相关时间序列，cxcorr(u,SS)表示对 输入信号u和参考信号SS进行循环互相关运算，cxcorr(yout,SS)表 示对输出信号yout和参考信号SS进行循环互相关运算。

S2：根据输入信号对应的互相关时间序列和输出信号对应的互 相关时间序列，分别获取输入信号的互功率谱及输出信号的互功率 谱；

具体地，通过如下公式(5)对输入信号对应的互相关时间序列 进行快速傅立叶变换，得到输入信号的互功率谱。以及通过如下公 式(6)对输出信号对应的互相关时间序列进行快速傅立叶变换，得 到输出信号的互功率谱。

$P_{C_{\mathrm{us}}}\left(\omega \right)=\mathrm{FFT}\left(C_{\mathrm{us}}\left(t\right)\right)...\left(5\right)$

$P_{C_{\mathrm{ys}}}\left(\omega \right)=\mathrm{FFT}\left(C_{\mathrm{ys}}\left(t\right)\right)...\left(6\right)$

其中，在公式(5)和(6)中，ω为频率值，为输入信号 的互功率谱，为输出信号的互功率谱，FFT(C_us(t))表示对输入信 号对应的互相关时间序列C_us(t)进行快速傅立叶变换，FFT(C_ys(t))表示 对输出信号对应的互相关时间序列C_ys(t)进行快速傅立叶变换。

其中，输出信号与参考信号的互功率谱如图2E所示，输出信 号与参考信号进行循环互相关得到输出信号对应的互相关时间序 列，再对输出信号的互相关时间序列进行快速傅立叶变换，得到输 出信号的互功率谱。图2E所示的互功率谱即为输出信号的互功率 谱。

其中，通过上述S1和S2的操作获取到输入信号的互功率谱和 输出信号的互功率谱之后，可以通过如下S3和S4的操作，根据输 入信号的互功率谱及输出信号的互功率谱，获取待辨识系统的频率 响应函数。

S3：从输入信号的互功率谱中获取输入谱线峰值及其对应的频 率值，以及从输出信号的互功率谱中获取输出谱线峰值及其对应的 频率值；

其中，输入谱线峰值为输入信号的互功率谱中的幅度大于预设 阈值的互功率谱值，输出谱线峰值为输出信号的互功率谱中的幅度 大于上述预设阈值的互功率谱值。

本步骤具体为，从输入信号的互功率谱的谱线中确定出幅度大 于预设阈值的所有谱线极大值点，获取确定的每个极大值点对应的 互功率谱值和频率值，将极大值点对应的互功率谱值确定为输入谱 线峰值，以及将极大值点对应的频率值确定为该输入谱线峰值对应 的频率值。同样地，从输出信号的互功率谱的谱线中确定出幅度大 于预设阈值的所有谱线极大值点，获取确定的每个极大值点对应的 互功率谱值和频率值，将极大值点对应的互功率谱值确定为输出谱 线峰值，以及将极大值点对应的频率值确定为该输出谱线峰值对应 的频率值。

S4：根据输入谱线峰值及其对应的频率值以及输出谱线峰值及 其对应的频率值，获取待辨识系统的频率响应函数。

具体地，从输入谱线峰值和输出谱线峰值中筛选出频率值相同 的输入谱线峰值和输出谱线峰值，并通过如下公式(1)计算频率值 相同的输出谱线峰值与输入谱线峰值之间的比值，得到待辨识系统 的频率响应函数。

$H\left(\omega \right)=\frac{P_{C_{\mathrm{ys}}}\left(\omega \right)}{P_{C_{\mathrm{us}}}\left(\omega \right)}...\left(1\right)$

其中，在公式(1)中，ω为频率值，为频率值ω对应的输 出谱线峰值，为频率值ω对应的输入谱线峰值，H(ω)为待辨识 系统的频率响应函数。

其中，为输出信号的互功率谱，此处表示频率值ω对应的 输出信号的互功率谱值，即频率值ω对应的输出谱线峰值。为 输入信号的互功率谱，此处表示频率值ω对应的输入信号的互功率 谱值，即频率值ω对应的输入谱线峰值。

其中，由于输入信号和参考信号的周期均为工频周期的偶数倍， 所以根据输入信号激发待辨识系统得到输出信号，并根据该输入信 号和输出信号分别与参考信号进行循环互相关，获得的频率响应函 数受工频干扰的影响很小，获取的频率响应函数的精度很高。

其中，以同步方式采集输入信号和输出信号时，获取的频率响 应函数中可以同时反映出待辨识系统频率响应的幅度谱和相位谱。 其中，频率响应的幅度谱反映待辨识系统对输入信号的响应的强度 大小，频率响应的相位谱反映待辨识系统的响应与输入信号的时间 延迟大小。所以在以同步方式采集输入信号和输出信号时获取的频 率响应函数中包含了幅度谱和相位谱。

其中，在本发明实施例中，以同步方式采集待辨识系统的输出 信号时，还可以通过如下步骤205的操作来直接获取待辨识系统的 频率响应函数的相位谱。

步骤205：根据输入信号的互功率谱和输出信号的互功率谱， 获取待辨识系统的频率响应函数的相位谱；

其中，对于输入信号的互功率谱和输出信号的互功率谱，可直 接从步骤204中S1和S2计算得到。

本步骤具体为，根据输入信号的互功率谱和输出信号的互功率 谱，通过如下公式(2)，获取待辨识系统频率响应函数的相位谱。

其中，在公式(2)中，mod为模运算符，为频率ω对应 的输出信号的互功率谱的相位，为频率ω对应的输入信号的互 功率谱的相位，为待辨识系统的频率响应函数的相位谱。

其中，通过上述步骤201-205的操作获取到待辨识系统的频率 响应函数的幅度谱和相位谱之后，可以根据待辨识系统的频率响应 函数来分析待辨识系统的系统特性及介质组成等情况。由于本发明 实施例中获取的频率响应函数幅度谱和相位谱的精度很高，所以根 据频率响应函数来对待辨识系统进行分析的误差很小。

其中，在本发明实施例中，当待辨识系统为待探测大地系统时， 获取的频率响应函数即为大地的阻抗谱，用该阻抗谱进行反演计算， 获取所述待探测大地系统的地电断面，以及根据频率响应函数计算 待探测大地系统的电磁勘探参数，该电磁勘探参数可以是阶跃响应、 复电阻率、百分比频率效应和晚期视电阻率等。

具体地，辨识出的待探测大地系统频率响应函数的幅度谱和相 位谱，反映大地系统的阻抗信息，用幅度谱和相位谱进行反演计算， 得到待探测大地系统的地电断面。以及通过如下公式(7)导出待辨 识大地系统的复电阻率，以及通过如下公式(8)导出待辨识大地系 统的百分比频率效应。以及根据频率响应函数计算待探测大地系统 的阶跃响应，由阶跃响应的晚期渐进值计算待辨识大地系统的晚期 视电阻率。

ρ(ω)＝KZ(ω)…(7)

$\mathrm{PFE}=\frac{Z\left({\omega }_L\right)-Z\left({\omega }_H\right)}{Z\left({\omega }_H\right)}*100\%...\left(8\right)$

其中，在公式(7)中，ρ(ω)为复电阻率，K为装置系数，Z(ω) 为待辨识大地系统的幅度谱。在公式(8)中，PFE为百分比频率效 应，Z(ω_L)为低频点幅度，Z(ω_H)为高频点幅度。

其中，由于信号采集设备在接收到待辨识系统的输出信号时， 也会对该输出信号进行响应，即信号采集设备也存在频率响应，该 频率响应会降低获取的待辨识系统的频率响应函数的准确性。所以 在本发明实施例中，通过对信号采集设备应用本发明技术方法进行 预先标定及调试，使信号采集设备的频率响应值始终为1，从而消 除信号采集设备的频率响应的影响。所以在本发明实施例中获取的 频率响应仅为待辨识系统本身的频率响应，频率响应函数的准确性 很高，且频率分辨率很高。

在本发明实施例中，由于输入信号为逆重复M序列，其频谱 中包含多个离散频率的信号，避免了依次输入多个单频率信号，提 高了获取频率响应函数的效率。参考信号与输出信号和输入信号分 别作循环互相关，使得获取频率响应函数的精度很高，且输入信号 和参考信号的周期为工频周期的偶数倍，可以有效压制工频干扰。

实施例3

本发明实施例提供了一种获取待辨识系统频率响应函数的方 法，该方法可以由获取待辨识系统频率响应函数的装置来执行。

其中，待辨识系统为电路系统、观测仪器系统或待探测大地系 统等。由于待辨识系统中包含导电性和导磁性不同的介质，向待辨 识系统中输入输入信号，由于存在电磁感应，待辨识系统会对输入 信号产生响应。在本发明实施例中以异步方式来采集待辨识系统输 出的输出信号，并通过本发明实施例提供的方法来获取待辨识系统 频率响应函数的幅度谱。

参见图3，该方法具体包括以下步骤：

步骤301：与步骤201的操作相同，在此不再赘述；

步骤302：向待辨识系统输入该输入信号，并以异步方式采集 待辨识系统输出的输出信号；

其中，异步方式为开始采集待辨识系统输入信号和输出信号的 时间点可以不同，但采样率相同。

步骤303：与步骤203的操作相同，在此不再赘述；

步骤304：对参考信号、输入信号和输出信号应用互相关理论， 获取待辨识系统的频率响应函数。

其中，具体获取频率响应函数的方式同步骤204中S1-S4的操 作。需要指出的是，在以异步方式采集输入信号和输出信号时，输 出信号的采集与输入信号的采集延迟时间不确定，因此在异步方式 下，获取的频率响应函数无法反映出待辨识系统响应输出与输入信 号间的延迟时间，即在异步方式下获取的频率响应函数仅包含幅度 谱，不包含相位谱。

在本发明实施例中，由于输入信号为逆重复M序列，其频谱 中包含多个离散频率的信号，避免了依次输入多个单频率信号，提 高了获取频率响应函数的效率。参考信号与输出信号和输入信号分 别作循环互相关，使得获取频率响应函数的精度很高，且输入信号 和参考信号的周期为工频周期的偶数倍，可以有效压制工频干扰。

实施例4

参见图4，本发明实施例提供了一种获取待辨识系统频率响应 函数的装置，该装置用于执行上述获取待辨识系统频率响应函数的 方法。该装置具体包括：

生成模块401，用于通过时钟信号触发线性反馈移位寄存器生 成输入信号，按照输入信号的时间序列周期和采样率触发软件程序 生成参考信号，输入信号和参考信号均为逆重复M序列且周期相同 均为工频周期的偶数倍；

采集模块402，用于向待辨识系统输入该输入信号，采集待辨 识系统输出的输出信号；

获取模块403，用于对参考信号、输入信号和输出信号应用互 相关理论，获取待辨识系统的频率响应函数。

其中，获取模块403包括：

循环互相关单元，用于将输出信号及输入信号分别与参考信号 进行循环互相关，得到输出信号对应的互相关时间序列及输入信号 对应的互相关时间序列；

快速傅立叶变换单元，用于对输出信号对应的互相关时间序列 及输入信号对应的互相关时间序列分别进行快速傅立叶变换，得到 输出信号的互功率谱及输入信号的互功率谱；

第一获取单元，用于根据输出信号的互功率谱及输入信号的互 功率谱，获取待辨识系统的频率响应函数。

其中，第一获取单元包括：

获取子单元，用于从输出信号的互功率谱中获取输出谱线峰值 及其对应的频率值，以及从输入信号的互功率谱中获取输入谱线峰 值及其对应的频率值；

计算子单元，用于从获取的输出谱线峰值和获取的输入谱线峰 值中筛选出频率值相同的输出谱线峰值和输入谱线峰值，并通过如 下公式(1)计算频率值相同的输出谱线峰值与输入谱线峰值之间的 比值，得到待辨识系统的频率响应函数；

$H\left(\omega \right)=\frac{P_{C_{\mathrm{ys}}}\left(\omega \right)}{P_{C_{\mathrm{us}}}\left(\omega \right)}...\left(1\right)$

其中，在公式(1)中，ω为频率值，为频率值ω对应的输 出谱线峰值，为频率值ω对应的输入谱线峰值，H(ω)为待辨识 系统的频率响应函数。

其中，采集模块402，用于向待辨识系统输入输入信号，并以 同步方式或异步方式采集待辨识系统输出的输出信号；

对应地，获取模块403包括：

第二获取单元，用于当以异步方式采集输出信号时，根据输出 信号的互功率谱和输入信号的互功率谱，获取待辨识系统的频率响 应函数，频率响应函数包含幅度谱；

第三获取单元，用于当以同步方式采集输出信号时，根据输出 信号的互功率谱和输入信号的互功率谱，获取待辨识系统的频率响 应函数，频率响应函数包括相位谱和幅度谱，以及通过如下公式(2)， 获取待辨识系统频率响应函数的相位谱；

其中，在公式(2)中，mod为模运算符，为频率ω对应 的输出信号的互功率谱的相位，为频率ω对应的输入信号的互 功率谱的相位，为待辨识系统频率响应函数的相位谱。

进一步地，该装置还包括：

计算模块404，用于当待辨识系统为待探测大地系统时，对频 率响应函数进行反演计算，获取待探测大地系统的地电断面，以及 根据频率响应函数计算待探测大地系统的电磁勘探参数，电磁勘探 参数包括阶跃响应、复电阻率、百分比频率效应和晚期视电阻率。

在本发明实施例中，由于输入信号为逆重复M序列，其频谱 中包含多个离散频率的信号，避免了依次输入多个单频率信号，提 高了获取频率响应函数的效率。参考信号与输出信号和输入信号分 别作循环互相关，使得获取频率响应函数的精度很高，且输入信号 和参考信号的周期为工频周期的偶数倍，可以有效压制工频干扰。

本发明实施例所提供的获取待辨识系统频率响应函数的装置可 以为设备上的特定硬件或者安装于设备上的软件或固件等。所属领 域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述 的系统、装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例 中的对应过程。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露装置和 方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是 示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实 际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结 合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。 另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可 以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以 是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分 开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可 以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实 际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目 的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处 理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以 上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销 售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样 的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部 分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算 机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计 算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本 发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包 括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、 随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘 等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。