可控震源的廣義預(yù)測控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種可控震源控制系統(tǒng)，特別是涉及一種可控震源的廣義預(yù)測控制系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 可控震源能夠?qū)Φ丶ぐl(fā)小能量的可控震動(dòng)信號，利用脈沖壓縮的方法達(dá)到類似炸 藥震源的大功率地震波激發(fā)效果。由于可控震源波形參數(shù)可控、安全環(huán)保等優(yōu)勢，在地震勘 探中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但是受到可控震源基板與大地耦合不佳、系統(tǒng)非線性等的影響， 可控震源開環(huán)輸出信號存在嚴(yán)重的信號畸變，其不僅表現(xiàn)在各頻段激發(fā)信號激發(fā)信號幅度 上的不一致，還表現(xiàn)為激發(fā)信號與輸入信號相位上不一致?？煽卣鹪醇ぐl(fā)信號的畸變將對 地震勘探的精度和分辨率會造成嚴(yán)重影響。國外已經(jīng)有很多對可控震源進(jìn)行反饋控制的研 宄，Laing使用鎖相環(huán)追蹤可控震源基板加速度的相位，但鎖相環(huán)采用過零檢測來獲得相位 信息，易受高次諧波與環(huán)境噪聲影響，造成相位的誤判。Sercel公司使用高斯二次型最優(yōu)控 制實(shí)現(xiàn)對其震源的反饋控制，但仍在一定程度上依賴震源及震源與大地耦合模型。而可控 震源地震勘探過程涉及的地表及地下環(huán)境復(fù)雜多變，模型受環(huán)境影響大。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適于各類復(fù)雜地表及地 下環(huán)境的基于廣義預(yù)測算法的可控震源控制系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明的主要思想是：基于廣義預(yù)測算法的可控震源控制系統(tǒng)，首先設(shè)定可控震 源的期望輸出，然后通過兩路采集通道測得可控震源輸出信號，根據(jù)當(dāng)前震源輸出信號與 期望輸出信號得到廣義預(yù)測控制的參考軌跡；接著利用可控震源輸出信號與相應(yīng)的控制量 通過系統(tǒng)辨識得到可控震源系統(tǒng)模型參數(shù)；最后通過求解丟番圖方程，利用可控震源的參 考軌跡、系統(tǒng)模型，來獲得使預(yù)測輸出接近期望輸出的控制量，該控制量經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)可 控震源激振器對地輸出震動(dòng)信號。在基于廣義預(yù)測算法的可控震源控制系統(tǒng)中，包含兩路 加速度采集通道、一個(gè)信號輸出通道；以DSP作為主控芯片，控制鍵盤模塊與液晶顯示模 塊，并通過串口通訊、SPI通訊與可編程邏輯門陣列（FPGA)實(shí)現(xiàn)快速通訊。在FPGA中編程 搭建可控震源模型參數(shù)辨識模塊、控制量求取模塊，以及用于產(chǎn)生目標(biāo)軌跡的信號發(fā)生器。 其中，模型參數(shù)辨識模塊、控制量求取模塊中的大量運(yùn)算則通過SPI通訊，在DSP中實(shí)現(xiàn)，提 高了運(yùn)算速度。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 可控震源的廣義預(yù)測控制系統(tǒng)，是由DSP1分別連接液晶顯示模塊3和鍵盤模塊2， DSP1經(jīng)模型參數(shù)辨識模塊5控制量求取模塊8連接，DSP1經(jīng)信號發(fā)生器4和參考軌跡設(shè) 定模塊6與控制量求取模塊8連接，DSP1經(jīng)控制量求取模塊8、D/A轉(zhuǎn)換器17、低通濾波器 C18、信號放大器19B和功率放大器20與激振器21的反應(yīng)體連接，加速度傳感器A15經(jīng)信 號放大器13、低通濾波器11B、A/D轉(zhuǎn)換器A9和加權(quán)模塊7與模型參數(shù)辨識模塊5連接，加 速度傳感器B16經(jīng)信號放大器A14、低通濾波器A12、A/D轉(zhuǎn)換器B10和加權(quán)模塊7與模型 參數(shù)辨識模塊5連接構(gòu)成。
[0007] 可控震源的廣義預(yù)測控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0008]a、工作前，用戶通過鍵盤2設(shè)置可控震源輸出波形參數(shù)、工作時(shí)間、采集電路中A/ D采樣頻率、廣義預(yù)測控制優(yōu)化時(shí)域Nu和系統(tǒng)辨識模型階次N控制參數(shù)，并通過串口通訊 發(fā)送給FPGA，液晶顯示屏3實(shí)時(shí)顯示可控震源工作的波形參數(shù)、波形類型、掃描時(shí)間、辨識 模型階次、預(yù)測時(shí)域、控制時(shí)域信息；
[0009] b、系統(tǒng)上電后，信號采集模塊③和加速度傳感器al5和1加速度傳感器b6進(jìn)入工 作狀態(tài)；
[0010] C、開始工作時(shí)，DSP1給廣義預(yù)測控制單元②、信號采集單元③和信號輸出單元④ 中的各模塊發(fā)送開始工作命令；
[0011] d、信號發(fā)生器4接收到FPGA發(fā)出的工作指令后，按步驟a中設(shè)定的參數(shù)產(chǎn)生可控 震源期望輸出波形s;
[0012] e、設(shè)定初始時(shí)刻k= 0,此時(shí)加權(quán)模塊的歷史輸出[y(k),y(k-l), . . .，y(k-N)]與 控制量的歷史記錄[u(k),u(k-l),. . .，u(k-N)]均為0,k為離散時(shí)間點(diǎn)；
[0013] f、廣義預(yù)測控制單元②中，加權(quán)模塊7按照公式y(tǒng)(k) =n^aiGO+n^aJk)，計(jì)算 得到可控震源輸出信號y(k)，其中分別為基板質(zhì)量與反應(yīng)體質(zhì)量；模型參數(shù)辨識模塊 5利用系統(tǒng)記錄的可控震源輸出信號：
[0014] [y(k)，y(k-l)，? ? ?，y(k-N)]、控制量[u(k)，u(k-l)，? ? ?，u(k-N)]，
[0015] 通過系統(tǒng)辨識，輸出辨識得到可控震源系統(tǒng)模型參數(shù)a、b;參考軌跡設(shè)定模塊6通 過加權(quán)模塊7得到的y(k)與信號發(fā)生器模塊4產(chǎn)生的可控震源的期望輸出s得出可控震 源廣義預(yù)測控制系統(tǒng)的參考軌跡w;控制量求取模塊8由震源模型的參數(shù)a、b與參考軌跡 w，通過丟番圖方程，獲得可控震源將來時(shí)刻預(yù)測激發(fā)信號[.形+ 1),…,.砂 +MO]接近于參 考軌跡[w(k+1),. . . ,w(k+Nu)]時(shí)，控制量[u(k+1),. . . ,u(k+Nu)]的值；
[0016] g、D/A轉(zhuǎn)換器17將控制量[u(k+1)，. ..，u(k+Nu)]，按照設(shè)定的轉(zhuǎn)換速率，依次轉(zhuǎn) 換模擬信號，在經(jīng)過低通濾波器18濾波，運(yùn)算放大器19放大后，通過功率放大器20驅(qū)動(dòng)可 控震源激振器21對地激發(fā)振動(dòng)信號。同時(shí)，信號采集模塊③將加速度傳感器檢測到的可控 震源基板加速度與反應(yīng)體加速度，經(jīng)過放大、濾波后，通過A/D轉(zhuǎn)換器10和A/D轉(zhuǎn)換器9轉(zhuǎn) 換為數(shù)字形式(k)、a2 (k)，送入FPGA，通過加權(quán)和運(yùn)算求得可控震源激發(fā)信號y(k);
[0017] h、重復(fù)e?g過程，實(shí)現(xiàn)對可控震源廣義預(yù)測控制。
[0018]有益效果：本發(fā)明采用DSP作為主控芯片；使用FPGA作為下位機(jī)，控制信號采集 單元與信號輸出單元工作，通過編程方式集成了用于廣義預(yù)測控制的加權(quán)模塊、信號發(fā)生 器、模型參數(shù)辨識模塊、控制量求取模塊；廣義預(yù)測控制中的大量數(shù)據(jù)運(yùn)算又通過DSP完 成。系統(tǒng)包含兩路信號采集電路，一路信號輸出電路。其主要優(yōu)勢包括：采用廣義預(yù)測控制 方式實(shí)現(xiàn)對可控震源的閉環(huán)控制不需分別對震源輸出信號的幅度和相位進(jìn)行控制；不依賴 固定的震源模型。此外，系統(tǒng)采用可編程邏輯陣列（FPGA)實(shí)現(xiàn)，電路體積小，集成度高，降 噪能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快。可控震源地震勘探要求在不同震源點(diǎn)震源激發(fā)的地震波信號與震 源控制信號一致，而實(shí)際的可控震源激發(fā)信號受震源控制信號、震動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基板與大地 耦合等因素制約。由于震動(dòng)系統(tǒng)存在非線性，基板與大地耦合系統(tǒng)隨施工區(qū)域地表環(huán)境及 地下構(gòu)造而變化。在此條件下，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)難以取得好的控制精度。而基于廣義預(yù)測 算法的可控震源控制系統(tǒng)，特別適于復(fù)雜施工條件下的可控震源控制，同時(shí)，能夠降低震源 系統(tǒng)由于長期使用老化等因素引起的系統(tǒng)輸出信號畸變，提高可控震源控制的精度與系統(tǒng) 的魯棒性。
[0019] 不需分別對震源輸出信號的幅度和相位進(jìn)行控制，而是將信號采集模塊③采集到 的可控震源激振器基板與反應(yīng)體加速度數(shù)據(jù)通過加權(quán)得到可控震源輸出信號，利用可控震 源輸出信號、可控震源通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出的控制量實(shí)時(shí)辨識得到震源模型，以設(shè)定的可 控震源的期望輸出信號與實(shí)際輸出信號為基礎(chǔ)給出參考軌跡，利用震源模型、可控震源輸 出信號與參考軌跡對可控震源進(jìn)行控制。
【附圖說明】：
[0020] 圖1可控震源的廣義預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0021] 圖2控制量求取模塊輸出的控制量。
[0022] 圖3可控震源期望信號與廣義預(yù)測控制后輸出信號。
[0023] ①主控單元，②廣義預(yù)測控制單元，③信號采集模塊，④信號輸出模塊，⑤可控震 源單元。
[0024] 1DSP，2鍵盤模塊，3液晶顯示模塊，4信號發(fā)生器，5模型參數(shù)辨識模塊，6參考軌跡 設(shè)定模塊，7加權(quán)模塊，8控制量求取模塊，9A/D轉(zhuǎn)換器A，10A/D轉(zhuǎn)換器B，11低通濾波器A， 12低通濾波器B，13信號放大器A，14信號放大器，15加速度傳感器A，16加速度傳感器B， 17D/A轉(zhuǎn)換器，18低通濾波器C，19信號放大器B，20功率放大器，21激振器。
【具體實(shí)施方式】：
[0025] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步說明。
[0026] 可控震源的廣義預(yù)測控制系統(tǒng)，是由DSP1分別連接液晶顯示模塊3和鍵盤模塊2， DSP1經(jīng)模型參數(shù)辨識模塊5控制量求取模塊8連接，DSP1經(jīng)信號發(fā)生器4和參考軌跡設(shè) 定模塊6與控制量求取模塊8連接，DSP1經(jīng)控制量求取模塊8、D/A轉(zhuǎn)換器17、低通濾波器 C18、信號放大器19B和功率放大器20與激振器21的反應(yīng)體連接，加速度傳感器A15經(jīng)信 號放大器13、低通濾波器11B、A/D轉(zhuǎn)換器A9和加權(quán)模塊7與模型參數(shù)辨識模塊5連接，加 速度傳感器B16經(jīng)信號放大器A14、低通濾波器A12、A/D轉(zhuǎn)換器B10和加權(quán)模塊7與模型 參數(shù)辨識模塊5連接構(gòu)成。
[0027] 由DSP1分別連接鍵盤模塊2、液晶顯示模塊3構(gòu)成主控單元①；由加權(quán)模塊7通 過模型參數(shù)辨識模塊5與控制量求取模塊8相連，由加權(quán)模塊7通過參考軌跡設(shè)定模塊6與 控制量求取模塊8相連，由信號發(fā)生器4通過參考軌跡設(shè)定模塊6與控制量求取模塊6相 連構(gòu)成廣義預(yù)測控制單元②；由信號放大器13通過低通濾波器11與A/D轉(zhuǎn)換器9相連，由 信號放大器14通過低通濾波器12與A/D轉(zhuǎn)換器10相連，構(gòu)成信號采集模塊③；由D/A轉(zhuǎn) 換器17經(jīng)低通濾波器18、信號放大器19與功率放大器20相連構(gòu)成信號輸出模塊④；由激 振器21與連接在激振器基板上的加速度傳感器16、連接在激振器反應(yīng)體上的加速度傳感 器15構(gòu)成可控震源單元⑤。<