基于多信号发生器协同可控震源振动畸变抑制系统及方法

技术领域

本发明属于地震勘探领域，特别涉及一种基于多信号发生器协同可控震

源振动畸变抑制系统及方法。

背景技术

可控震源是一种广泛应用于陆地油气勘探等领域的主动源，也是勘探振动信号的产生装置。可控震源的基本理论是：利用液压、电磁等驱动方式，激发向大地辐射低能量密度的连续正弦振动信号；连续正弦振动信号在不同地层分界面形成反射或折射振动信号；反射或折射振动信号被铺设在大地表面的高灵敏度检波器拾取，形成记录信号。通过检波器记录信号与震源激发信号互相关等处理，推断地下介质信息。

由于机械、电气、液压等结构非线性，可控震源激发正弦振动信号存在一定的畸变现象。可控震源源端畸变信号经过大地系统传导至检波器端，致使记录信号中混入畸变干扰信号，进而在记录信号与激发信号互相关处理时引入相关噪声，降低勘探信噪比与分辨率。因此，提高可控震源激发正弦振动信号的波形质量具有重要意义。一方面，可以通过改进震源自身机械、液压、电气等自身结构特性，使其系统响应更为平稳，在一定程度上抑制激发振动信号畸变。如针对液压震源中的伺服阀结构与振动平板结构的改进，改善了可控震源在低频段的畸变情况。另一方面，通过构建鲁棒性好的控制系统与畸变抑制算法实现系统自动调节，可有效抑制振动信号波形畸变。从早期的震源相位控制器，基于地面力的自适应控制系统发展到目前基于多传感器类型的数字可控震源控制系统，有效改善了可控震源的波形质量。基于多传感器类型的数字可控震源控制系统内部通过构建可控震源数学模型，并融合了卡尔曼滤波与最优控制技术，是当前震源控制系统的主流。虽然上述控制系统与控制算法在一定程度上改善了可控震源激发振动信号质量，但仍局限于单一信号发生器激发控制思想。而由于单一信号发生器只能激发某一正弦信号，改善效果有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于多信号发生器协同可控震源振动畸变抑制系统及方法，提高可控震源在地震勘探中的信噪比与分辨率。

本发明是这样实现的，

一种基于多信号发生器协同可控震源振动畸变抑制系统，该系统包括：上位机与下位机，

下位机以32位单片机作为主控单元，主控单元包括通信协议解析模块，信号频率、幅值、相位等命令控制字转换模块，计算信号发生器控制参数模块，通过总线复用与片选方式挂载N+1个信号发生器,信号发生器包括1个基频信号发生器以及N个辅助信号发生器，信号发生器模块输出端连接功率放大器模块，功率放大器模块直接连接可控震源激振器；在激振器顶端放置位移传感器模块和速度传感器模块；

上位机以PC机为核心，通过DAQ方式与NI采集卡相连，NI采集卡通过差分方式连接位移传感器模块和速度传感器模块；NI采集卡实时采集放置于可控震源激振器顶端的位移传感器模块和速度传感器模块的反馈信号，并通过DAQ形式将采集数据传递至上位机；

所述上位机将采集到的反馈信号进行处理，求取反馈信号基频分量、各谐波分量、计算信噪比与总谐波总谐波畸变率，根据可控震源数学模型与各谐波分量反向求解相应辅助信号发生器参数信息；上位机重新配置信号发生器参数信息，此处信号发生器包括基频信号发生器与起到辅助各谐波分量抑制作用的信号发生器；所述上位机传递命令至下位机，实现多信号发生器协同工作。

进一步地，所述PC机包括反馈信号信噪比与总谐波畸变率计算模块、震源系统模型求解与参数变数模块、多次谐波幅值提取与输入参数反向求解模块、串口通信及通信协议模块以及输入模块，所述震源系统模型求解与参数变数模块利用遗忘最小二乘方法求取可控震源数学模型及其参数；所述反馈信号信噪比与总谐波畸变率计算模块求取反馈信号基频分量、各谐波分量、计算信噪比与总谐波总谐波畸变率；所述多次谐波幅值提取与输入参数反向求解模块根据可控震源数学模型与各谐波分量反向求解相应辅助信号发生器的参数信息，所述输入模块将辅助信号发生器的参数信息通过串口通信及通信协议模块输入至下位机。

进一步地，所求取的参数信息中，相位信息进行反相处理。

进一步地，所述输入模块重新配置信号发生器的参数信息，其中基频信号发生器配置不变，辅助信号发生器配置信息为所求解的各谐波分量对应的信号发生器参数信息，并反转参数信息中的相位信息。

进一步地，所述反馈信号信噪比与总谐波畸变率计算模块判断反馈信号总谐波总谐波畸变率是否小于设定阈值，是，则可控震源预振动工作停止，否则，下位机按照上位机的命令控制基频信号发生器和辅助信号发生器按照参考信息可控震源预振动，其中辅助信号发生器参数信息为经多次迭代后存储的反向求解各谐波分量所对应的信号发生器参数信息。

一种基于多信号发生器协同可控震源振动畸变抑制方法，该方法包括：

a)系统初始化，初始化过程包括上位机和下位机两部分，其中上位机初始化工作包括：串口信息配置、与下位机主控单元通信测试、DAQ信息配置、以及NI采集卡采样测试；

b)可控震源预振动工作，上位机完成基频信号发生器工作参数配置，包括输出信号频带范围、幅值、相位、扫描信号类型、扫描信号持续时间，发出预振动命令传递至下位机，下位机的主控单元接收上位机数据，提取命令控制字，并配置基频信号发生器参数信息，驱动可控震源激振器工作；

c)NI采集卡实时采集放置于可控震源激振器顶端的位移传感器和速度传感器反馈信号，并通过DAQ形式将采集数据传递至上位机；

d)上位机将采集到的反馈信号进行处理，包括利用遗忘最小二乘方法求取可控震源数学模型及其参数，求取反馈信号基频分量、各谐波分量、计算信噪比与总谐波总谐波畸变率，根据可控震源数学模型与各谐波分量反向求解相应辅助信号发生参数信息，存储上述参数信息；

e)在上位机重新配置信号发生器参数信息，此处信号发生器包括基频信号发生器与起到辅助各谐波分量抑制作用的信号发生器；其中基频信号发生器配置不变，辅助信号发生器配置信息为所求解的各谐波分量对应的信号发生器参数信息，并反转其中的相位信息；

f)上位机传递命令至下位机，实现多信号发生器协同工作；

g)同时，NI采集卡再次启动，实现位移传感器模块和速度传感器模块反馈信号的采集，并将数据通过DAQ形式传递至上位机；

h)上位机对反馈信号再次处理：包括更新可控震源数学模型参数信息，求取反馈信号基频分量与各谐波分量，计算信噪比与总谐波总谐波畸变率；

i)利用更新后可控震源数学模型与各谐波分量，反向求解各谐波分量所对应的信号发生器参数信息，并更新存储参数信息；

j)重复e-i步骤，直至反馈信号总谐波总谐波畸变率小于设定阈值；

k)可控震源预振动工作结束，在上位机重新配置基频信号发生器参数配置和辅助信号发生器参数配置，其中辅助信号发生器参数信息为经多次迭代后存储的反向求解各谐波分量所对应的信号发生器参数信息，此处相位信息反转。

进一步地，步骤d)采集到的反馈振动信号中存在畸变，则进行傅里叶变换，提取频域内基频信号分量与谐波分量，根据所建立的可控震源数学模型，将各谐波分量视为输出，求取输入信号参数信息。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明针对单一信号发生器缺陷，通过设置辅助信号发生器与基频信号发生器协同工作，构建包含多次谐波的非正弦信号输入，使可控震源输出高质量正弦振动信号，抑制可控震源非线性引起的波形畸变难题。解决了由于可控震源输出振动信号受机械、液压、电磁等结构非线性影响，难以输出高质量标准正弦信号。本发明适用于激发正弦振动信号的各类可控震源，能够有效抑制可控震源振动信号谐波畸变，提高可控震源在地震勘探中的信噪比与分辨率。

本发明基于多信号发生器协同工作的可控震源振动畸变抑制系统，方法复杂度低，结构较为简单，为实现可控震源畸变抑制系统提供了一种简单高效的可能。将可控震源地震勘探活动分为预振动与实际勘探两部分。其中，预振动部分，经过数次迭代便可实现高质量正弦振动信号输出。为可控震源在地震勘探领域实现高信噪比、高分辨率勘探提供可能。

附图说明

图1是本发明提供的系统整体框图；

图2为谐波抑制方法流程图；

图3可控震源数学模型系统传递函数图，(a)为幅值图，(b)为位相角图；

图4为单频点谐波图，图4a、图4b、图4c、4d分别为经过fft变换后的5Hz，10Hz，20Hz，40Hz信号所对应的频域图；

图5通信协议流程图；

图6为单一信号发生器，与多信号发生器协同工作输出波形对比图，a)为基频2Hz信号；b)为基频加二次谐波时域信号；c)为基频加二、三次谐波时域信号。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用上位机与下位机相结合的控制形式，核心在于基频信号发生器与辅助信号发生器协同，即构建数学模型与多谐波反向求解，求解信息作为辅助信号发生器参数(反转相位信息)抵消基频工作时的震源反馈信号中的多次谐波分量，通过预振动多次迭代方法获取信号发生器组最佳工作参数。上位机以PC机作为核心，通过DAQ方式与NI采集卡通信，获取位于可控震源激振器顶端的位移传感器与加速度传感器反馈信号，根据获取的反馈信号完成可控震源数学模型建立、反馈信号信噪比与总谐波畸变率计算、各谐波成分反向输入求解，并通过串口形式按照通信协议格式传递命令至下位机。下位机以主控单元为核心，挂载多片信号发生器模块，并通过端口复用与片选形式控制多路信号发生器输出，经功率放大系统输出，直接驱动可控震源激振器振动。一种可控震源谐波抑制系统，如图1所示，控制系统由上位机1和下位机2两部分组成。下位机2以32位单片机作为主控单元20，主控单元20包括通信协议解析模块201，信号频率、幅值、相位等命令控制字转换模块202，计算信号发生器控制参数模块203，通过总线复用与片选方式挂载N+1个信号发生器21,信号发生器21分为1个基频信号发生器以及N个辅助信号发生器，信号发生器模块21输出端连接功率放大器模块22，功率放大器模块22直接连接可控震源激振器23。在激振器顶端放置位移传感器模块24和速度传感器模块25。上位机1以PC机10为核心，通过DAQ方式与NI采集卡模块11相连，NI采集卡11通过差分方式连接位移传感器模块24和速度传感器模块25。PC机10核心包括反馈信号信噪比与总谐波畸变率计算模块101，震源系统模型求解与参数变数模块102，多次谐波幅值提取与输入参数反向求解模块103，串口通信及通信协议模块104，可视化显示模块105，输入模块106。

上位机以PC机为核心，通过DAQ方式与NI采集卡相连，NI采集卡通过差分方式连接位移传感器模块和速度传感器模块；NI采集卡实时采集放置于可控震源激振器顶端的位移传感器模块和速度传感器模块的反馈信号，并通过DAQ形式将采集数据传递至上位机；

所述上位机将采集到的反馈信号进行处理，求取反馈信号基频分量、各谐波分量、计算信噪比与总谐波总谐波畸变率，根据可控震源数学模型与各谐波分量反向求解相应辅助信号发生器参数信息；上位机重新配置信号发生器参数信息，此处信号发生器包括基频信号发生器与起到辅助各谐波分量抑制作用的信号发生器；所述上位机传递命令至下位机，实现多信号发生器协同工作。

所述PC机包括反馈信号信噪比与总谐波畸变率计算模块、震源系统模型求解与参数变数模块、多次谐波幅值提取与输入参数反向求解模块、串口通信及通信协议模块以及输入模块，所述震源系统模型求解与参数变数模块利用遗忘最小二乘方法求取可控震源数学模型及其参数；所述反馈信号信噪比与总谐波畸变率计算模块求取反馈信号基频分量、各谐波分量、计算信噪比与总谐波总谐波畸变率；所述多次谐波幅值提取与输入参数反向求解模块根据可控震源数学模型与各谐波分量反向求解相应辅助信号发生器的参数信息，所述输入模块将辅助信号发生器的参数信息通过串口通信及通信协议模块输入至下位机。

所求取的参数信息中，相位信息进行反相处理。

所述输入模块重新配置信号发生器的参数信息，其中基频信号发生器配置不变，辅助信号发生器配置信息为所求解的各谐波分量对应的信号发生器参数信息，并反转参数信息中的相位信息。

所述反馈信号信噪比与总谐波畸变率计算模块判断反馈信号总谐波总谐波畸变率是否小于设定阈值，是，则可控震源预振动工作停止，否则，下位机按照上位机的命令控制基频信号发生器和辅助信号发生器按照参考信息可控震源预振动，其中辅助信号发生器参数信息为经多次迭代后存储的反向求解各谐波分量所对应的信号发生器参数信息。

为有效抑制可控震源输出振动信号畸变难题，采用基于多信号发生器协同工作的可控震源振动畸变抑制系统的方法如图2流程图所示。

a)系统初始化，初始化过程包括两部分上位机和下位机两部分。其中上位机初始化工作包括：串口信息配置，与下位机主控单元通信测试；DAQ信息配置，NI采集卡采样测试。下位机初始化包括：串口、系统时钟等初始化，挂载多路信号发生器，完成各模块自检与故障诊断。

b)可控震源预振动工作，上位机完成基频信号发生器工作参数配置，包括输出信号频带范围、幅值、相位、扫描信号类型、扫描信号持续时间等，发出预振动命令传递至下位机。下位机主控单元接收上位机数据，提取命令控制字，并配置基频信号发生器参数信息，驱动可控震源激振器工作，基频信号发生器产生激励信号，该信号用于驱动可控震源振动工作。由于可控震源的非线性，致使可控震源振动信号存在畸变。畸变中包含二次谐波、三次谐波、…n+1次谐波。而辅助信号发生器的存在目的便是为了消除或抑制上述谐波分量。需要注意的是：基频信号发生器与辅助信号发生器的工作参数均是通过上位机进行输入，经过串口发送至下位机，完成信号发生器参数配置。

c)同时，NI采集卡实时采集放置于可控震源激振器顶端的位移传感器和速度传感器反馈信号，并通过DAQ形式将采集数据传递至上位机。

d)上位机将采集到的反馈信号进行处理，包括利用遗忘最小二乘方法求取可控震源数学模型及其参数，求取反馈信号基频分量、各谐波分量、计算信噪比与总谐波总谐波畸变率，根据可控震源数学模型与各谐波分量反向求解相应辅助信号发生参数信息，存储上述参数信息，辅助信号发生器目的是为了抑制多次谐波分量。抑制方法为：首先建立可控震源理论模型(理论模型传递函数阶数确定，但其中的具体参数值未知)，根据采集到的可控震源振动信号(位移传感器、速度传感器信号)，利用遗忘最小二乘方法，完成可控震源理论模型传递函数阶数修正与参数辨识。经过遗忘最小二乘算法后，可控震源理论模型传递函数阶数、参数确定。采集到的反馈振动信号中存在畸变，此时需要进行傅里叶变换，提取频域内基频信号分量与谐波分量(包括二次谐波直至n次谐波)。根据所建立的可控震源传递函数，将各谐波分量视为输出，求取其输入信号参数信息。(由输出求输入，即反向求解)为了抑制谐波，求取的输入信号参数信息即为辅助信号发生器所需参数信息(频率、幅值、相位)。值得注意的是：辅助信号发生器是为了抑制或消除谐波分量，则所求取的参数信息中，相位信息需要反向，以抑制谐波分量。可控震源数学模型求解以电磁驱动式可控震源数学模型为例：

第一步：可控震源数学模型求解以电磁驱动式可控震源数学模型为例，首先建立可控震源理论模型：(理论模型是基于可控震源电路基本原理、振动运动原理所建立的数学模型，是公式化推导。在可控震源理论模型中，其系统传递函数阶数已知(仍需要修正)，但相应的参数信息需要通过遗忘最小二乘方法完成辨识。)

电磁模型：

运动学模型为：

可控震源系统理论传递函数：

由于mL数值相对可以忽略，其可控震源理论数学模型近似为二阶系统如图3所示。

u:可控震源激振器输入电压；i:可控震源激振器输入电流；L：可控震源激振器内部动圈电感；R：动圈电阻；φ：可控震源激振器内部磁通量；z:激振器垂直振动方向。

F：可控震源输出力；s:拉普拉斯变换算子；k:激振器内部支撑弹簧劲度系数；c:阻尼系数；m：激振器质量；a:激振器振动加速度；B：磁感应强度。l：动圈长度。上述参数中，除了a和u，R、L、m外，其余参数需要辨识。

第二步：上位机获取的位移传感器和加速度传感器的反馈信号，利用遗忘最小二乘算法，辨识可控震源数学模型参数；同时计算反馈信号信噪比与总谐波总谐波畸变率，其中计算基频信号和各谐波成分占比，计算方法：将采集到的反馈信号进行傅里叶变化，得到频率内幅值分布情况，包括基频幅值、相应多次谐波分量幅值，以及其余噪声幅值。速度传感器反馈信号波形如图4所示。图4a到图4d分别为经过fft变换后的5Hz，10Hz，20Hz，40Hz信号所对应的频域图。

第三步：将各谐波分量真实值作为可控震源数学模型输出，反向求解输入参数信息。将反馈信号进行傅里叶变换得到反馈信号谐波分量在频域内的幅值情况。进行傅里叶反变换，得到时间域各谐波分量幅值。将各谐波分量真实值全部替换为时间域各谐波分量幅值。将得到的时间域各谐波分量幅值作为系统传递函数的输出信号，求解系统函数的输入参数信息(由输出求输入，即反向求解)。该输入参数信息(频率、幅值、相位)用于设置辅助信号发生器参数信息。需要注意的是，在设置辅助信号发生器相位信息时，相位需要反转180°，这样才能抑制畸变。如不反转相位，则会加强谐波分量。目前只有基频信号发生器处于工作状态；

e)在上位机输入模块重新配置信号发生器参数信息，此处信号发生器包括基频信号发生器与起到辅助各谐波分量抑制作用的信号发生器。其中基频信号发生器配置不变，辅助信号发生器配置信息为所求解的各谐波分量对应的信号发生器参数信息，并反转其中的相位信息。

f)上位机传递命令至下位机，实现多信号发生器协同工作；

g)同时，NI采集卡再次启动，实现位移和速度传感器模块反馈信号的采集，并将数据通过DAQ形式传递至上位机；

h)上位机对反馈信号再次处理：包括更新可控震源数学模型参数信息，求取反馈信号基频分量与各谐波分量，计算信噪比与总谐波总谐波畸变率。

i)利用更新后可控震源数学模型与各谐波分量(幅值、相位等信息)，反向求解各谐波分量所对应的信号发生器参数信息，并更新存储参数信息。辅助信号发生器1至辅助信号发生器n，对应上述谐波分量。例如，辅助信号发生器1的存在便是为了抑制谐波中的二次谐波分量。而辅助信号发生器1的参数信息，又是经过二次谐波分量作为系统传递函数的输出，求解系统传递函数输入得到的。

j)重复e-i步骤，直至反馈信号总谐波总谐波畸变率小于设定阈值；

步骤e-i，可控震源多信号发生器均工作。

k)可控震源预振动工作结束。在上位机输入模块重新配置基频信号发生器参数配置和辅助信号发生器参数配置。其中辅助信号发生器参数信息为经多次迭代后存储的反向求解各谐波分量所对应的信号发生器参数信息，此处相位信息仍需要反转。

为有效解决上位机与下位机主控单元之间通信的稳定性问题，通信协议工作过程如图5所示，具体步骤如下：

a)上位机完成串口配置与搜索，其中串口配置主要包括波特率、数据位、奇偶校验位、数据停止位等信息；串口搜索，识别下位机串口号，并建立串口连接。

b)上位机尝试与下位机主控单元串口进行第一次握手：上位机发送某一随机字符，转为接收状态。

c)下位机接收到特定字符，将特定字符加1，重新发送至上位机；

d)上位机接收到串口数据，并进行校验。如握手成功，尝试进行第二次握手。仍为发送某一随机字符，转为接收状态；若握手失败，计数加1，并重新发起握手尝试；

e)下位机接收字符加1，并转发送上位机；

f)上位机接收串口数据，并进行校验。若握手成功，则建立串口连接；握手失败，则计数加1，并重新发起握手尝试；

g)统计故障次数，若故障次数N＝3，则认为串口难以建立可靠连接；

h)建立串口连接后，将数据按照协议格式进行包装；

通信协议见表1：头文件+数据；

表1通信协议格式

起始字符、结束符：作为数据包的起始与结束标志；

数据长度：存储数据段长度信息；

数据校验：将数据段内数据进行CRC_32校验，校验结果存储于数据校验位置；

数据段：

信号发生器选择：选择启动指定信号发生器；

扫频方式：单频、线性扫频、非线性扫频；

频率、幅值、相位：正弦信号基本信息；

时间:可控震源激振器振动时间；

a)上位机发送数据至下位机，转为等待接收状态；

b)下位机接收数据，并发送’OK’字符至上位机；

c)上位机校验接收数据。若发送失败，则尝试重新发送；当失败N＝3次时，显示发送失败；

多信号发生器与单一信号发生器相比优势，如图6所示：图6a为基频2Hz信号；图6b为基频加二次谐波时域信号；图6c为基频加二、三次谐波时域信号；单一信号发生器由于只能产生正弦信号，因此控制效果有限，且难以抑制谐波；多信号发生器可以产生输出非正弦信号，进而实现非线性校正。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。