基于频域扩宽MEMS传感器的地震采集系统

基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统
技术领域
1.本发明属于地质勘探领域，具体涉及了一种基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统。


背景技术：

2.在地质勘探中，通常需要长时间的持续采集地震波信号，mems传感器为地震波采集的常用传感器。在随钻测井中，经常会出现强震动、多频率信号交叉耦合的情况，为了实现精确测量，需要mems传感器能够抑制强震动产生的饱和等情况带来的系统性能变差的问题。传统的mems传感器带宽为300hz，而在地震采集中时常需要能够检测1000hz的场景出现，因此为了提高mems传感器的精确度和适应能力，需要基于mems传感器构建一种频域扩宽mems传感器的地震采集系统。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的上述问题，即随钻测井中容易出现强震动和多频率信号交叉耦合导致振动频率超出mems传感器的频域量程的问题，本发明提供了一种基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统，所述采集系统包括：mems表头、读出电路、频域扩宽器、模数转换器adc、数字信号控制单元和反馈电路；所述mems表头，用于接收地震波信号和测井信息，并输出mems位移信号；所述读出电路，用于读取所述mems位移信号，以电信号的形式进行输出；所述模数转换器adc，用于将所述电信号转化为数字读出信号，并传输至数字信号控制单元；所述数字信号控制单元，用于根据所述数字读出信号，产生控制信号对所述频域扩宽器的工作模式进行控制；所述频域扩宽器，用于根据所述控制信号对所述电信号进行波形补偿，输出未扩频信号或扩频信号；所述反馈电路，用于根据所述未扩频信号或扩频信号对所述mems表头生成反馈信号，形成闭环。
4.在一些优选的实施方式中，所述频域扩宽器，其电路结构为：输入端经由串联的第一电容c1和第一电阻r1连接至运算放大器op的反相输入端；第二电阻r2连接在运算放大器op的反相输入端和输出端；运算放大器的同相输入端接地；第一开关s1并联在第一电容c1的两端；第二电容c2串联第二开关s2，共同并联在第二电容r2的两端；第三开关s3一端连接输入端，另一端连接输出端。
5.通过上述电路结构，能够实现频域扩宽的基本功能，还能通过设置开关的通断实现特定频段内信号提取、特定频段内信号衰减的功能及功能的切换。
6.在一些优选的实施方式中，所述数字信号控制单元，用于在检测到地震波信号和测井信息超出了mems表头的频带时，发出携带扩频控制指令的控制信号。通过是否发出携带扩频控制指令的控制信号控制频域扩宽器是否启用，进而实现在谐振频率之内不对信号的输出产生影响，而一旦超出谐振频率则立即进行补偿，使频率响应平滑，避免对谐振频率内的信号采集引入噪声。
7.在一些优选的实施方式中，所述扩频控制指令，使开关s1和s3断开，s2闭合；需要输出未扩频信号时，控制s3导通。
8.在一些优选的实施方式中，所述频域扩宽器，其在收到带有扩频控制指令的控制信号时的传递函数为：其中，表示第一电阻r1的阻值，表示第二电阻r2的阻值，表示第一电容c1的电容值，为频域扩宽器传递函数的复频域形式，s表示复频率。该传递函数呈现低频率阶段幅值响应较小，但可通过电容值和阻值的调整使传递函数在mems传感器频带边界呈现快速上升趋势，即实现在mems传感器的频率响应快速衰减的位置对波形进行补偿，使得叠加后的波形仅为呈现小幅波动保留基础的频幅响应而不是彻底无法检测。
9.在一些优选的实施方式中，第一电阻r1的阻值、第二电阻r2的阻值和第一电容c1的电容值，根据mems表头的谐振频率设置。
10.在一些优选的实施方式中，所述数字信号控制单元，还用于控制模数转换器adc的工作时序、是否采样、采样率和参考电压。
11.在一些优选的实施方式中，所述频域扩宽器还可作为频段提取器，进行预设频段的信号提取，具体为：通过数字信号控制单元，发出携带频段提取指令的控制信号，使频域扩宽器的开关s1、s2和s3均断开，作为频段提取器。
12.在一些优选的实施方式中，所述频段提取器，其传递函数为：其中，表示第一电阻r1的阻值，表示第二电阻r2的阻值，表示第一电容c1的电容值，表示第二电容c2的电容值，表示频段提取器传递函数的复频域形式，s表示复频率。频段提取器的传递频率函数能够通过控制电容值和阻值使设定的之外的型号进行快速的衰减，通过叠加后可以使特定频段内信号的频幅响应增强而特定频段之外不再监测，以此实现频段提取。
13.在一些优选的实施方式中，所述mems表头，还用于收集外界的加速度和速度引起的位移变化量，输出mems位移信号，进行振动测量任务和位移测量任务或航空发动机的监测任务。
14.本发明的有益效果：（1）本发明通过设置频域扩宽器，在mems表头遇到强震动时，或能够选用的mems传感器无法确保稳定满足测量信号的频率需求时，对探测信号的频域进行补偿，使得mems表头能够在一定程度上进行强震动、高频率的测量，降低超出mems表头的谐振频率时，探测信号衰减带来的影响，提高了地震采集系统的适用范围和抗突变能力。
15.（2）本发明设置的频域扩宽器，通过控制开关调整电阻电容的连接方式，可实现对特定频率范围内的信号进行抽取，对特定频率范围外的信号抑制或衰减，进而实现特定频段信号提取的功能。
附图说明
16.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本发明基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统的原理结构图；图2是本发明实施例中频域扩宽器的电路示意图；图3是常规的基于mems传感器的检测系统的频率响应示意图；图4是第二实施例中进行超出mems传感器谐振频率的信号的采集时的等效电路图；图5是第二实施例中进行超出mems传感器谐振频率的信号的采集时的频域扩宽器的频率响应图；图6是第二实施例中进行超出mems传感器谐振频率的信号的采集时的系统频率响应图；图7是第二实施例中经过频域补偿后本发明整个频率阶段的频率响应图；图8是第二实施例中进行超出mems传感器谐振频率的信号的采集时的输入输出关系示意图；图9是第三实施例中所述频域扩宽器作为频段提取器的等效电路图；图10是第三实施例中将频域扩宽器作为频段提取器的频率响应示意图；图11是第三实施例中将频域扩宽器作为频段提取器的输入输出关系示意图；图12是第四实施例中将频域扩宽器用于过滤设定频段信号的频域扩宽器的频率响应示意图；图13是第四实施例中将频域扩宽器用于过滤设定频段信号的频域的系统的频率响应示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
18.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
19.本发明提供一种基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统，本系统通过设置频域扩宽器，在mems表头遇到强震动时对探测信号的频域进行补偿，使得mems表头能够在一定程度上进行强震动、高频率的测量，降低超出mems表头的谐振频率时，探测信号衰减带来的影响，提高了地震采集系统的适用范围和抗突变能力。
20.本发明的一种基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统，包括：mems表头、读出电路、频域扩宽器、模数转换器adc、数字信号控制单元和反馈电路；所述mems表头，用于接收地震波信号和测井信息，并输出mems位移信号；所述读出电路，用于读取所述mems位移信号，以电信号的形式进行输出；所述模数转换器adc，用于将所述电信号转化为数字读出信号，并传输至数字信号控制单元；所述数字信号控制单元，用于根据所述数字读出信号，产生控制信号对所述频域扩宽器的工作模式进行控制；所述频域扩宽器，用于根据所述控制信号对所述电信号进行波形补偿，输出未扩频信号或扩频信号；所述反馈电路，用于根据所述未扩频信号或扩频信号对所述mems表头生成反馈信号，形成闭环。
21.为了更清晰地对本发明基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各功能模块展开详述。
22.本发明第一实施例的基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统，包括步骤mems表头、读出电路、频域扩宽器、模数转换器adc、数字信号控制单元和反馈电路，各功能模块详细描述如下：所述mems表头，用于接收地震波信号和测井信息，并输出mems位移信号；mems表头由固定电极、可动质量块和外壳组成，通过检测振动、声音等外界物理信号转化为mems表头的质量块的位移信号，进而引起mems表头电容的变化，其传递函数为：m表示可动质量块的大小，b表示阻尼系数，k表示弹性梁的弹簧系数，x表示由于外界加速度和速度引起的位移变化量；现有技术的mems传感器的带宽受到限制，在300hz频率之上再继续提高检测频率会出现探测信号幅值随频率增加快速衰减的情况，如图3所示，高于mems传感器谐振频率f0频率的信号，将不会被系统输出，或者衰减到很小以至于检测不到；图3中，y为频率为0hz的时mems增益的幅值，图3为mems传感器品质因数q值大于0的情况，当q值小于等于0时，不存在谐振峰。
23.所述读出电路，用于读取所述mems位移信号，以电信号的形式进行输出；读出电路可通过运算放大器、开关、反馈电容和补偿电容组成，也可通过运算放大器、电阻、反馈电容组成；可根据是将mems表头的电容变化信号转化为电压信号还是电流信号的任务目的对读
出电路的具体结构进行调整。
24.所述模数转换器adc，用于将所述电信号转化为数字读出信号，并传输至数字信号控制单元；模数转换器adc的位数取决于读出电路输出模拟信号复读的大小，如10-bit、12-bit或14bit等，模数转换器adc的采样率取决于读出电路输出的模拟信号频率大小，如1mhz、10mhz或20mhz；所述数字信号控制单元，用于根据所述数字读出信号，产生控制信号对所述频域扩宽器的工作模式进行控制；在本实施例中，所述数字信号控制单元，用于在检测到地震波信号和测井信息超出了mems表头的频带时，发出携带扩频控制指令的控制信号。
25.在本实施例中，所述数字信号控制单元，还用于控制模数转换器adc的工作时序、是否采样、采样率和参考电压。
26.所述频域扩宽器，用于根据所述控制信号对所述电信号进行波形补偿，输出未扩频信号或扩频信号；在本实施例中，所述频域扩宽器，其电路结构如图2所示为：输入端经由串联的第一电容c1和第一电阻r1连接至运算放大器op的反相输入端；第二电阻r2连接在运算放大器op的反相输入端和输出端；运算放大器的同相输入端接地；第一开关s1并联在第一电容c1的两端；第二电容c2串联第二开关s2，共同并联在第二电容r2的两端；第三开关s3一端连接输入端，另一端连接输出端。
27.所述反馈电路，用于根据所述未扩频信号或扩频信号对所述mems表头生成反馈信号，形成闭环。
28.本实施例中，所述频域扩宽器用于提取或衰减设定频率或设定频段内的信号，避免在强震动或者多频率信号的应用场景下地震采集系统出现系统饱和或震荡现象，提高系统稳定性。
29.在本实施例中，所述mems表头，还用于收集外界的加速度和速度引起的位移变化量，进行振动、位移的测量任务和航空发动机的监测任务。
30.本发明的第二实施例，为通过上述基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统进行超出mems传感器谐振频率的信号的采集；具体为，数字信号控制单元，用于在检测到地震波信号和测井信息超出了mems表头的频带时，发出携带扩频控制指令的控制信号。
31.在本实施例中，所述扩频控制指令，使开关s1和s3断开，s2闭合；需要输出未扩频信号时，控制s3导通，如图4所示。
32.在本实施例中，所述频域扩宽器，其在收到带有扩频控制指令的控制信号时的传递函数为：
其中，表示第一电阻r1的阻值，表示第二电阻r2的阻值，表示第一电容c1的电容值，为频域扩宽器传递函数的复频域形式，s表示复频率。收到带有扩频控制指令的控制信号时频域扩宽器的等效电路如图4所示，收到扩频控制指令时频域扩宽器的频率响应如图5所示。
33.通过本实施例的收到扩频控制指令时频域扩宽器对mems表头的幅值与频率关系的影响如图6所示，可见，通过本发明的频域补偿，可实现在探测信号的频率高于mems传感器谐振频率f0的区段仍能保持一定程度的频率响应实现拓频探测的效果，通过结合模数转换器adc和数字信号控制单元控制频域扩宽器在检测到电信号超出mems传感器的谐振频率f0时自动启动，实现在谐振频率f0内保持原本的幅值响应，而在超出谐振频率f0的频段也能有稳定的幅值响应，从而对超出f0部分的电信号进行一定程度的测量，如图7所示；通过本实施例调整后，输入电压和输出电压的关系如图8所示，在图8中，待测信号同时包含了低于谐振频率的低频信号f1和超出谐振频率的高频信号f2，理想状态下应当测得的信号为f1+f2，但由于传统的mems探测系统的谐振频率的限制，输出的信号如图8中的未采用本技术输出的波形所示，而采用本技术输出的波形能够相对清晰地获得f1+f2的近似波形，并且保障了相关信息不会丢失；更进一步的，通过对频域扩宽器的增益、带宽的优化设计使实际测得波形无限趋近于理想状态，比如通过设计频域扩宽器与mems表头谐振频率点匹配的的零点位置使得mems传感器系统传递函数幅频响应在谐振频率点位置更平滑，或通过分析mems表头传递函数的逆函数优化设计频域扩宽器传递函数，实现系统传递函数全频域范围内平坦化，进而使得输出波形更加理想；本发明扩展了mems表头的使用范围，增加宽频带的应用场景。
34.第一电阻r1的阻值、第二电阻r2的阻值和第一电容c1的电容值，根据mems表头的谐振频率设置。具体为：根据使用场景和mems表头的测量范围来进行确定，比如mems表头的频率范围为0~500hz，则需要对f3=500hz以上的频域进行扩宽；理想情况下，考虑表头参数以及电路要求，首选选定合适的电阻r1的阻值为1kω，从而根据f3的值和电阻1kω传递函数计算电容值；本发明的第三实施例，提供将所述频域扩宽器作为频段提取器，进行预设频段的信号提取的系统，系统结构与上述基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统相同，通过数字信号控制单元，发出携带频段提取指令的控制信号，使频域扩宽器的开关s1、s2和s3均断开，作为频段提取器。本实施例的频段提取器的等效电路如图9所示；在本实施例中，所述频段提取器，其传递函数为：其中，表示第一电阻r1的阻值，表示第二电阻r2的阻值，表示第一电容c1
的电容值，表示第二电容c2的电容值，表示频段提取器传递函数的复频域形式，s表示复频率。
35.在本实施例中，根据使用场景和mems表头的测量范围来进行确定，本实施例的频段提取器相当于一个带通滤波器，在明确需要提取f1与f2之间的电信号，可通过频段提取器的传递函数的二阶系统分母的两个极点确定电阻值和电容值。
36.在本实施例中，频率响应的示意图如图10所示，频域扩宽器自动使频率处于＜f1且＞f2的信号衰减，仅保留f1~f2之间的信号，其输入输出效果如图11所示。
37.本发明的第四实施例，提供一种将频域扩宽器用于过滤设定频段信号，避免该信号引起系统的过载或者不稳定的检测系统，其电路图与第三实施例相同如图9所示，区别在于将第三实施例中的f1与f2进行替换；频域扩宽器的频率响应如图12所示，频域扩宽器能够放大＜f1与＞f2频段的信号，同时控制f1~f2频段的信号，避免该频段信号过载或者超出系统输出范围，引起系统不稳定，经过该频率自适应器后，系统的频率响应如图13所示。
38.本发明的第五实施例，控制频域扩宽器的开关s1闭合，s2和s3断开，实现增强采集系统的低频信号检测能力。
39.本发明的第六实施例，控制频域扩宽器的开关s1、s2和s3均闭合，关闭频域扩宽器的频域扩宽功能。
40.本发明的第七实施例，通过上述实施例的频域扩宽器的组合对输出的数字信号进行调节，控制多路器选通对应的频域扩宽器，实现扩频效果，即将上述的品议扩宽器、频段提取器进行组合并通过多路器连接，降低功耗并减少切换噪声的引入。
41.上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
42.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
43.需要说明的是，上述实施例提供的基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
44.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
45.本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（ram）、内存、只读存储器（rom）、电可编程rom、电可擦除可编
程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
46.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
47.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
48.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。