震源的驱动装置以及基于界面补偿的地震波生成设备的制作方法

本公开涉及地球物理勘探技术领域，具体涉及震源的驱动装置以及基于界面补偿的地震波生成设备。

背景技术：

地震勘探的原理是在地表以人工方法激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面，地震波将发生反射与折射，在地表或井中用检波器接收这种地震波。收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。通过对地震波记录进行处理和解释，可以推断地下岩层的性质和形态。

已开发出的典型震源包括重锤、连续震动源、气动震源等。例如一些可控震源可以包括换能器和驱动器，驱动器向换能器施加电信号，换能器将电信号转化为机械振动，从而生成地震波。通过改变驱动器施加的电信号的电学特性，可以改变换能器的振动特性，从而改变地震波的诸如频率、幅度、方向等参数。然而目前大多数的参数调整是根据经验或者通过理论计算来进行的，并未考虑震源的实际运动情况情况和与待测表面(例如地面、坑道、桥梁或道路等)的耦合情况。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提供了一种震源的驱动装置和基于界面补偿的地震波生成设备，通过考虑控制力和输出力两者来对换能器进行驱动，可以针对震源与待测表面之间的界面耦合情况进行补偿，从而提高驱动准确度。

根据本公开的一方面，提供了一种震源的驱动装置，包括：控制模块，用于生成控制指令，并根据所述震源的换能器的加速度信息和输出力信息来调整所述控制指令；信号发生模块，与所述控制模块相连，用于根据控制指令生成控制信号，并将控制信号提供给所述换能器以使所述换能器根据控制信号来进行振动；加速度感测模块，安装在所述换能器上并且与所述控制模块相连，用于感测所述换能器的加速度以获得所述换能器的加速度信息；以及力感测模块，安装在所述换能器上并且与所述控制模块相连，用于所述感测换能器通过振动而产生的输出力以获得所述换能器的输出力信息。

优选地，所述控制模块包括：上位机，与所述加速度感测模块和力感测模块相连，用于根据用户输入的控制参数来生成参数信息，并根据所述换能器的加速度信息和输出力信息来调整所述参数信息；以及下位机，与所述上位机相连，用于接收来自上位机的经调整的参数信息，并根据所述经调整的参数信息来生成控制指令。

优选地，所述参数信息包括驱动模式和驱动参数，当所述驱动模式为单频驱动模式时，所述驱动参数包括控制信号的频率、振幅和相位，当所述驱动模式为扫频驱动模式时，所述驱动参数包括控制信号的起始频率、终止频率、振幅和相位以及扫频时间。

优选地，所述上位机与所述下位机通过通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)或串口连接。

优选地，所述信号发生模块包括：直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)芯片，与所述下位机相连，用于根据来自所述下位机的控制指令来生成控制信号；隔离放大器，与所述DDS芯片相连，用于对DDS芯片生成的控制信号进行隔离放大；功率放大器，与所述隔离放大器相连，用于对经过隔离放大的控制信号进行功率放大，并将功率放大后的控制信号提供给所述换能器。

根据本公开的另一方面，提供了一种基于界面补偿的地震波生成设备，包括：以上描述的驱动装置；以及换能器，所述换能器用于接收来自所述驱动装置的控制信号，并根据所述控制信号进行振动以产生地震波。

优选地，所述换能器包括定子、动子和底座，所述定子安装在底座上，用于接收来自所述驱动装置的驱动信号并根据所述驱动信号产生使动子相对于定子振动的磁场。

优选地，所述驱动装置的力传感器可拆卸地安装在所述换能器的底座下方。

优选地，所述驱动装置的力传感器位于在所述换能器的底座下方并且与所述底座一体化。

优选地，所述加速度传感器安装在所述动子的侧壁、顶面或底面上。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。

图1示出了根据本公开实施例的基于界面补偿的地震波生成设备的框图。

图2示出了根据本公开实施例的基于界面补偿的地震波生成设备的框图。

图3a和图3b示出了根据本公开实施例的基于界面补偿的地震波生成设备的换能器的示例的框图。

图4a和图4b示出了根据本公开实施例的基于界面补偿的地震波生成设备的上位机和下位机执行的操作的流程图。

图5a和图5b示出了跟姐姐本公开实施例的参数信息的示例结构图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开提供了一种震源的驱动装置和基于界面补偿的地震波生成设备，利用安装在震源的换能器上的加速度感测模块和力感测模块形成了双闭环控制回路，加速度感测模块获得的加速度信息能够体现换能器自身产生的控制力，而力感测模块获得的输出力信息能够体现换能器实际施加在待测表面上的输出力，通过考虑控制力和驱动力两者来对换能器进行驱动，可以提高驱动准确度。

图1示出了根据本公开实施例的基于界面补偿的地震波生成设备的框图。如图1所示，基于界面补偿的地震波生成设备包括驱动装置10和换能器20。换能器20可以是震源的换能器，其可以根据驱动装置10提供的控制信号来进行振动以生成地震波。

驱动装置10可以包括控制模块101、信号发生模块102、加速度感测模块103和力感测模块104。加速度感测模块103安装在换能器20上，用于感测换能器20的加速度以获得换能器20的加速度信息。力感测模块104安装在换能器20上，用于感测换能器20通过振动而产生的输出力以获得换能器20的输出力信息。驱动装置10在工作时可以根据用户输入的相关参数(包括驱动模式和驱动参数)来生成控制指令，并将控制指令发送给信号发生模块102。信号发生模块102根据控制指令生成控制信号，并将控制信号提供给换能器20。换能器20接收到控制信号之后将电信号形式的控制信号转换成机械振动，例如可以根据控制信号中指定的驱动模式和驱动参数等等来进行振动，从而产生符合用户要求的地震波。安装在换能器20上的加速度感测模块103和力感测模块104分别可以感测换能器20的加速度信息和输出力信息并提供给控制模块101。控制模块101可以根据所述加速度信息和输出力信息之一或两者来调整控制指令。例如，控制模块101可以根据加速度信息来计算换能器20自身产生的控制力的大小，当控制力的大小超出预设的阈值范围时通过调整控制信号来将控制力调整到阈值范围以内。控制模块101还可以根据输出力信息来直接获得或者通过计算获得换能器20实际作用在待测表面上的输出力的大小，当输出力的大小超出预设的阈值范围时通过调整控制信号来将输出力调整到阈值范围以内。当然，控制模块101也可以根据加速度信息和输出力信息的结合来调整控制信号，从而调整换能器20的振动特性。

图2示出了根据本公开实施例的基于界面补偿的地震波生成设备的框图。如图2所示，基于界面补偿的地震波生成设备包括驱动装置10和换能器20。

换能器20可以根据驱动装置10提供的控制信号来进行振动以生成地震波。图3a和图3b示出了根据本公开实施例的换能器20的示例的结构图。换能器20可以包括定子、动子和底座，在图3a和图3b所示的实施例中，换能器20为电磁式可控震源的换能器，其定子可以包括线圈301，动子可以包括磁体302和磁钢303，动子还可以包括配重物。线圈301安装在底座304上，处于磁体302和磁钢303之间形成的空间中。另外，换能器20还可以包括起到保护作用的外壳305和用于安装动子的支架306。在换能器20工作时，线圈301接收来自驱动装置10的驱动信号以产生磁场，使得安装在支架306上的磁体302连同磁钢303一起在磁场中相对于线圈301往复运动，从而产生地震波。然而图3仅仅示出了换能器20的一个示例，本公开的实施例可以应用于可以将电信号转换成机械振动的任何其他换能器。

返回参考图2，驱动装置10可以包括控制模块101、信号发生模块102、加速度感测模块103、力感测模块104以及模数(AD)转换模块105。

控制模块101可以包括上位机1011和下位机1012。上位机1011可以由计算机来实现。下位机1012可以由单片机来实现，例如STM32型单片机。上位机1011与下位机1012可以通过串口连接。

信号发生模块102可以包括直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)芯片1021、与DDS芯片1021相连的隔离放大器1022以及与隔离放大器1022相连的功率放大器1023。

加速度感测模块103可以包括一个或多个加速度传感器，其可以安装在换能器20的动子(例如图3所示的磁钢303)的侧面、顶面或底面，优选地可以安装在侧面，如图3b所示。加速度感测模块103感测磁钢303的加速度。磁钢303的加速度反映了磁钢303的运动特性，据此可以获得磁钢303自身产生的控制力的大小。

力感测模块104可以包括一个或多个力传感器，其可以安装在换能器20的底座304下方以便与待测表面接触。在图3b所示的实施例中，可以在底座304下方设置一个或多个夹层307，将力感测模块104可拆卸地安装在所述夹层中。作为另一示例，可以将力传感测模块104与底座304一体化。以上安装方式和安装位置仅仅为示例，本公开的实施例不限于此，力感测模块104和加速度感测模块103可以以任何合适的方式安装在换能器20上任何合适的位置。力感测模块104可以感测换能器20施加在待测表面(例如地面、桥梁、坑道)上的输出力，从而反映出换能器20与不同类型的待测表面之间的不同耦合情况。

在工作时，上位机1011根据用户输入的控制参数来生成参数信息，并将参数信息提供给下位机1012。参数信息可以包括驱动模式和驱动指令。驱动模式可以包括单频驱动模式和扫频驱动模式。在单频驱动模式下，以固定频率的控制信号来驱动换能器20，在扫频驱动模式下，在扫频时间段内从起始频率开始到终止频率为止以不同频率的控制信号来驱动换能器20。驱动参数可以包括控制信号的频率、振幅、相位、扫频时间等。下位机1012根据来自上位机1011的参数信息来生成控制指令以控制DDS芯片产生相应的控制信号。具体地，下位机1021可以将上位机的参数信息转化成针对DDS芯片1021的控制指令，以便实现对DDS芯片1021的配置。DDS芯片1021根据来自下位机1012的控制指令来生成控制信号。例如，如果控制指令中指示了单频驱动模式，并提供了控制信号的频率、振幅和相位等信息，则DDS芯片1021可以生成该频率、振幅和相位的单频驱动信号。对于扫频驱动模式，DDS芯片1021可以按照参数信息中指定的起始和终止频率在扫频时间段内输出相应的控制信号。隔离放大器1022对DDS芯片1021生成的控制信号进行隔离放大，功率放大器1023对经过隔离放大的控制信号进行功率放大，从而形成大小适合于换能器20的控制信号。换能器20根据该控制信号进行机械振动，从而生成地震波。在换能器20进行机械振动的过程中，安装在换能器20上的加速度感测模块103和力感测模块104分别向上位机1011和下位机1012两者或其中之一提供换能器20的加速度信息和输出力信息，并经由AD转换模块105进行模数转换后提供给上位机1011或下位机1012或者两者。上位机1011或下位机1012或者两者相配合地根据所述加速度信息和输出力信息之一或两者来调整控制指令。例如，类似于以上参考图1描述的，可以根据加速度信息来计算换能器20自身产生的控制力的大小，当控制力的大小超出预设的阈值范围时通过调整DDS芯片1021输出的控制信号来将控制力调整到阈值范围以内；或者可以根据输出力信息来直接获得或者通过计算获得换能器20实际作用在待测表面上的输出力的大小，当输出力的大小超出预设的阈值范围时通过调整DDS芯片1021输出的控制信号来将输出力调整到阈值范围以内；或者可以根据加速度信息和输出力信息的结合来调整DDS芯片1021输出的控制信号，从而调整换能器20的振动特性。

图4a示出了根据本公开实施例的基于界面补偿的地震波生成设备的上位机1011执行的操作的流程图。

在步骤S401，进行初始化配置，例如Labview的VISA配置。

在步骤S402，提示用户选择驱动模式，并接收用户的驱动模式选择。

在步骤S403，提示用户输入针对驱动模式的驱动参数，并接收用户输入的驱动参数。例如，如果在步骤S402用户选择单频驱动模式，则可以提示用户输入诸如控制信号的频率、振幅和相位等驱动参数；如果用户选择扫频驱动模式，则可以提示用户输入诸如控制信号的起始频率、终止频率、振幅和相位以及扫频时间等驱动参数。在本实施例中，上位机1011可以通过图形界面与用户交互。

在步骤S404，根据用户输入的驱动模式和驱动参数生成参数信息。如图5a所示，在单频驱动模式下，参数信息包括起始标识符、驱动模式位、控制信号的频率、控制信号的振幅、控制信号的相位和结束标识符。作为示例，起始标识符可以设置为AA55，驱动模式位为0表示单频驱动模式，驱动模式为1表示扫频驱动模式。控制信号的频率、控制信号的振幅、控制信号的相位相位在信息字段中的先后顺序不限于此，可以根据需要任意改变。如图5b所示，在扫频驱动模式下，参数信息包括起始标识符、控制信号的起始频率、控制信号的振幅、控制信号的相位、控制信号的终止频率、扫频时间和结束标识符。类似地，起始标识符可以设置为AA55，驱动模式位为0表示单频驱动模式，驱动模式为1表示扫频驱动模式。控制信号的起始频率、控制信号的振幅、控制信号的相位、控制信号的终止频率、扫频时间在信息字段中的先后顺序不限于此，可以根据需要任意改变。

在步骤S405，根据来自加速度感测模块103的加速度信息和来自力感测模块104的输出力信息来判断是否需要调整换能器20的振动，如果是，则执行步骤S406，否则执行步骤S407。

在步骤S406，调整在步骤S404生成的参数信息。例如，可以根据加速度信息来计算换能器20自身产生的控制力的大小，当控制力的大小超出预设的阈值范围时调整控制参数以将控制力调整到阈值范围以内；或者可以根据输出力信息来直接获得或者通过计算获得换能器20实际作用在待测表面上的输出力的大小，当输出力的大小超出预设的阈值范围时通过调整控制参数以将输出力调整到阈值范围以内；或者可以根据加速度信息和输出力信息的结合来调整控控制参数，从而调整换能器20的振动特性。例如，可以通过降低控制信号的频率来减小输出力和控制力，通过提高控制信号的频率来增大输出力和控制力，从而使输出力和控制力稳定在所需的范围之内。

在步骤S407，将调整后的参数信息发送给下位机1012。

在步骤S408，判断是否接收到来自下位机1012的应答，如果是，则结束本流程，否则返回步骤S408继续等待应答。

图4b示出了根据本公开实施例的基于界面补偿的地震波生成设备的下位机1012执行的操作的流程图。

在步骤S501，下位机1012进行初始化。所述初始化包括下位机对自身的初始化(例如通用输入输出(General Purpose Input Output，GPIO)、通用同步/异步串行接收/发送器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART)、中断配置等等)以及对DDS芯片1021的初始化。

在步骤S502，等待接收来自上位机1011的参数信息。

在步骤S503，判断是否接收到参数信息中的起始标识符，例如AA55，如果是，则执行步骤S504，否则返回步骤S502继续等待。

在步骤S504，判断参数信息指示的驱动模式是单频驱动模式还是扫频驱动模式，如果是单频驱动模式，则执行步骤S505，如果是扫频驱动模式，执行步骤S506。

在步骤S505，向DDS芯片1021写入与单频驱动模式相对应的驱动参数，例如控制信号的频率、控制信号的振幅、控制信号的相位等。

在步骤S506，向DDS芯片1021写入与扫频驱动模式相对应的驱动参数，例如控制信号的起始频率、控制信号的振幅、控制信号的相位、控制信号的终止频率、扫频时间等。

在步骤S507，向上位机1011发送应答，并且可以将接收到的参数信息删除，返回步骤S502以等待接收下一个参数信息。所述应答用于指示下位机1021已成功接收到来自上位机的参数信息并完成相关配置。

虽然以上实施例中传感器反馈信息的接收以及对于参数信息的调整是由上位机来执行的，然而本公开的实施例不限于此，反馈信息的接收和参数信息的调整也可以由下位机来执行，或者由上位机与下位机相互协调执行。在一些实施例中，上位机也可以将反馈信息例如通过用户界面直接提供给用户，由用户来进行相应的计算和调整，上位机将用户调整后的参数信息经由下位机提供给信号发生模块。

本公开的实施例利用安装在换能器上的加速度感测模块和力感测模块形成了双闭环控制回路，加速度感测模块获得的加速度信息能够体现换能器自身产生的控制力，而力感测模块获得的输出力信息能够体现换能器实际施加在待测表面上的输出力，即，能够体现换能器与不同待测表面之间的耦合情况，通过考虑控制力和驱动力两者来对换能器进行驱动，可以实现换能器与待测表面之间的界面补偿，从而提高驱动准确度。

本公开的实施例采用上位机与下位机相结合的方式来执行控制，一方面用户可以通过用户界面直接与上位机交互，改善了用户体验，另一方面上位机可以根据加速度传感器和力传感器的反馈来进一步调整驱动参数，甚至于用户可以直接在上位机上观测来自加速度传感器和力传感器的反馈并手动调整各项驱动参数和驱动模式，使得实现对换能器的高效且灵活的驱动控制。

以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域技术人员而言，本公开可以有各种改动和变化。凡在本公开的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。