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电磁式可控震源扫描信号自适应控制技术研究

电磁式可控震源扫描信号自适应控制技术研究

作者：贾超吉林大学

学位级别：硕士

随着我国经济的日益发展和进步,人们对资源的需求也越来越大,但是局限于许多资源的再生周期较长,资源勘探速度远远低于资源消耗速度,因此推进技术改革和新型地质勘探设备研发成为当下关注热点。地震勘探技术作为矿产资源勘查最行之有效... 详细信息

随着我国经济的日益发展和进步,人们对资源的需求也越来越大,但是局限于许多资源的再生周期较长,资源勘探速度远远低于资源消耗速度,因此推进技术改革和新型地质勘探设备研发成为当下关注热点。地震勘探技术作为矿产资源勘查最行之有效的方法之一,在国内外得到了广泛关注。可控震源作为地震勘探中主要的激发源之一,其激发信号质量直接影响地震勘探精度和准确度。电磁式可控震源作为一种高频振动激发源,在浅层地质勘探领域应用广泛,然而国内外对电磁式可控震源系统的研究起步晚、进展慢,加之电磁式可控震源系统自身结构的独特性和非闭环控制等缺点使得现有电磁式可控震源系统所激发扫描信号不可控,随着振动频率的升高,震源系统的输出信号衰减严重,无法满足当前地震勘探精度的要求。为了解决电磁式可控震源扫描信号控制问题,本文以500PHVS-型电磁式可控震源为研究对象,在现有硬件结构基础上分析了系统开环控制的不足,提出了电磁式可控震源扫描信号自适应控制方案。该方案以计算机控制系统为核心,扫描信号生成模块、信号处理系统、电磁激振器和数据采集模块构成闭环系统。在实现自适应控制方案过程中,首先对电磁式可控震源的系统结构进行分析,借助于递推增广最小二乘系统辨识方法对震源系统结构和参数进行了求取并确定系统的数学模型表达式,并对辨识结果进行了分析;然后在电磁式可控震源系统数学模型基础上,借助于自适应控制理论,开展了基于Lyapunov理论的Narendra稳定自适应控制方案,对控制器的设计进行了数学推导,并应用到电磁式可控震源系统中,最终实现了电磁式可控震源扫描信号的自适应控制,为推动电磁式可控震源系统控制技术的发展提供了新方法。通过对Narendra稳定自适应控制器的性能仿真分析和电磁式可控震源系统控制前后的实际输出扫描信号对比分析,验证了本文所提方案的可行性与有效性。最后,对全文工作进行了总结分析,对自适应控制技术在电磁式可控震源领域的应用进行了讨论与展望。

关键词：地震勘探电磁式可控震源扫描信号系统辨识自适应控制

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电磁式可控震源系统畸变分析与控制

电磁式可控震源系统畸变分析与控制

作者：姚恩超吉林大学

学位级别：硕士

作为一项高精度地球物理勘探方法，地震勘探被广泛应用于矿产资源普查和地质构造解释。在国际地震勘探领域，可控震源已经替代炸药震源成为地震勘探的主要激发源。电磁式可控震源是一种宽频可控震源，在浅层高分辨率地震勘探领域，较其... 详细信息

作为一项高精度地球物理勘探方法，地震勘探被广泛应用于矿产资源普查和地质构造解释。在国际地震勘探领域，可控震源已经替代炸药震源成为地震勘探的主要激发源。电磁式可控震源是一种宽频可控震源，在浅层高分辨率地震勘探领域，较其他类型的可控震源具有明显优势。但是，随着振动频率的升高，由震源与大地非线性耦合引起的信号畸变问题愈加突出，实际地震勘探精度受限。本论文以可控震源‐大地耦合系统为研究对象，从可控震源‐大地耦合系统建模、畸变分析以及畸变控制三个方面对电磁式可控震源的非线性畸变问题进行了研究，用数值模拟和实验的方法分析了电磁式可控震源系统的畸变特征及控制策略，并提出了电磁式可控震源的一体化控制器设计方案，为进一步研究电磁式可控震源系统结构和运动控制提供理论依据。首先，根据电磁式可控震源的机械结构特点，运用运动学原理建立了电磁式可控震源的双参数线性弹性等效模型;在此基础上，考虑电磁式可控震源系统缺陷、基板‐大地耦合作用、岩土介质尺度效应等非线性因素的影响，建立了电磁式可控震源的分段线性弹性等效模型;最后，基于增广最小二乘系统辨识算法的原理，提出了具有较好应用前景的电磁式可控震源测试法建模方案。其次，考虑系统非线性的影响，通过数值模拟对可控震源幅值和相位畸变进行了定性和定量分析，给出了不同畸变下地震子波的特征参数。然后对国产PHVS-500型电磁式可控震源进行了畸变测试和分析，结果表明该电磁式可控震源低频谐波畸变明显，高频相位畸变较大。最后，为了解决电磁式可控震源的信号畸变问题，分别给出了针对系统模型已知的PID控制方案;针对非最小相位系统的前馈补偿PID控制方案;针对相位畸变的全数字锁相控制控制方案;针对可控震源系统的复杂非线性和模型参数的不确定性，给出了具有强鲁棒性的基于增广最小二乘系统辨识算法的广义预测控制方法，并通过数值模拟验证了方案的有效性。最后，针对现有电磁式可控震源电控系统控制精度低、相位一致性差等缺陷，提出了一种基于FPGA的电磁式可控震源一体化控制器设计方案，硬件仿真和测试表明控制方案稳定可靠，为我国矿产资源精细勘查提供了可靠的技术保障。

关键词：电磁式可控震源系统非线性信号畸变系统建模一体化控制器

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电磁式可控震源锁相控制与广义预测控制方法

电磁式可控震源锁相控制与广义预测控制方法

作者：马瑞琪吉林大学

学位级别：硕士

可控震源是地震勘探中用于激发地震波的重要设备,应用范围遍及油气勘探、矿产勘探、浅层工程勘探等领域。电磁式可控震源,相较液压式可控震源,具有更好的高频响应特性,地震勘探分辨率高,且易于携带,在浅层地震勘探受到广泛关注。但是受... 详细信息

可控震源是地震勘探中用于激发地震波的重要设备,应用范围遍及油气勘探、矿产勘探、浅层工程勘探等领域。电磁式可控震源,相较液压式可控震源,具有更好的高频响应特性,地震勘探分辨率高,且易于携带,在浅层地震勘探受到广泛关注。但是受激振器电磁感应过程中感生电势、功率放大器相移、震源-大地耦合不佳以及机械延时等影响,电磁式可控震源激发信号存在畸变。震源激发信号的畸变不仅影响了地震勘探的精度与分辨率,也影响了相控震源、组合震源等地震勘探方法在电磁式可控震源上的应用效果。本文针对吉林大学自主研发的PHVS500型电磁式可控震源,在分析畸变特性与来源的基础上,总结分析正弦信号鉴相方法与可控震源激发信号噪声特征,研究结合相位预补偿,利用锁相控制方法对可控震源激发信号畸变进行控制。进而针对可控震源受环境影响大、可控震源-大地耦合模型参数不固定的问题,研究了广义预测控制方法(GPC)在可控震源上的应用。但广义预测控制算法运算量大,追踪高频信号的能力差,本文提出将广义预测控制算法应用于锁相控制中,用于对可控震源激发信号相位、幅度进行控制。基于FPGA设计了电磁式可控震源控制系统,完成了采用多种变频扫描方式的直接频率合成器、线性相位FIR数字滤波器、ADS1255控制逻辑、鉴相器等数字电路设计与测试,为高精度可控震源地震勘探提供了保障。针对以上控制方法,通过实验数据建立可控震源模型,进行了仿真实验。采用常规锁相控制仿真结果,激发信号最大相位畸变小于5°,幅度畸变得到有效控制,当模型发生变化时,震源激发信号控制精度下降。广义预测控制算法运算耗时大,难以直接用于追踪可控震源高频激发信号。将广义预测控制算法与锁相控制相结合,能够在保证控制效率的前提下,增强了系统对地表条件变化的适应性,仿真结果表明,该方法相位控制精度能达到3°,在3000m/s速度模型下,由震源激发信号畸变导致的定位误差小于0.2m,能够满足高分辨率地震勘探的要求。

关键词：电磁式可控震源激发信号畸变锁相控制广义预测控制噪

地震波通信抗干扰载波信号设计及信道编码研究

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地震波通信抗干扰载波信号设计及信道编码研究

作者：覃锴吉林大学

学位级别：硕士

随着国家经济快速发展,对矿产资源的需求日益增加,地下矿井的安全生产成为重中之重。地下矿井由于地质结构复杂,常常发生坍塌、突水和瓦斯泄露等灾难事故。通常当重大灾害发生时,有线通信电缆极易遭到毁坏,导致被困人员与外界失去联系,... 详细信息

随着国家经济快速发展,对矿产资源的需求日益增加,地下矿井的安全生产成为重中之重。地下矿井由于地质结构复杂,常常发生坍塌、突水和瓦斯泄露等灾难事故。通常当重大灾害发生时,有线通信电缆极易遭到毁坏,导致被困人员与外界失去联系,阻碍救援工作的顺利进行。而大地信道特性相对稳定,因此能够使用地下无线通信系统作为应急通信手段,协助灾后救援工作。由于当前的地下无线通信系统一般都使用电磁波作为通信载波,电磁波在地下衰减过快导致通信距离短、可靠性不高。本文提出了一种电磁式可控震源地震波通信方法,利用地震波作为载波传递求助和救援信息,探讨地震波用于地下通信的可行性。首先分析地震波的特性以及它在地下介质中的传输衰减规律,探究地震波用于通信的可行性。采用电磁式可控震源作为信息发送设备,通过数字调制技术将要传输的数据信息加载到载波信号上,控制电磁式可控震源激发对应的地震波信号,地震波经地下介质传输再由地震检波器接收,对接收地震波信号进行解调和译码即可获取传输数据信息。针对地下通信信号衰减快和噪声干扰严重的问题,本文从载波信号的角度开展研究,提出了两种抗干扰载波信号设计方案,分别为最小频移键控调制（MSK）信号和伪随机分段扫频调制（PRSSM）信号。经仿真与实验研究,两种载波信号均能在地下介质中实现信息传递,并且PRSSM信号相比于MSK信号抗干扰能力更强,能有效压制随机噪声干扰,提升地震波通信的有效通信距离。最后为了解决地震波传输过程中产生的错码导致可靠性不高的问题,本文从信道编码的角度开展研究,提出了两种信道编码方案,分别为LBCOOK和CCOOK。信道编码能够纠正地震波信号在地下传输过程中产生的错码,降低通信误码率,提高地震波通信系统的可靠性。通过数值模拟研究了两种信道编码方案的纠错性能,结果表明LBCOOK和CCOOK能够有效降低地震波通信误码率,在相同信噪比时,CCOOK的纠错能力更强,能够更有效地提升地震波通信系统的可靠性。本文提出的电磁式可控震源地震波通信方案,采用电磁式可控震源作为信息发送装置,采用经数字调制后的地震波信号传输指令信息。结合电磁式可控震源的工作原理设计了两种抗干扰载波信号,并设计了两种信道编码方案用于纠正地震波通信的传输错码。本文研究的电磁式可控震源地震波通信方法,为后续的地震波通信系统的研究以及地下矿井灾后救援提供了一定的借鉴经验,在现有通信技术失效的极端环境下,地震波通信能作为一种应急通信手段更好地保障关键信息的有效传递。

关键词：地震波通信电磁式可控震源信道编码抗干扰数字调制