[发明专利]可控震源锁相控制系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种地震勘探控制系统，尤其是采用扫频激发信号的各类可控震源的锁相控制。

背景技术：

广泛应用于工程地震勘探领域的可控震源是一种非炸药震源，它能够产生波形可控的激发信号，并利用脉冲压缩技术将该小能量、长时间激发波能量集中，从而实现瞬时的大能量激发地震波。但是，在实际地震勘探中，可控震源系统的非线性以及可控震源基板与大地耦合的非线性，通常会引起可控震源的相位畸变，导致地震勘探信噪比降低。可控震源的相位畸变是指可控震源发射的地震波与扫频信号相比，其相位随频率非线性变化。可控震源在野外施工过程中，通常会遇到复杂多变的地面条件，现有闭环控制方式对环境适应性较差，无法完全解决可控震源的相位畸变问题。Laing（History and early development of the vibroseis system of seismic exploration.In:Vibroseis(ed.R.L.Geyer),P749–765.SEG）使用锁相环控制将震源基板加速度信号相位锁定至标准信号源信号相位，但该方法采用零点检测比较反馈信号与控制信号的相位差，传感器噪声和电磁干扰容易引起检测时间偏移和零点跳变。Sercel公司在其研制的数字电控箱中引入卡尔曼自适应滤波器以去除反馈信号中的随机干扰，但卡尔曼自适应滤波器是建立在复杂模型基础上的递归估计器，因此该方法对系统模型依赖性较强，无法完全适应复杂多变的地质条件。锁相环利用反馈机制实现输出信号对输入信号相位跟踪，应用于具有复杂信号特征的可控震源系统中仍存在很多未解决的难题。其一，用于锁相控制的可控震源反馈信号中含有各种成分噪声，即要从其中提取高质量的相位信号，又要解决锁相环中鉴相器对噪声的敏感性问题，必须设计比普通锁相环更加复杂可靠的信号处理装置。其二，可控震源信号源为变频扫描信号源，其对锁相环的相位转换速度有较高要求，因此必须设计相位转换速度更高的频率源作为锁相环的输入频率发生装置。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种适用于对信号相位精度要求较高，采用变频扫描激发信号的可控震源的锁相控制系统。

在该可控震源的锁相控制系统中，包含一种在可编程逻辑门阵列（FPGA）中实现的K-L分解滤波器，以实现可控震源反馈信号的精确相位提取，和一种在可编程逻辑门阵列中实现的直接频率合成器（DDS），使其与现有数字锁相环（PLL）相结合，以实现传统锁相环控制器不能达到的相位转换速度要求。

本发明的实现方式如下：

可控震源锁相控制系统，是由主控单元①分别连接锁相控制单元②和信号采集与输出单元③，信号采集与输出单元③连接可控震源模块④构成；

所述的主控单元①是由DSP1分别连接键盘模块2和液晶显示模块3构成；

所述的锁相控制单元②是由标准信号源4经相位转换器5、锁相控制器6和误差求取模块7与PID调节器8连接，误差求取模块7经K-L分解滤波器12与模数转换器13连接，锁相控制器6经相位转换器Ⅱ与K-L分解滤波器12连接构成；

所述的信号采集与输出单元③是由数模转换器9经低通滤波器11与信号调理电路14连接构成；

所述的可控震源模块④是由加速度传感器15经可控震源16与功率放大器17连接构成；

上述各单元之间是由DSP1分别连接标准信号源4、锁相控制器6、PID调节器8和数模转换器9，PID调节器8与数模转换器9连接，信号调理电路14与模数转换器13连接，低通滤波器11与功率放大器17连接，加速度传感器15与信号调理电路14连接构成。

有益效果：本发明主控单元（①）通过串口通讯协议，设定锁相控制单元（②）和信号采集与输出单元（③）的工作参数和工作状态，从而实现对可控震源模块（④）的闭环相位控制功能。其主要优势包括：