[发明专利]可控震源的广义预测控制系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种可控震源控制系统，特别是涉及一种可控震源的广义预测控制系统。

背景技术：

可控震源能够对地激发小能量的可控震动信号，利用脉冲压缩的方法达到类似炸药震源的大功率地震波激发效果。由于可控震源波形参数可控、安全环保等优势，在地震勘探中已经得到广泛的应用。但是受到可控震源基板与大地耦合不佳、系统非线性等的影响，可控震源开环输出信号存在严重的信号畸变，其不仅表现在各频段激发信号激发信号幅度上的不一致，还表现为激发信号与输入信号相位上不一致。可控震源激发信号的畸变将对地震勘探的精度和分辨率会造成严重影响。国外已经有很多对可控震源进行反馈控制的研究，Laing使用锁相环追踪可控震源基板加速度的相位，但锁相环采用过零检测来获得相位信息，易受高次谐波与环境噪声影响，造成相位的误判。Sercel公司使用高斯二次型最优控制实现对其震源的反馈控制，但仍在一定程度上依赖震源及震源与大地耦合模型。而可控震源地震勘探过程涉及的地表及地下环境复杂多变，模型受环境影响大。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种适于各类复杂地表及地下环境的基于广义预测算法的可控震源控制系统。

本发明的主要思想是：基于广义预测算法的可控震源控制系统，首先设定可控震源的期望输出，然后通过两路采集通道测得可控震源输出信号，根据当前震源输出信号与期望输出信号得到广义预测控制的参考轨迹；接着利用可控震源输出信号与相应的控制量通过系统辨识得到可控震源系统模型参数；最后通过求解丢番图方程，利用可控震源的参考轨迹、系统模型，来获得使预测输出接近期望输出的控制量，该控制量经功率放大驱动可控震源激振器对地输出震动信号。在基于广义预测算法的可控震源控制系统中，包含两路加速度采集通道、一个信号输出通道；以DSP作为主控芯片，控制键盘模块与液晶显示模块，并通过串口通讯、SPI通讯与可编程逻辑门阵列(FPGA)实现快速通讯。在FPGA中编程搭建可控震源模型参数辨识模块、控制量求取模块，以及用于产生目标轨迹的信号发生器。其中，模型参数辨识模块、控制量求取模块中的大量运算则通过SPI通讯，在DSP中实现，提高了运算速度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

可控震源的广义预测控制系统，是由DSP1分别连接液晶显示模块3和键盘模块2，DSP1经模型参数辨识模块5控制量求取模块8连接，DSP1经信号发生器4和参考轨迹设定模块6与控制量求取模块8连接，DSP1经控制量求取模块8、D/A转换器17、低通滤波器C18、信号放大器19B和功率放大器20与激振器21的反应体连接，加速度传感器A15经信号放大器13、低通滤波器11B、A/D转换器A9和加权模块7与模型参数辨识模块5连接，加速度传感器B16经信号放大器A14、低通滤波器A12、A/D转换器B10和加权模块7与模型参数辨识模块5连接构成。

可控震源的广义预测控制系统的控制方法，包括以下步骤：

a、工作前，用户通过键盘2设置可控震源输出波形参数、工作时间、采集电路中A/D采样频率、广义预测控制优化时域Nu和系统辨识模型阶次N控制参数,并通过串口通讯发送给FPGA，液晶显示屏3实时显示可控震源工作的波形参数、波形类型、扫描时间、辨识模型阶次、预测时域、控制时域信息；

b、系统上电后，信号采集模块③和加速度传感器a15和1加速度传感器b6进入工作状态；

c、开始工作时，DSP 1给广义预测控制单元②、信号采集单元③和信号输出单元④中的各模块发送开始工作命令；

d、信号发生器4接收到FPGA发出的工作指令后，按步骤a中设定的参数产生可控震源期望输出波形s；

e、设定初始时刻k＝0，此时加权模块的历史输出[y(k),y(k-1),...,y(k-N)]与控制量的历史记录[u(k),u(k-1),...,u(k-N)]均为0，k为离散时间点；

f、广义预测控制单元②中，加权模块7按照公式y(k)＝m₁*a₁(k)+m₂*a₂(k)，计算得到可控震源输出信号y(k)，其中m₁、m₂分别为基板质量与反应体质量；模型参数辨识模块5利用系统记录的可控震源输出信号：

[y(k),y(k-1),...,y(k-N)]、控制量[u(k),u(k-1),...,u(k-N)]，