CN102749873A - 电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统及补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统。是由信号采集模块经控制器模块和嵌入式信号处理模块与人机交互模块连接，信号采集模块经嵌入式信号处理模块和直接数字频率合成器与控制器模块连接，嵌入式信号处理模块与通信接口模块连接构成。有效去除了由于非线性造成的激励信号相位畸变。通过在前馈控制器中引入零点来补偿闭环系统的不稳定零点，不仅使校正后的系统在全频域范围内相移为零，而且改善了系统的延时问题，提高了系统的跟踪性能。有效滤除控制干扰噪声和测量噪声，提高了控制精度。采用单片Cyclone II系列FPGA芯片，将处理器、控制器算法、直接数字频率合成器等集成在一起，不仅节约了成本而且缩小了控制箱的体积、降低了系统功耗。

Description

电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统及补偿控制方法

技术领域：

本发明涉及一种用于浅层地震勘探的电磁驱动式相控震源，尤其是相控震源相位补偿控制系统

背景技术：

可控震源是当前浅层地震勘探领域应用的主要非爆炸震源。目前，可控震源技术包括单震源、组合震源和相控震源，在测区强噪声环境下，相控震源有利于改善地震勘探数据信噪比和提高勘探深度。以前的相控震源控制系统，可实现对各震源控制信号的相位控制，但由于阵列震源的非一致性及地表耦合的非一致性，相控震源中各震源激发的信号的相位存在不同程度的畸变，在实际相控震源地震勘探中，影响地震波束定向效果，从而影响数据采集质量。为此，研究基于震源-大地耦合模型的电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统，可在各震源不一致及不同的震源-震源耦合条件下实现相控震源激发信号的相位补偿控制，从而使相控震源定向地震波形态的精确控制成为可能。现有的电磁驱动式可控震源的电控系统还没有针对此项技术的控制方案。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，并针对电磁驱动式相控震源，提出了一种基于零相差前馈补偿和卡尔曼滤波的比例-积分-微分(PID)闭环系统的电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统，是由信号采集模块经控制器模块和嵌入式信号处理模块与人机交互模块连接，信号采集模块经嵌入式信号处理模块和直接数字频率合成器与控制器模块连接，嵌入式信号处理模块与通信接口模块连接构成。

所述的信号采集模块是由第一信号采集通道和第二信号采集通道分别经加权合成器6与卡尔曼滤波器7连接，调节器输出与卡尔曼滤波器7连接，其中第一信号采集通道由加速度传感器1经可编程增益放大器2和低通滤波3与A/D转换器4连接构成，第二信号采集通道与第一信号采集通道同构。

所述的直接数字频率合成器是由频率控制字寄存器8经累加器12与加法器13连接，相位控制字寄存器9经加法器13与乘法器14连接，幅度控制字寄存器10经乘法器14与波形存储器15连接，波形选择寄存器11与波形存储器15连接构成。

所述的控制器模块是由前馈补偿器16经减法器17、比例-积分-微分(PID)调节器18和A/D转换器19与可控震源20连接，近基板检波器经信号采集模块与减法器17连接构成。

所述的嵌入式信号处理模块是由嵌入式处理器21通过总线连接FLASH程序存储器22、UBS接口25、动态随机存储器23、人机交互接口26、485通讯接口24和存储卡构成。

电磁驱动式相控震源相位补偿系统的补偿控制方法，包括以下步骤：

a、在用相控震源做地震勘探数据采集时，首先要对各台震源的工作状态做自检，传感器采集系统背景噪声并存储在存储卡中，工作前做一次试振，将震源两路加速度信号分别存储在存储卡对应文件中，并将两路传感器信号加权合成为一路原始震动信号，将震源的工作状态显示在液晶屏上的状态窗口中，并将合成的原始震动信号和直接数字频率合成器生成的控制信号对比显示在液晶屏的信号窗口中；

b、分别设置各台震源的站号及主控站，在主控站设置扫描时间，扫描频率范围，相位差，按确认键发送扫描参数，从机接收主控站发送的扫描参数，并发回应答信号，同时各震源站分别将各自的扫描参数存储于FLASH程序存储器中，主机接收应答信号后，屏幕上显示通讯成功信息，此时各震源站准备进入扫描状态；

c、按扫描键各震源进入工作状态，处理器同时启动直接数字频率合成器模块，信号采集模块，控制器模块和嵌入式信号处理模块，18位A/D将加速度传感器采集回来的信号转换成18位数字信号并送至信号合成器，信号合成器将两路加权合成最终的震动信号，然后送至卡尔曼滤波器；

d、除补偿器以外的闭环系统通过扫频测试，建立系统的幅频和相频特性，闭环系统进行拟合得到闭环控制系统函数，通过零相差原理设计零相差控制器，并建立零相差前馈控制器；

e、输入信号经过零相差前馈控制器后，补偿了闭环系统的不稳定零点，将原来的非最小相位系统校正成为最小相位系统，误差信号先经过整型-浮点型变换器变换成32位浮点型数，再经过PID调节器进行相应运算，得到控制信号，控制信号再经过浮点型-整形变换器变换成16位整型，16位数最终送往D/A转换器将数字控制信号转换成模拟信号，作为系统最终输出的控制信号；

f、控制系统达到稳定状态后，系统自动将控制信号和反馈信号实时显示在液晶屏上，并存储在存储卡中，为后期地震信号处理提供依据；

g、地震施工完成后，通过USB接口将地震施工中存储的信号，包括背景噪声信号，传感器采集的加速度信号等回传到计算机中。

利用可编程逻辑门电路(FPGA)实现直接数字频率合成器合成扫频信号，作为控制器的输入信号，由信号采集模块采集可控震源的震动信号作为控制器的反馈信号，通过控制器的控制算法实现对震动信号幅度的控制和相位的补偿。嵌入式信号处理模块负责直接数字频率合成器参数的设置，主从机通讯，震动信号的回收、处理和人机交互。

——信号采集模块：信号采集模块共两个通道，包括模拟部分和数字部分。模拟部分包括加速度传感器1，差分式可编程增益放大器2，单片集成低通滤波器3。数字部分包括18位A/D转换器4，加权合成器6，卡尔曼滤波器7。两路模拟的加速度信号，先分别通过差分式的可编程增益放大器放大，再通过模拟低通滤波器预处理，然后送入A/D转换器做模数转换成为数字信号，最后由数字加权合成器对两路加速度信号分别与相应的质量加权求和，合成震动信号。震动信号经数字式卡尔曼滤波器滤波后得到最终的反馈信号。

——直接数字频率合成器模块：直接数字频率合成器模块在FPGA内部由硬件描述语言实现。包括32位频率控制字寄存器8，32位相位控制字寄存器9，8位幅度控制字寄存器10，2位波形选择寄存器11，32位频率累加器12，32位相位加法器13，8位幅度乘法器14和具有16位地址位宽和14位数据位宽的ROM波形存储器15。频率控制寄存器分两部分：即起始频率寄存器和终止频率寄存器，分别用来设置扫描信号的起始频率和终止频率，相位控制字寄存器用来设置扫描信号的起始相位，幅度控制字寄存器用来设置扫描波形的幅值，波形选择寄存器通过改变波形查找的起始位置来选择四种不同的扫描波形，波形存储器存储四种不同的扫描波形。工作时，用户根据扫描时间，扫描频率范围，扫描信号幅度和扫描波形设置来设置对应的波形存储器的值。频率累加器，相位加法器和幅度乘法器调用对应寄存器内的值进行计算得到32位的地址，取其高16位，根据波形选择寄存器的设置查找波形存储器内对应的波形值，输出相应的扫描信号。

——控制器模块：控制器模块包括前馈补偿器16，减法器17，PID调节器18和D/A转化器19。闭环控制的反馈信号由信号采集模块得到，前馈补偿器的输出和信号采集模块的输出通过减法器得到误差信号。PID调节器对误差信号进行调节得到控制信号，再经D/A转换输出后作为可控震源的控制信号。前馈补偿器的输入是直接数字频率合成器模块输出的扫描信号，用于校正闭环系统的不稳定零点，使系统成为最小相位系统。

——嵌入式信号处理模块：嵌入式信号处理模块包括嵌入式处理器即CPU21，FLASH程序存储器22，动态随机存储器即内存23，485通讯接口24，USB接口25，人机交互接口26和存储卡27。嵌入式信号处理模块负责与外设的通讯以及震动信号相位的在线检测。震源工作前，先将存储在FLASH程序存储器中的程序加载到内存，CPU等待人机接口即键盘对震源扫描参数的设置，通过485通讯接口发送到各从机。震源工作时，处理器将每次工作的工作参数、控制信号和反馈信号存储在SD卡对应的文件中，并将三台震源的反馈信号实时显示在液晶屏模块上。

——通讯接口模块：通讯模块由FPGA内建嵌入式处理器实现主从震源站的互联。软件部分由FPGA嵌入式开发环境NIOS通过C语言编程实现。硬件部分，各震源站控制系统内含一片MAX485芯片，外部通过屏蔽电缆实现主从站之间的通讯。

——人机交互模块：人机交互接口包括开关、键盘、液晶显示屏、指示灯。键盘程序由FPGA内部嵌入式处理器实现控制，包括扫描参数设置，扫描模式选择等。液晶显示屏用来显示震源的工作参数和相位信息，以及实时显示震动信号。指示灯指示震源的工作状态。

有益效果：在FPGA内部实现的基于零相差前馈补偿和卡尔曼滤波的PID控制器，能够有效去除由于功率发大器以及激振器机械系统非线性造成的激励信号相位畸变。通过在前馈控制器中引入零点来补偿闭环系统的不稳定零点，不仅使校正后的系统在全频域范围内相移为零，而且改善了系统的延时问题，提高了系统的跟踪性能。同时在控制系统中引入数字式卡尔曼滤波器，有效滤除控制干扰噪声和测量噪声，提高了控制精度。采用单片Cyclone II系列FPGA芯片，将处理器、控制器算法、直接数字频率合成器等集成在一起，在节约了成本的同时也缩小了控制箱的体积、降低了系统功耗。

附图说明：

图1相控震源相位补偿控制系统结构框图

图2是附图1中信号采集模块结构框图

图3是附图1中直接数字频率合成器结构框图

图4是附图1中控制器模块结构框图

图5是附图1中嵌入式信号处理模块结构框图。

1 传感器，2 可编程增益放大器，3 低通滤波3A/D，4 转换器，5 第二信号采集通道，6 加权合成器，7 卡尔曼滤波器，8 频率控制字寄存器，9 相位控制字寄存器，10 幅度控制字寄存器，11 波形选择寄存器，1，2 累加器，13 加法器，14 乘法器，15 波形存储器，16 前馈补偿器，17 减法器，18 比例-积分-微分(PID)调节器，19 A/D转换器，20 可控震源，21 嵌入式处理器，22 FLASH程序存储器，23 动态随机存储器，24 485通讯接口，25 USB接口，26 人机交互接口.

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步说明：

如图1所示，各从机都具有相同的结构功能，震源主机通过485总线与数台震源从机之间实现命令和数据的互传。主机和从机编号上电时由人工设置(默认初始站号为1，2，3，…，n)。从机除接收主机命令以外，同时各自的功能模块能独立工作，不受通讯的影响。

电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统，是由信号采集模块经控制器模块和嵌入式信号处理模块与人机交互模块连接，信号采集模块经嵌入式信号处理模块和直接数字频率合成器与控制器模块连接，嵌入式信号处理模块与通信接口模块连接构成。

所述的信号采集模块是由第一信号采集通道和第二信号采集通道分别经加权合成器6与卡尔曼滤波器7连接，调节器输出与卡尔曼滤波器7连接，其中第一信号采集通道由加速度传感器1经可编程增益放大器2和低通滤波3与A/D转换器4连接构成，第二信号采集通道与第一信号采集通道同构。

所述的直接数字频率合成器是由频率控制字寄存器8经累加器12与加法器13连接，相位控制字寄存器9经加法器13与乘法器14连接，幅度控制字寄存器10经乘法器14与波形存储器15连接，波形选择寄存器11与波形存储器15连接构成。

所述的控制器模块是由前馈补偿器16经减法器17、PID调节器18和A/D转换器19与可控震源20连接，近基板检波器经信号采集模块与减法器17连接构成。

所述的嵌入式信号处理模块是由嵌入式处理器21通过总线连接FLASH程序存储器22、USB接口25、动态随机存储器23、人机交互接口26、485通讯接口24和SD存储卡27构成。

电磁驱动式相控震源相位补偿系统的补偿控制方法包括以下步骤：

a、在用相控震源做地震勘探数据采集时，首先要对各台震源重要部件的工作状态做自检，传感器采集系统背景噪声并存储在存储卡中。工作前做一次试振，将震源两路加速度信号分别存储在存储卡对应文件中，并将两路传感器信号加权合成为一路原始震动信号；嵌入式处理器计算扫描信号与卡尔曼滤波器输出的反馈信号间的最大幅度误差和相位误差并判断控制误差信号是否小于规定误差；然后，将震源的工作状态显示在液晶屏上的状态窗口中，并将合成的原始震动信号和直接数字频率合成器生成的控制信号对比显示在液晶屏的信号窗口中；若各台震源均处于正常工作状态，则可以进行过程b；否则检查震源故障或调整震源位置使震源更好的与大地耦合，重新启动此自检过程；

b、分别设置各台震源的站号及主控站。在主控站设置扫描时间为8s，扫描频率范围10-200Hz，相位差20度，按确认键发送扫描参数，从机接收主控站发送的扫描参数，并发回应答信号，同时各震源站分别将各自的扫描参数存储于图5中的FLASH程序存储器中，主机接收应答信号后，屏幕上显示通讯成功信息，此时各震源站准备进入扫描状态；

c、按扫描键各震源进入工作状态，此时，如图1所示，处理器同时启动直接数字频率合成器模块，信号采集模块，控制器模块和嵌入式信号处理模块。18位A/D将加速度传感器采集回来的信号转换成18位数字信号并送至信号合成器，信号合成器将两路加权合成最终的震动信号，然后送至卡尔曼滤波器。前馈补偿器是一个离散的系统函数。

d、图4中除补偿器以外的闭环系统通过扫频测试，建立系统的幅频和相频特性。闭环系统进行拟合得到闭环控制系统函数，通过零相差原理设计零相差控制器，并建立零相差前馈控制器；

e、输入信号经过零相差前馈控制器后，补偿了闭环系统的不稳定零点，将原来的非最小相位系统校正成为最小相位系统，误差信号先经过整型-浮点型变换器变换成32位浮点型数，再经过PID调节器进行相应运算，得到控制信号。控制信号再经过浮点型-整形变换器变换成16位整型，16位数最终送往D/A转换器将数字控制信号转换成模拟信号，作为系统最终输出的控制信号；

f、控制系统达到稳定状态后，系统自动将控制信号和反馈信号实时显示在液晶屏上，并存储在存储卡中，为后期地震信号处理提供依据；

g、地震施工完成后，通过图5中USB接口将地震施工中存储的信号，包括背景噪声信号，传感器采集的加速度信号等回传到计算机中。

Claims (6)

1.一种电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统，其特征在于，是由信号采集模块经控制器模块和嵌入式信号处理模块与人机交互模块连接，信号采集模块经嵌入式信号处理模块和直接数字频率合成器与控制器模块连接，嵌入式信号处理模块与通信接口模块连接构成。

2.按照权利要求1所述的电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统，其特征在于，信号采集模块是由第一信号采集通道和第二信号采集通道分别经加权合成器(6)与卡尔曼滤波器(7)连接，调节器输出与卡尔曼滤波器(7)连接，其中第一信号采集通道由加速度传感器(1)经可编程增益放大器(2)和低通滤波(3)与A/D转换器(4)连接构成，第二信号采集通道与第一信号采集通道同构。

3.按照权利要求1所述的电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统，其特征在于，直接数字频率合成器是由频率控制字寄存器(8)经累加器(12)与加法器(13)连接，相位控制字寄存器(9)经加法器(13)与乘法器(14)连接，幅度控制字寄存器(10)经乘法器(14)与波形存储器(15)连接，波形选择寄存器(11)与波形存储器(15)连接构成。

4.按照权利要求1所述的电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统，其特征在于，控制器模块是由前馈补偿器(16)经减法器(17)、比例-积分-微分(PID)调节器(18)和A/D转换器(19)与可控震源(20)连接，近基板检波器经信号采集模块与减法器(17)连接构成。

5.按照权利要求1所述的电磁驱动式相控震源相位补偿控制系统，其特征在于，嵌入式信号处理模块是由嵌入式处理器(21)通过总线连接FLASH程序存储器(22)、USB接口(25)、动态随机存储器(23)、人机交互接口(26)、485通讯接口(24)和SD存储卡(27)构成。

6.一种电磁驱动式相控震源相位补偿系统的补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在用相控震源做地震勘探数据采集时，首先要对各台震源的工作状态做自检，传感器采集系统背景噪声并存储在存储卡中，工作前做一次试振，将震源两路加速度信号分别存储在存储卡对应文件中，并将两路传感器信号加权合成为一路原始震动信号，将震源的工作状态显示在液晶屏上的状态窗口中，并将合成的原始震动信号和直接数字频率合成器生成的控制信号对比显示在液晶屏的信号窗口中；

b、分别设置各台震源的站号及主控站，在主控站设置扫描时间，扫描频率范围，相位差，按确认键发送扫描参数，从机接收主控站发送的扫描参数，并发回应答信号，同时各震源站分别将各自的扫描参数存储于FLASH程序存储器中，主机接收应答信号后，屏幕上显示通讯成功信息，此时各震源站准备进入扫描状态；

c、按扫描键各震源进入工作状态，处理器同时启动直接数字频率合成器模块，信号采集模块，控制器模块和嵌入式信号处理模块，18位A/D将加速度传感器采集回来的信号转换成18位数字信号并送至信号合成器，信号合成器将两路加权合成最终的震动信号，然后送至卡尔曼滤波器；

d、除补偿器以外的闭环系统通过扫频测试，建立系统的幅频和相频特性，闭环系统进行拟合得到闭环控制系统函数，通过零相差原理设计零相差控制器，并建立零相差前馈控制器；

e、输入信号经过零相差前馈控制器后，补偿了闭环系统的不稳定零点，将原来的非最小相位系统校正成为最小相位系统，误差信号先经过整型-浮点型变换器变换成32位浮点型数，再经过比例-积分-微分(PID)调节器进行相应运算，得到控制信号，控制信号再经过浮点型-整形变换器变换成16位整型，16位数最终送往D/A转换器将数字控制信号转换成模拟信号，作为系统最终输出的控制信号；

f、控制系统达到稳定状态后，系统自动将控制信号和反馈信号实时显示在液晶屏上，并存储在存储卡中，为后期地震信号处理提供依据；

g、地震施工完成后，通过USB接口将地震施工中存储的信号，包括背景噪声信号，传感器采集的加速度信号等回传到计算机中。

Images