CN107272052B - 闭环数字加速度检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种闭环数字加速度检波器。技术方案是：包括动圈式检波器、前置放大器和四阶积分器、反馈系统、数字降频滤波，动圈式检波器包括检波器传递函数和动圈传递函数，检波器传递函数是把振动的加速度信号变为速度信号；动圈传递函数是把速度信号转换成电信号；前置放大器是把输入电信号调整到合适的大小来保证信噪比；四阶积分器的输出是一个一位数字信号，作为反馈系统的控制开关同时也是数字滤波器的输入信号；反馈系统的输入是一位数据流，输出是加速度反馈输出；降频数字滤波器包括多级滤波，经过多级滤波处理后，输出的低频端可以到0.1nHz，而且在10nHz以上为零相位。有益效果是：本发明性能指标高，价格较低，工作稳定可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种地震检波器，特别涉及一种闭环数字加速度检波器，主要用于石油、天然气、煤炭已经其它矿物质的勘探设备。
背景技术
传统动圈式检波器已经在地震勘探数据采集中应用几十年了，然而，它在共振频率以下每倍频程有12dB的衰减。如图1中a曲线所示，以最为普遍应用的10Hz检波器为例，当频率降到1Hz时，已经有40dB的衰减；相位从35度变化到160度，存在严重的非线性。另外它有比较高的谐波失真（0.1%）。
为了克服以上的缺点，人们研发出了MEMS数字检波器。MEMS检波器有比较好的性能，比如通频带可以做到DC到375Hz；比较小的谐波失真（-90dB）。然而，MEMS数字检波器价格昂贵，不能与第三方数据采集系统兼容以及易于损坏的缺点成为它不能被广泛应用不可跨越的障碍。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，为地震勘探提供一种性能指标高，价格较低，工作稳定可靠的闭环数字加速度检波器。
本发明提到的一种闭环数字加速度检波器，其技术方案是：包括40Hz动圈式检波器、前置放大器和四阶积分器、反馈系统、数字降频滤波，其中，40Hz动圈式检波器包括检波器传递函数和动圈传递函数，检波器传递函数是把振动的加速度信号变为速度信号，是一个一阶积分器；动圈传递函数是把速度信号转换成电信号；
前置放大器是把输入电信号调整到合适的大小来保证信噪比；
四阶积分器的输出是一个一位数字信号，作为反馈系统的控制开关同时也是数字滤波器的输入信号；
反馈系统的输入是一位数据流，输出是加速度反馈输出；
降频数字滤波器包括多级滤波，经过多级滤波处理后，输出的低频端可以到0.1nHz， 而且在10nHz以上为零相位。
优选的，上述的降频数字滤波器包括三级：第一级为CIC滤波器（CICDecimation）， 第二级(TI_filter_a)，第三级(TI_filter_b)和第四级FIR滤波器。
优选的，上述的第四级滤波器包括两种：线性相位输出(TI_filter_c 和TI_filter_e)和最小相位输出（TI_filter_d和TI_filter_f）。
优选的，上述的反馈系统包括周期控制器（period controller）, 电压控制器（voltage controller）,线圈等效电路（subsystem）, 和反馈加速度输出单元，反馈系统是一个分时控制系统，从而实现对检波器线圈电压、电流的平衡控制，在感知时间内，反馈回路不会对感知电压造成影响。
优选的，上述的周期控制器的传递函数的输入为一位数据流（bitstream）和一个计数器（Counter Limited），传递函数的输出是三个状态控制信号，计数器的输出为0到63反复循环，前10个状态【0到9】为复位状态， 接下来的28个状态【10到37】为电感充电状态，剩下的26个状态【38到63】为电感放电状态。
优选的，上述的电感线圈的电压控制器有四个输入，分别是复位状态(P_rz=1)，前半个周期（P_firsthalf=1）（电感充电周期），后半个周期（P_secondhalf=1）（电感放电周期），和充放电电压（Vf）；在复位时间段，线圈两端同时接地，在前半个周期， 线圈的两端分别接+Vf和-Vf, 这时线圈内的电流逐渐增大，在后半个周期，线圈两端的电压反向，这时线圈内的电流逐渐减小。
优选的，上述的线圈等效电路包括等效直流电阻R1、等效直流电阻R2，等效电感L1、等效电感L2，线圈各匝之间的分布电容C1，分布电容C2。
优选的，上述的加速度反馈单元的输入为流过检波器线圈的电流，输出为质量块的加速度。
优选的，检波器输出的通频带宽主要取决于系统噪声的要求，在幅值域从0.1nHz一直平坦到64kHz，相位域从10nHz起为0相位。
优选的，线圈位移和谐波失真仿真的整体谐波失真小至-160dB，五阶Delta Sigma的第二节点频率在1200Hz，在1500Hz时，噪声小于-170dBng/rtHz。
本发明的有益效果是：本发明基于五阶Delta Sigma 模数转换模型和传统动圈检波器的闭环数字检波器；其中动圈检波器为五阶Delta Sigma模型中的一阶；反馈回路是一个分时系统，在一个反馈周期内反馈电压反向。本发明闭环数字检波器具有很高的各项指标且成本大大下降，通频带宽主要取决于系统噪声的要求，在幅值域从0.1nHz一直平坦到64kHz，相位域从10nHz起为0相位；线圈位移和谐波失真仿真的整体谐波失真非常小 （-160dB），五阶Delta Sigma 的第二节点频率在1200Hz，在1500Hz时，它的噪声小于-170dBng/rtHz （10ng/rtHz）；
本发明为地震勘探提供一种性能指标高，价格较低，工作稳定可靠的闭环数字加速度检波器。
附图说明
附图1是现有技术的检波器的曲线图；
附图2是本发明的电路连接示意图；
附图3是动圈（COIL）传递函数是把速度信号转换成电信号的示意图；
附图4是降频数字滤波器的连接示意图；
附图5是降频数字滤波器的频率响应曲线图；
附图6是反馈控制系统的示意图；
附图7是线圈的等效电路图；
附图8是检波器机芯线圈内的电流变化波形图；
附图9是线圈位移结果示意图；
附图10是谐波失真仿真示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本新发明的闭环加速度检波器结构包括：
1.传统40Hz动圈式检波器（GEOPHONE TRANSFER FUNCTION和COIL）
GEOPHONE TRANSFER FUNCTION (检波器传递函数) 是把振动的加速度信号变为速度信号，是一个一阶积分器。它的频率特征曲线如1所示。之所以选择比较高的共振频率是为了提高它的假频，使之在通频带以外。另外可以保证检波器适合野外的恶劣施工环境，保证它的使用寿命。
COIL传递函数是把速度信号转换成电信号
当大地震动时，永久磁铁随大地一起振动。动圈因为弹簧的影响保持欲静止状态，这样线圈和磁铁之间产生相对运动。检波器内的磁力线分布和磁场强度分别如下图所示。线圈和磁铁的相对运动引起线圈切割磁力线，在线圈的两端产生感应电动势。电动势的大小由公式一得出。
（1）
V： 感应电动势、B： 检波器内的磁场强度、L： 线圈导线长度、u： 线圈和磁铁之间的相对运动速度
其中： 被称之为动圈式检波器的灵敏度。灵敏度是业内追求的一个重要指标。从公式（1）可以看出，要提高灵敏度有两种办法：一是提高磁感应强度，二是增加线圈的导线长度。不管怎样，都会改变动圈质量体的质量，从而改变系统的其它参数。所以，要把检波器看成一个系统，一个各项指标互相关联的比较复杂的系统。
2.前置放大器（FRONT END AMPLIFER）和四阶积分器（RMOD）
前置放大器（FRONT END AMPLIFER）的作用是把输入电信号调整到合适的大小来保证信噪比。四阶积分器（ROMOD）的输出是一个一位数字信号，作为反馈系统的控制开关同时也是数字滤波器的输入信号。
其具体参数如下：a1=28; a2=9; a3=.5; a4=.5; a5=1.66667; b0=.3; b1=.030303; k1=3.33334; K2=.1; k3=.01666667; 计算方法参照Delta Sigma Toolbox。
3.反馈系统（FEEDBACK SYSTEM）
反馈系统的输入是一位数据流， 它的输出是加速度反馈输出。
4.数字降频滤波 （DECIMATION DIGITAL FILTER）
参照附图4，降频数字滤波器包括三级：第一级为CIC滤波器（CIC Decimation），第二级(TI_filter_a)，第三级(TI_filter_b)和第四级FIR滤波器。第四级滤波器又包括两种：线性相位输出(TI_filter_c 和TI_filter_e)和最小相位输出（TI_filter_d和TI_filter_f）。具体结构如图4所示，整个系统的频率响应曲线如图5所示，我们可以看出低频端可以到非常低的0.1nHz， 而且在10nHz以上为零相位。
本发明的闭环数字加速度检波器就其整体结构而言是一个基于五阶DELTA SIGMA数学模型的模数转换器。其中一阶是由检波器的物理结构来实现的，其它四阶是用电路来实现的。
本发明的第二方面在于闭环数字加速度检波器的反馈控制系统。它是一个分时控制系统从而实现对检波器线圈电压、电流的平衡控制。在感知时间内，反馈回路不会对感知电压造成影响。
反馈控制系统包括周期控制器（period controller）, 电压控制器 （voltagecontroller）,线圈等效电路（subsystem）, 和反馈加速度输出单元，如图6所示。
周期控制器的传递函数的输入为一位数据流（bitstream）和一个计数器（CounterLimited）。它的输出是三个状态控制信号。计数器的输出为0到63反复循环。前10个状态（0到9）为复位状态， 接下来的28个状态（10到37）为电感充电状态，剩下的26个状态（38到63）为电感放电状态。前后两个状态周期不一样是因为电感的充放电参数不同。
电感线圈的电压控制器有四个输入， 分别是复位状态(P_rz=1)， 前半个周期（P_firsthalf=1）（电感充电周期），后半个周期（P_secondhalf=1）（电感放电周期），和充放电电压（Vf）。在复位时间段，线圈两端同时接地。在前半个周期， 线圈的两端分别接+Vf和-Vf, 这时线圈内的电流逐渐增大。 在后半个周期，线圈两端的电压反向。这时线圈内的电流逐渐减小。线圈的等效电路如图7所示。
R1, R2是线圈的等效直流电阻。L1， L2是线圈的等效电感。C1和C2是线圈各匝之间的分布电容。其值是根据传统检波器的测试获得。R1=R2=375欧姆， L1=L2=17mH。C1=C2=400pf。R3只是为了消除系统的奇异而加入的。我们选择R3=1n欧姆。
检波器机芯线圈内的电流变化波形如图8所示，感知周期要设定在电流为零的时间段。
加速度反馈单元的输入为流过检波器线圈的电流，输出为质量块的加速度。因为洛伦兹力的大小等于检波器的灵敏度乘以流过线圈的电流，加速度等于洛伦兹力除以质量体的质量。所以加速度反馈单元的为一固定增益：灵敏度/线圈的质量。
本发明闭环数字检波器具有很高的各项指标：
通频带宽主要取决于系统噪声的要求，在幅值域从0.1nHz一直平坦到64kHz。相位域从10nHz起为0相位。
线圈位移和谐波失真仿真结果图9和图10所示。因为线圈的最大位移小于10nm,故它的整体谐波失真非常小 （-160dB）。五阶Delta Sigma 的第二节点频率在1200Hz，在1500Hz时，它的噪声小于-170dBng/rtHz （10ng/rtHz）。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种闭环数字加速度检波器，其特征是：包括40Hz动圈式检波器、前置放大器和四阶积分器、反馈系统、数字降频滤波，其中，40Hz动圈式检波器包括检波器传递函数和动圈传递函数，检波器传递函数是把振动的加速度信号变为速度信号，是一个一阶积分器；动圈传递函数是把速度信号转换成电信号；
前置放大器是把输入电信号调整到合适的大小来保证信噪比；
四阶积分器的输出是一个一位数字信号，作为反馈系统的控制开关同时也是数字滤波器的输入信号；
反馈系统的输入是一位数据流，输出是加速度反馈输出；
降频数字滤波器包括多级滤波，经过多级滤波处理后，输出的低频端到0.1nHz，而且在10nHz以上为零相位；
所述的反馈系统包括周期控制器，电压控制器，线圈等效电路和反馈加速度输出单元，反馈系统是一个分时控制系统，从而实现对检波器线圈电压、电流的平衡控制，在感知时间内，反馈回路不会对感知电压造成影响；
动圈检波器为五阶Delta Sigma模型中的一阶，线圈位移和谐波失真仿真的整体谐波失真小至-160dB，五阶Delta Sigma 的第二节点频率在1200Hz，在1500Hz时，噪声小于-170dBng/rtHz。
2.根据权利要求1所述的闭环数字加速度检波器，其特征是：所述的降频数字滤波器包括：第一级为CIC滤波器，第二级TI_filter_a，第三级TI_filter_b和第四级FIR滤波器。
3. 根据权利要求2所述的闭环数字加速度检波器，其特征是：所述的第四级FIR滤波器包括两种：线性相位输出TI_filter_c 和TI_filter_e和最小相位输出TI_filter_d和TI_filter_f。
4.根据权利要求1所述的闭环数字加速度检波器，其特征是：所述的周期控制器的传递函数的输入为一位数据流和一个计数器，传递函数的输出是三个状态控制信号，计数器的输出为0到63反复循环，前10个状态，0到9为复位状态，接下来的28个状态，10到37为电感充电状态，剩下的26个状态，38到63为电感放电状态。
5.根据权利要求1所述的闭环数字加速度检波器，其特征是：所述的线圈等效电路包括等效直流电阻R1、等效直流电阻R2，等效电感L1、等效电感L2，线圈各匝之间的分布电容C1，分布电容C2。
6.根据权利要求1所述的闭环数字加速度检波器，其特征是：所述的加速度反馈单元的输入为流过检波器线圈的电流，输出为质量块的加速度。
7.根据权利要求1所述的闭环数字加速度检波器，其特征是：检波器输出的通频带宽主要取决于系统噪声的要求，在幅值域从0.1nHz一直平坦到64kHz，相位域从10nHz起为0相位。
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