CN108777582A - 气枪组合编码控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气枪组合编码控制方法及系统，其设定气枪激发固定延时基准时间；同时设定信号采样频率及采样长度，根据信号采样频率及采样长度获取气枪阵列完整数据；然后根据每一个气枪的机械摩擦延时时间，自气枪阵列完整数据中截取气枪电磁阀开启的固定基准时间范围内的相应气枪阵列有效数据；再根据气枪激发固定延时基准时间，模拟产生标准高斯脉冲信号；利用滑动窗互相关技术将每一个气枪的气枪阵列有效数据分别与标准高斯脉冲信号进行互相关，计算得到气枪阵列中每一个气枪对应的电磁阀开启延时误差；最后根据气枪电磁阀开启延时误差分别对相应气枪的气枪信号进行同步校正，使编码时间更加精确。

Description

气枪组合编码控制方法及系统
技术领域
本发明涉及地震勘探技术领域，具体涉及一种气枪组合编码控制方法及系统。
背景技术
气枪作为一种频率低、能量强、重复性好的绿色环保震源，广泛应用于地震勘探领域。地震预报领域中深部地层介质动态监测与石油高分辨率勘探不同，要求震源具有更高能量和更低频率。为了获得较好的气枪子波特性，提高气枪震源主脉冲的能量输出，有效压制气泡的振动，研究人员依据气泡振动的衰减方式及振动周期、气泡振动模型理论和编码原理提出了气枪阵列编码控制方法。研究表明，由几支小容量气枪阵列组合产生的主脉冲振幅比一支与小容量气枪阵列组合总容量相同大枪产生的主脉冲振幅大。利用气枪阵列震源向地下发送具有独特的编码脉冲序列作为一次等效激发，利用准确记录的编码地震震源函数与远台地震记录之间的互相关进行解码分析地层信息，可以大大提高监测效果。
气枪阵列编码的关键在于气枪能量释放时刻的精准控制。由于气枪震源电控系统和地震记录仪器往往距离较远，需要通过GPS保证两者的时间信息同步，因此要求气枪震源电控系统在GPS的时间节拍进行自动激发。由于每支气枪的机械摩擦、气枪控制器的电器控制精度不同，使得所有的气枪并不能完成保证在统一的基准点时刻激发。国际上对气枪系统的同步误差进行了规定，在常规深部探测时，气枪的同步误差在-1～+1ms，气枪阵列中任何一支气枪的激发误差在此范围之外就认为激发无效。通过精准调整气枪电磁阀开启时间可以保证气枪阵列同步，气枪阵列的编码是在所有气枪激发同步的基础上实现的，气枪同步可以看作是所有气枪编码延时时间为零的情况。如何有效控制气枪编码质量是保证气枪组合激发质量的关键。
目前控制气枪编码质量的方法有两种：一种是提取不同枪压传感器信号的峰-峰时间间隔作为气枪的编码间隔。但是受气枪电磁阀激励谐波或其他环境噪声的影响，常常会在气枪子波主脉冲后有比主波幅度更高的尖脉冲，会导致峰值时间寻找错误。为了避免子波主脉冲后续尖脉冲的影响，有人在此基础上提出添加主脉冲宽度条件的限制。虽然此方法能够解决前面所遇到的问题，但是主脉冲宽度条件的选取该如何界定又是一个新的问题，只能根据经验来设置宽度；另外一种是将每条枪采集到的数据与第一条枪的数据进行互相关，提取每条枪与第一条枪的激发时差，但由于不同种类气枪性能不一样，枪压传感器记录的信号形态有差异，在利用互相关法提取编码时差时分辨率不够。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种能够自动校正气枪阵列的同步，使编码时间更加精确的气枪组合编码控制方法及系统。
本发明提供了一种气枪组合编码控制方法，其包括如下步骤：
S1、设定气枪激发固定延时基准时间；
S2、设定信号采样频率及采样长度，根据信号采样频率及采样长度获取气枪阵列完整数据；
S3、根据每一个气枪的机械摩擦延时时间，自气枪阵列完整数据中截取气枪电磁阀开启的固定基准时间范围内的相应气枪阵列有效数据；
S4、根据气枪激发固定延时基准时间，模拟产生标准高斯脉冲信号；
S5、利用滑动窗互相关技术将每一个气枪的气枪阵列有效数据分别与标准高斯脉冲信号进行互相关，计算得到气枪阵列中每一个气枪对应的电磁阀开启延时误差；
S6、根据气枪电磁阀开启延时误差分别对相应气枪的气枪信号进行同步校正。
本发明还提供一种气枪组合编码控制系统，其包括如下功能模块：
基准时间设定模块，用于设定气枪激发固定延时基准时间；
数据采集模块，用于设定信号采样频率及采样长度，根据信号采样频率及采样长度获取气枪阵列完整数据；
数据提取模块，用于根据每一个气枪的机械摩擦延时时间，自气枪阵列完整数据中截取气枪电磁阀开启的固定基准时间范围内的相应气枪阵列有效数据；
高斯信号产生模块，用于根据气枪激发固定延时基准时间，模拟产生标准高斯脉冲信号；
误差计算模块，用于利用滑动窗互相关技术将每一个气枪的气枪阵列有效数据分别与标准高斯脉冲信号进行互相关，计算得到气枪阵列中每一个气枪对应的电磁阀开启延时误差；
同步校正模块，用于根据气枪电磁阀开启延时误差分别对相应气枪的气枪信号进行同步校正。
本发明所述气枪组合编码控制方法及系统，其通过设定气枪激发固定延时基准时间，有效解决由于气枪机械摩擦时间导致气枪阵列无法同步问题，并利用标准高斯脉冲的互相关算法，从而更为准确、快速的提取气枪采集信号延时时间，且在气枪阵列编码过程中获取的气枪激发的延时误差，自动校正气枪阵列的同步，使得编码时间更加精确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的气枪组合编码控制方法的流程框图；
图2为本发明实施例提供的气枪电磁阀开启时间示意图；
图3为图1中步骤S5的流程框图；
图4为图1中步骤S5的步骤流程图；
图5是调整气枪阵列同步前采集的波形对比图；
图6是调整气枪阵列同步后采集的波形对比图；
图7为本发明实施例提供的气枪组合编码控制系统的模块框图；
图8为本发明实施例提供的误差计算模块的单元框图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路、以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
如图1所示，本发明实施例提供的一种气枪组合编码控制方法，其包括如下步骤：
S1、设定气枪激发固定延时基准时间。
根据气枪的机械摩擦时间、气枪控制器延迟时间和气枪编码时间，决定气枪阵列中气枪电磁阀开启时间Δt+Δtic。如图2所示，由于每条气枪的机械摩擦延时不一样，因此设置的固定延时基准时间需满足：Δt>max(Δt1,Δt2,Δt3,…,ΔtN)，其中Δti为不同气枪的机械摩擦延时时间，Δt-Δti为第i条气枪控制器延迟设定时间，Δtic为不同气枪的编码时间。
S2、设定信号采样频率及采样长度，根据信号采样频率及采样长度获取气枪阵列完整数据。
例如说采样频率Fs＝10000Hz，采样长度N＝1024，固定延时基准时间Δt＝ 50，不同气枪的机械摩擦延时时间Δti＝10，则采样的时间长度为 t＝N/fs*1000＝102.4ms，即采集102.4ms的气枪阵列完整数据。
S3、根据每一个气枪的机械摩擦延时时间，自气枪阵列完整数据中截取气枪电磁阀开启的固定基准时间范围内的相应气枪阵列有效数据。
所述气枪电磁阀开启的固定基准时间范围为Δt±Δti，其中，Δt为气枪激发固定延时基准时间，Δti为不同气枪的机械摩擦延时时间。
S4、根据气枪激发固定延时基准时间，模拟产生标准高斯脉冲信号。
具体的，所述高斯脉冲信号的公式如下：
其中，A表示高斯脉冲峰值；b为高斯脉冲峰值所对应的时间横坐标，即气枪激发固定延时基准时间，σ表示高斯脉冲宽度。
S5、利用滑动窗互相关技术将每一个气枪的气枪阵列有效数据分别与标准高斯脉冲信号进行互相关，计算得到气枪阵列中每一个气枪对应的电磁阀开启延时误差。
其中，如图3和图4所示，所述步骤S5包括以下分步骤：
S51、对高斯脉冲序列Ygs(n)和气枪采集信号序列Y(n)进行2N-1序列的补零延拓，其中N为互相关信号序列的长度,高斯脉冲序列Ygs(n)即为标准高斯脉冲信号，气枪采集信号序列Y(n)即为每一个气枪的气枪阵列有效数据；
S52、对两个延拓后的序列分别进行FFT变换，将变换后高斯脉冲序列中每个共轭数分别与变换后的气枪采集信号序列复数相乘得到新的2N-1长度的序列；
S53、将新的序列依次进行IFFT变换和FFTSHIFT变换，将零频点移动到频谱中间，并寻找序列最大值所对应点Nmax；
S54、利用采样频率Fs计算气枪激发的延时误差；
所述气枪激发的延时误差的公式具体为：
ΔT＝(Nmax-N)/Fs，
当ΔT<0时，说明气枪激发时间比设定的气枪激发固定延时基准时间提前；当ΔT>0时，说明气枪激发时间比设定的气枪激发固定延时基准时间延迟。
S6、根据气枪电磁阀开启延时误差分别对相应气枪的气枪信号进行同步校正。
即根据上述计算得到气枪激发的延时误差ΔT，分别对相应气枪控制器的延迟设定时间Δt-Δti进行同步校正，进而实现对气枪阵列的同步校正，然后根据气枪阵列编码的需求设置每条气枪的激发编码时间，将气枪激发编码时间加上气枪激发固定基准时间即为气枪电磁阀开启时间。
进一步的，还可以重复步骤S2至S6，从而对求得的气枪激发的延时误差ΔT 进行多次校验，不断重复直达激发的延迟误差ΔT符合标准值。
图5和图6提供了一种处理气枪组合阵列编码控制方法的实例，设定气枪激发固定基准时间Δt＝50ms，采样频率Fs＝10KHz(满足气枪控制时间精度 0.1ms)，截取气枪电磁阀开启的固定基准时间50±10ms范围内的数据进行处理，高斯脉冲峰值A的选取参考气枪子波主脉冲的幅值5V，高斯脉冲宽σ设置为气枪控制时间精度0.1ms。图5是气枪阵列编码前即气枪阵列同步调整前采集的波形对比图，通过与相应的高斯脉冲序列(时间坐标b＝50)进行滑动互相关计算气枪电磁阀延时误差ΔT1＝-0.2，ΔT2＝0.3，ΔT3＝0.5，ΔT4＝-0.4，即气枪1、气枪4分别比气枪激发固定基准时间Δt＝50ms提前0.2ms、0.4ms，气枪2、气枪3分别延迟0.3ms、0.5ms；图6是气枪阵列编码后即气枪阵列同步调整后采集的波形对比图，气枪阵列编码时间分别为Δt1c＝0ms，Δt2c＝50ms，Δt3c＝100ms，Δt4c＝150ms，即气枪阵列中气枪电磁阀开启时间别为Δt+ Δt1c＝50ms，Δt+Δt2c＝100ms，Δt+Δt3c＝150ms，Δt+Δt4c＝200ms。采集的波形数据与相应的高斯脉冲序列互相关，计算得到气枪激发延时误差在气枪的时间控制精度0.1ms范围内。
本发明所述气枪组合编码控制方法，其通过设定气枪激发固定延时基准时间，有效解决由于气枪机械摩擦时间导致气枪阵列无法同步问题，并利用标准高斯脉冲的互相关算法，从而更为准确、快速的提取气枪采集信号延时时间，且在气枪阵列编码过程中获取的气枪激发的延时误差，自动校正气枪阵列的同步，使得编码时间更加精确。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
上面主要描述了一种气枪组合编码控制方法，下面将对一种气枪组合编码控制装置进行详细描述。
一种气枪组合编码控制系统，如图7所示，其包括如下功能模块：
基准时间设定模块，用于设定气枪激发固定延时基准时间；
数据采集模块，用于设定信号采样频率及采样长度，根据信号采样频率及采样长度获取气枪阵列完整数据；
数据提取模块，用于根据每一个气枪的机械摩擦延时时间，自气枪阵列完整数据中截取气枪电磁阀开启的固定基准时间范围内的相应气枪阵列有效数据；
高斯信号产生模块，用于根据气枪激发固定延时基准时间，模拟产生标准高斯脉冲信号；
误差计算模块，用于利用滑动窗互相关技术将每一个气枪的气枪阵列有效数据分别与标准高斯脉冲信号进行互相关，计算得到气枪阵列中每一个气枪对应的电磁阀开启延时误差；
同步校正模块，用于根据气枪电磁阀开启延时误差分别对相应气枪的气枪信号进行同步校正。
其中，如图8所示，所述误差计算模块还包括如下功能单元：
补零延拓单元，用于对高斯脉冲序列Ygs(n)和气枪采集信号序列Y(n)进行 2N-1序列的补零延拓，其中N为互相关信号序列的长度,高斯脉冲序列Ygs(n) 即为标准高斯脉冲信号，气枪采集信号序列Y(n)即为每一个气枪的气枪阵列有效数据；
FFT变换单元，用于对两个延拓后的序列分别进行FFT变换，将变换后高斯脉冲序列中每个共轭数分别与变换后的气枪采集信号序列复数相乘得到新的2N-1长度的序列；
最大值获取单元，用于将新的序列依次进行IFFT变换和FFTSHIFT变换，将零频点移动到频谱中间，并寻找序列最大值所对应点Nmax；
延时误差计算单元，用于利用采样频率Fs计算气枪激发的延时误差。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实施例的模块、单元和/或方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，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，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。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种气枪组合编码控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、设定气枪激发固定延时基准时间；
S2、设定信号采样频率及采样长度，根据信号采样频率及采样长度获取气枪阵列完整数据；
S3、根据每一个气枪的机械摩擦延时时间，自气枪阵列完整数据中截取气枪电磁阀开启的固定基准时间范围内的相应气枪阵列有效数据；
S4、根据气枪激发固定延时基准时间，模拟产生标准高斯脉冲信号；
S5、利用滑动窗互相关技术将每一个气枪的气枪阵列有效数据分别与标准高斯脉冲信号进行互相关，计算得到气枪阵列中每一个气枪对应的电磁阀开启延时误差；
S6、根据气枪电磁阀开启延时误差分别对相应气枪的气枪信号进行同步校正。
2.根据权利要求1所述气枪组合编码控制方法，其特征在于，根据气枪阵列编码的需求设置每条气枪的激发编码时间，将气枪激发编码时间加上气枪激发固定基准时间即为气枪电磁阀开启时间。
3.根据权利要求1所述气枪组合编码控制方法，其特征在于，所述气枪激发固定延时基准时间大于气枪阵列中所有气枪的机械摩擦延时时间。
4.根据权利要求1所述气枪组合编码控制方法，其特征在于，所述气枪电磁阀开启的固定基准时间范围为Δt±Δti，其中，Δt为气枪激发固定延时基准时间，Δti为不同气枪的机械摩擦延时时间。
5.根据权利要求1所述气枪组合编码控制方法，其特征在于，所述高斯脉冲信号的公式如下：
其中，A表示高斯脉冲峰值；b为高斯脉冲峰值所对应的时间横坐标，即气枪激发固定的基准时间，σ表示高斯脉冲宽度。
6.根据权利要求1所述气枪组合编码控制方法，其特征在于，所述步骤S5还包括以下分步骤：
S51、对高斯脉冲序列和气枪采集信号序列进行2N-1序列的补零延拓，其中N为互相关信号序列的长度,高斯脉冲序列即为标准高斯脉冲信号，气枪采集信号序列即为每一个气枪的气枪阵列有效数据；
S52、对两个延拓后的序列分别进行FFT变换，将变换后高斯脉冲序列中每个共轭数分别与变换后的气枪采集信号序列复数相乘得到新的2N-1长度的序列；
S53、将新的序列依次进行IFFT变换和FFTSHIFT变换，将零频点移动到频谱中间，并寻找序列最大值所对应点；
S54、利用采样频率计算气枪激发的延时误差。
7.根据权利要求6所述气枪组合编码控制方法，其特征在于，气枪激发的延时误差的公式具体为：
ΔT＝(Nmax-N)/Fs
其中，Nmax为序列最大值所对应点，Fs为采样频率，N为互相关信号序列的长度。
8.根据权利要求6所述气枪组合编码控制方法，其特征在于，当气枪激发的延时误差小于零时，说明气枪激发时间比设定的气枪激发固定延时基准时间提前；当气枪激发的延时误差大于零时，说明气枪激发时间比设定的气枪激发固定延时基准时间延迟。
9.一种气枪组合编码控制系统，其特征在于，包括如下功能模块：
基准时间设定模块，用于设定气枪激发固定延时基准时间；
数据采集模块，用于设定信号采样频率及采样长度，根据信号采样频率及采样长度获取气枪阵列完整数据；
数据提取模块，用于根据每一个气枪的机械摩擦延时时间，自气枪阵列完整数据中截取气枪电磁阀开启的固定基准时间范围内的相应气枪阵列有效数据；
高斯信号产生模块，用于根据气枪激发固定延时基准时间，模拟产生标准高斯脉冲信号；
误差计算模块，用于利用滑动窗互相关技术将每一个气枪的气枪阵列有效数据分别与标准高斯脉冲信号进行互相关，计算得到气枪阵列中每一个气枪对应的电磁阀开启延时误差；
同步校正模块，用于根据气枪电磁阀开启延时误差分别对相应气枪的气枪信号进行同步校正。
10.根据权利要求1所述气枪组合编码控制系统，其特征在于，其中，所述误差计算模块还包括如下功能单元：
补零延拓单元，用于对高斯脉冲序列和气枪采集信号序列进行2N-1序列的补零延拓，其中N为互相关信号序列的长度,高斯脉冲序列即为标准高斯脉冲信号，气枪采集信号序列即为每一个气枪的气枪阵列有效数据；
FFT变换单元，用于对两个延拓后的序列分别进行FFT变换，将变换后高斯脉冲序列中每个共轭数分别与变换后的气枪采集信号序列复数相乘得到新的2N-1长度的序列；
最大值获取单元，用于将新的序列依次进行IFFT变换和FFTSHIFT变换，将零频点移动到频谱中间，并寻找序列最大值所对应点；
延时误差计算单元，用于利用采样频率计算气枪激发的延时误差。
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