一种适于复杂地表条件的电磁式可控震源广义预测控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明设及一种电磁式可控震源控制方法，特别是设及一种适合于复杂地表条件 的电磁式可控震源广义预测控制方法。
【背景技术】：
[0002] 电磁式可控震源是用于浅层地震勘探中重要的仪器。它能通过对地长时间激发小 能量地震波通过相关压缩实现冲击震源瞬时大功率地震波的效果。但在复杂地表条件下， 基板与地面禪合不良，可控震源激发的地震信号在相位与幅度上总是存在着比较严重崎 变，导致地震勘探定位误差大，引起地震勘探精度下降。国外的可控震源反馈控制一般采用 简单的锁相控制系统；1988年sercel公司研发出液压震源线性高斯二次型最优控制系统。 前者控制精度不高，而后者运算量较大不适合于采用高频控制信号的电磁式可控震源。 CN104570053A公开了一种《可控震源锁相控制系统》。CN104570053A公开了一种《可控震源 的广义预测控制系统》，它能够满足对电磁式震源的自适应控制，但由于该方法对系统硬件 要求较高，运算量大，在高频可控震源中实现难度大且实时性差。
【发明内容】
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[0003]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控制算法的可控震源控制方法。
[0004]本发明的主要思想是:通过比较目标信号与震源激发信号相位与幅度，得到相位 偏差与幅度误差，分别通过广义预测算法得到相位与幅度的控制量，通过对目标信号进行 移相与幅度调整得到调整后信号，该信号用于控制可控震源对地激发地震波。由于目标信 号与激发信号相位差较大，反馈控制前对目标信号进行相位预补偿能够在很大程度上减小 相位偏差。采集到的可控震源激发信号中混杂由较强的高频噪声，通过零相位低通滤波器 能够在消除噪声的同时不引起信号相位偏移，保证控制的精度。
[000引本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0006]适于复杂地表条件的电磁式可控震源广义预测控制方法的实现方式如下：
[0007] a、在实验室环境下，通过放置在可控震源上的传感器与信号采集系统测试可控震 源工作过程中对地激发扫频信号si(t)，通过过零比较方法检测对比si(t)与可控震源目标 信号Ht)的相位差机ω，作为野外工作时可控震源激发信号与目标信号相位差的经验数
据；
[000引式中 A为r(t)幅度，t表示时间变量，Τ为r(t)持续时 间，f0为r(t)起始频率，f1为r(t)终止频率；
[0009]b、将可控震源放置于测区，震源工作点尽可能选取地表平整的位置，按常规可控 震源施工方法设置可控震源工作参数，控制震源对地激发正弦扫频地震波，并通过放置在 可控震源上的传感器与信号采集系统实时采集可控震源对地激发信号S(t);
[0010] C、设计截止频率为500Hz的零相位低通滤波器，使用该滤波器对s(t)进行滤波，贝U 零相位低通滤波后的信号庚中h(t)为所用零相位低通滤波器冲激响应序 列，此处*表示相关运算；
[00·Μ]d、根据狗ω对r(t)进行相位预补偿得到C(t)，具体公式如下：
[001引e、设i、v、k和η初值均为0,其中，i、v分另懐示当前检测到的那擇点、峰值点个数，k、n分别表示当前检测到的r(t)零点、峰值点个数；
[0013]f、读取r(t)、巧0当前时刻数据，判断该时刻Ht)是否为零点，若是，则令Ht)零 点计数值k加1，flagi= 1，并记录该时刻为trzk;
[0014] g、判断该时刻W)是否为零点，若是，则令部傳点计数值i加1，并记录该时刻为 tSZi ;
[001引 h、若i=k，且flagi= 1，则计算巧)与rU)当前零点时间差，令q(k) =1:rzk-tszk， flagi= 0，q化)表示时间差，否则返回步骤f重新进行零点判断；
[0016] i、trzk时刻目标信号频率表示为
则化zk时刻巧/)与r(t)相位 差为9(k)=frk·q(k) · 2π;
[0017] j、设巧的是广义预测控制过程中对c(t)的相位控制量，当cKO时，取巧W= 〇, 9 (d)=0,其中d为整数；
[0018] k、通过递推最小二乘法辨识得到模型参数，具体可表示为
，
[0019] 式中A(Z-1)、B(Z-1)是na、耻阶多项式，na、耻取正整数， ， 令(Χζ^ι) = 1，ξ化)是随机噪声，z^i为后移算子，Δ=l-z^i为差分算子；
[0020] 1、求解震源预测相位差新+月建立Diophantine方程
[0021]式中，Ej、Fj是由A(Z^ )和预测长度j唯一确定的多项式，表示为
N为大于nb的正整数，求得Gj、Ej、門，贝U j = 1,2,..,Ν 震源预测相位差
[0022]m、计算参考轨迹:为保证系统输出信号的平滑，在控制过程中设置一条从当前时 亥时目位差Θ化)出发，向零值光滑过渡曲线，即参考轨迹Wk+j)，具体定义如下：
[0023]
α为柔化系数，〇<日<1;
[0024]η、求解可控震源当前相位控制量:建立性能指标函数minJ=E{[Y-Yr]T[Y-Yr]+A ψΤ厂AΨ}
[0025]
[0026] 式中，Nu是控制时域，Nu取值为不大于Ν的正整数，Γ为控制加权矩阵，用于限制控 制量的幅度，γ为控制加权系数，I为单位矩阵，解得最优相位控制量增量为ΔΨ，则可控震 源当前相位控制量为：
[0027]
[0028] 0、将c(t)移相巧(/〇,得到信号m(t);
[0029]P、读取r(t)、巧句当前时刻数据，判断该时刻r(t)是否为峰值，若是，则令Ht)峰 值计数值V加1，flag2= 1，并记录该时刻为trpv;
[0030]q、判断该时刻巧0是否为峰值，若是，则令巧?)峰值计数值η加1，并记录该时刻为tspn；
[0031 ]r、若v=n，且flag2=l，则4
flag2= 0，Ap(ν)为幅度误差； 否则，返回步骤Ρ重新进行峰值判断；
[0032]S、设dp(v)是控制过程中对c(t)的幅度控制量，当d< 0时，取dp(d)=0，Ap(d) =0;
[0033] t、通过递推最小二乘法辨识得到震源幅度模型参数，具体可表示为
其中，式中Ai(z-i)、Bi(z-i)是nai、nbi阶多项式，
nai、nbi取正整数 令Ci(z-i) =l; ，
[0034] U、求解震源预测幅度差y，tU).建立Diophantine方程
其中，<、巧是由Ai(z-i)和幅度控制预测长度U唯一确定 ?： 的多项式，可表示为 沪为大于nbi的正整数，求
， 得CC、马、诗，则震源预测幅度差4(v+?)=《.巧.Ad成+?-1) +玲.年的;
[0035] V、计算参考轨迹:为保证系统输出信号的平滑，在控制过程中设置一条从当前时 刻幅度差Αρ(ν)出发，向零值光滑过渡曲线，即参考轨迹Apr(v+u)，具体定义如下：
[0036]
αι为柔化系数，〇<αι<1;
[0037]W、求解可控震源当前幅度控制量:建立性能指标函数minJi=E{[Yi-Yir]T[Yi-Yir] +δ〇τγ^δ〇}
[003引
[0039]式中，成表示幅度广义预测控制算法的控制时域，W,;取不大于沪的正整数，Γ 1为 幅度广义预测控制加权矩阵，用于限制控制量的幅度，γι为控制加权系数，I为单位矩阵， 解得最优幅度控制量增量为ΔD，则可控震源当前幅度控制量为dp(v) =dp(v-l)+Δdp(v)= dp(v-l) +[l0 ··· 0] ·ΔΟ；
[0040] X、对m(t)幅度补偿，得到p(t)=m(t)*(l+dp(v))，p(t)用于控制可控震源对地激 发地震波；
[0041] y、重复进行步骤f至步骤X，直至T时刻震源激发信号终止，就完成了复杂地表条件 的电磁式可控震源广义预测控制。
[0042]有益效果:经试验证明，本发明公开的适于复杂地表条件的电磁式可控震源广义 预测控制方法，能够有效实现电磁式可控震源在复杂地表条件下的高精度控制问题。本方 法通过数字方式实现对信号峰值、相位的检测，与模拟过零比较、峰值检测相比，本方法通 过增加约束条件提高了检测的可靠性。相对于常规控制方法，通过广义预测控制方法提高 了控制的精度，且广义预测控制方法不依赖于固定模型，特别适合于复杂地表条件。本方法 将可控震源激发信号峰值与相位分别进行控制，并加入了相位预补偿环节，相对于直接对 信号进行控制，降低了控制难度，减少了运算量，增强了控制的实时性。
【附图说明】：
[0043]图1复杂地表条件下电磁式可控震源广义预测控制过程图
[0044]图2可控震源相位广义预测算法过程图
[0045] 图3零相位滤波效果图
[0046]图4开环控制与广义预测控制激发信号与目标信号对比
【具体实施方式】：
[0047] 下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：
[0048] 电磁式可控震源工作时，信号采集系统通过安装在可控震源上的传感器实时采集 其激发信号，通过信号处理获得可控震源激发信号，该信号先通过零相位低通滤波器，在经 过过零检测、峰值检测通过广义预测控制方法分别对可控震源相位与幅度进行控制。
[0049]基于复杂地表条件的的电磁式可控震源广义预测控制方法，包括W下步骤：
[0050]a、在实验室环境下，通过放置在可控震源上的传感器与信号采集系统测试可控震 源工作过程中对地激发扫频信号si(t)，通过过零比较方法检测对比si(t)与可控震源目标 信号r(t)的相位差斯W>本例中，可控震源工作频带为20~300Hz，信号幅度为300,工作时 间为10s，采集系统采样率为8000,目标信号r(t)=300sin(23i(20+14t)t)，0<t< 10，W吉 林大對HVS500电磁式可控震源为例，取撕货=0.巧饥Q00X切(20 + 2鼓）；
[0051]b、将可控震源放置于测区，震源工作点尽可能选取地表平整的位置，按常规可控 震源施工方法设置可控震源工作参数，控制震源对地激发正弦扫频地震波，并通过放置在 可控震源上的传感器与信号采集系统实时采集可控震源对地激发信号s(t);
[0052] C、设计截止频率为500Hz的零相位低通滤波器，使用该滤波器对s(t)进行滤波，贝U 零相位低通滤波后的信号巧〇 = 其中h(t)为所用零相位低通滤波器冲激响应序 列，滤波前后结果如图3;
[005引d、根据辦的对r(t)进行相位预补偿得到c(t)，补偿后[0054] c(t)=300sin(23i(20+14(t+0.000375))((t+0.000375)))；
[00巧]e、设置i、v、k、n初值均为0,其中，i、v分别为当前检测到的若点、峰值点个数，k、n分别为当前检测到的r(t)零点、峰值点个数；
[0056]f、读取r(t)、穿的当前时刻数据，判断该时刻r(t)是否为零点，若是，则令r(t)零点 计数值k加1，flagi=l并记录该时刻