伪随机多频激电仪根据中国应用地球物理学家何继善发明的伪随机信号频谱激电法原理研制而成，可同时观测多频率激电响应的振幅、相位，自动计算视幅频率和视电阻率，发现异常并研究和评价异常的性质，区分硫化金属矿与碳质岩层的异常。

1920年，法国地球物理学家C.施伦贝格（C.Schlumberger）发现地下物质中存在着激发极化效应。1934年，英国科学家R.L.斯密施-罗斯（R.L.Smith-Rose）在用交流电测量岩石电性时，观察到岩石的等效电导率是一个复量。L.S.科利特（L.S.Collett）和H.O.西格尔（H.O.Seigel）分别于1950年提出用不同频率交流电测量激电的方法。同年，美国科学家J.R.韦特（J.R.Wait）在亚利桑那州成功地进行了频率域激电法的第一次野外试验。

传统的频率域激电实行的都是变频方案，在每一个测点上，第一次供高频电流，测量高频的激电响应，然后供低频电流，测量低频的激电响应。这样做的结果，使得观测速度慢，精度低，受干扰影响大，丧失了频率域激电测量总场、装备轻便、移动灵活的优势。

针对变频激电法的缺点，何继善于20世纪70年代提出了双频激电法，核心是将一高、一低两个不同频率的电流合成起来，形成双频组合波电流供入地下，同时测量这两个频率的激电响应。双频激电法实质是2ⁿ系列伪随机激电法的一种最简单而实用的形式。

何继善90年代进一步发明并命名了2ⁿ系列伪随机信号，发明了均匀广谱伪随机电磁法技术方法体系，组织研制了伪随机多频激电仪。

2ⁿ系列均匀广谱伪随机信号随着n的不同，在时间域上具有不同的波形，其频谱也相应地不同。但这些信号的频谱有一个共同的特点，就是它们的振幅在频率为2^kω₀（k=0,1,2,···,n-2,n-1；ω₀表示伪随机多频波基波频率）共n个频率上基本相等，这些频率上的功率之和占了信号总平均功率的大部分，其余谐波含有的功率只占信号总平均功率的小部分，2ⁿ系列均匀广谱伪随机信号的名称也因此得来。单个伪随机信号根据n的取值命名为伪随机n频波。如当n取值为3、5、7时，将所对应的伪随机信号命名为伪随机三频波、伪随机五频波、伪随机七频波。

图1、图2分别为周期为1秒、振幅为1的伪随机五频波、伪随机七频波的一个周期的波形。从波形可以看出2ⁿ系列均匀广谱伪随机信号与方波的相同点和不同点，相同之处是振幅的绝对值保持不变；不同之处在于随着n的增大，波形越来越复杂，波形振幅的变化也越来越快，表示信号的带宽也越来越大。

图1 伪随机五频波（A=1,T=1s）

图2 伪随机七频波(A=1,T=1s)

综上所述，均匀广谱伪随机信号的特点为：①2ⁿ系列均匀广谱伪随机波形既有随机波形的特征，又能事先设定，并能重复地产生和复制，因而容易控制和发生，便于工程应用。②该波形所含各主频率均按2ⁿ步进，即2、4、8……步进，主频率在对数坐标上是均匀分布的，对频率域电磁法勘探十分有用。③各主频率振幅值相差不大，基本相等，说明该波形所含能量基本上集中在各个主频率上，因而电源利用率高。④每组2ⁿ进制伪随机波所含主频率个数可以预先设置（如三频、五频、七频等），因而方便、灵活。⑤每个频组中的主频率的起始相位相同，对相位谱测量精度易于控制。⑥可以采用一机供电多机测量的工作模式，大大提高工作效率，适合西部中高山区开展面积性工作。由此可见，利用2ⁿ系列均匀广谱伪随机电流波形作为电磁法勘探的场源激励波形是一种非常理想的波形。

WSJ-4伪随机多频激电仪由发送机和接收机组成。伪随机多频发送机的任务是发送一定功率的伪随机多频波，伪随机多频接收机则同时接收多频波信号，测量各个频率电场信号振幅和相位，计算视幅频率。

WSJ-4伪随机多频激电仪的一项重要任务是测量激电频谱，以提供矿与非矿的信息，而区分硫化金属矿与碳质岩石的异常，又是最常遇到的任务。这类工作中并不需要全面地测量一条频谱曲线，而是测量一段频谱，根据其相位极大值的位置获得相关信息。因此，WSJ-4伪随机多频激电仪采用伪随机五频波，一共5组，具体频率为：

0)8,4,2,1,0.5

1)4,2,1,0.5,0.25

2)2,1,0.5,0.25,0.125

3)1,0.5,0.25,0.125,0.0625

4)0.5,0.25,0.125,0.0625,0.03125

WSJ-4不但具有区分异常的能力，而且也可以在普查时使用，即用来发现异常。此时，可以根据工作区的地球物理情况，选择一个频率组进行工作。如选择第1频率组，工作频率为4赫兹、2赫兹、1赫兹、0.5赫兹和0.125赫兹，最高与最低频率差为16倍，与平常用的双频激电仪第2频组接近，可以用来普查扫面。

WSJ-4伪随机多频激电仪的指标：①发送机技术指标。最大发送电压800伏；最大发送电流20安；频率范围0.03125～8赫兹；频率相对精度优于10^-5；同步精度1微秒；电流检测精度<1%。②接收机技术指标。频率范围0.03125～8赫兹；输入阻抗>5兆欧姆；电位差测量范围0.6毫伏～2伏；电位差测量误差0.2%；对50赫兹工频干扰压制优于50dB；幅频率测量范围-99.99%～+99.99%；幅频率测量绝对误差<±0.2%；相位测量范围-1000～+1000毫弧度；相位测量绝对误差<±1毫弧度。

伪随机多频激电仪发射机分为高压侧和低压侧，低压侧主要实现伪随机信号生成、人机交互、数据存储等功能，高压侧主要发送高电压大电流伪随机信号。发射机原理图如图3所示。

图3 伪随机多频激电仪发射机原理图

高压部分主要由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、驱动与保护、电流检测等组成。IGBT是实现高电压大电流高速开关的关键部件，它的输入端是直流大功率高压电源，输出即为伪随机信号，控制波形由低压控制单元产生。为了IGBT可靠工作，必须为其设计相应的驱动电路以及吸收保护电路。电流检测电路检测输出的伪随机信号电流并反馈给低压控制单元存储与显示。

伪随机多频激电仪接收机由微处理器（MCU）、GPS模块、前置模拟、乘法通道、键盘与LCD控制模块等组成，如图4所示。键盘/LCD用于人机交互接口；MCU用于控制和协调模块；GPS模块给系统提供参考时钟以及与发送机的同步；前置模拟用于调理激电（IP）信号；乘法通道完成信号虚实部分离和检波功能。

图4 伪随机多频激电仪接收机原理图

通过电极传送来的激电信号频率范围为0.03125～8赫兹，而地电信号中还包含了较强的工业电干扰、自然电位以及天电干扰等信号，为了提高信噪比，放大有效信号抑制干扰信号，信号调理电路中设计了低通滤波、高通滤波、工频陷波器等滤波器并将信号放大合适的幅度。

由于发送的伪随机信号是五频伪随机信号，接收机接收到的有效信号包含五个主频率成分，必须将它们分离。系统设计了10路乘法器实现相干检波，分别检出每个频率信号的实部和虚部，然后对波信号进行积分，最后通过模数转换器转换成数字信号。MCU读取每个频率信号实部与虚部模数转换器结果并计算得到每个频率信号的振幅和相位，再进一步计算得到幅频率，并显示和存储。示意图如图5所示。

图5 激电信号调理与测量电路示意图

主要用于金属、非金属矿产资源勘查，水文工程物探以及探测其他具有电性差异的目标体，具有以下特点：①发射机发射的波形所含的主频率均按2的n次幂步进，各主频率点的振幅值基本相等，系统电源利用率高。②各主频点起始相位相同，可进行每组多个频率的振幅值、绝对相位等参数测量，能实现相位谱精确测量。③可根据振幅谱和相位谱特征判别地下异常源性质，进而判别“矿与非矿”异常。④观测系统轻便，能实现一机发送多机接收工作方式，满足西部中高山地区快速面积性探测。⑤抗干扰能力强，能压制生产矿山工业电磁干扰，可在生产矿山深边部开展接替资源勘探。

图6 伪随机多频激电仪实物图