[发明专利]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

摘要

本发明涉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，通过将广义预测控制方法与相位预补偿、零相位滤波方法相结合，设计出一种适合于复杂地表环境的可控震源广义预测控制方法。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，有效地解决了电磁式可控震源在复杂地表条件下的高精度控制问题。对电磁式可控震源激发信号幅度与相位分别独立控制，加入了相位预补偿环节，降低了控制难度，减少了运算量，增强了控制的实时性。便于实现实时控制，且广义预测控制方法不依赖于固定模型，实现复杂地表下电磁式可控震源的高精度控制，提高了电磁式可控震源地震勘探的精度。

主权项

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，其特征在于，包括以下步骤：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s1(t)，通过过零比较方法检测对比s1(t)与可控震源目标信号r(t)的相位差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；式中A为r(t)幅度，t表示时间变量，T为r(t)持续时间，f0为r(t)起始频率，f1为r(t)终止频率；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)；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，则零相位低通滤波后的信号其中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；d、根据对r(t)进行相位预补偿得到c(t)，具体公式如下：e、设i、v、k和n初值均为0，其中，i、v分别表示当前检测到的零点、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；f、读取r(t)、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，flag1＝1，并记录该时刻为trzk；g、判断该时刻是否为零点，若是，则令零点计数值i加1，并记录该时刻为tszi；h、若i＝k，且flag1＝1，则计算与r(t)当前零点时间差，令q(k)＝trzk‑tszk，flag1＝0，q(k)表示时间差，否则返回步骤f重新进行零点判断；i、trzk时刻目标信号频率表示为则trzk时刻与r(t)相位差为θ(k)＝frk·q(k)·2π；j、设是广义预测控制过程中对c(t)的相位控制量，当k＝d且取d≤0时，令θ(d)＝0，其中d为整数；k、通过递推最小二乘法辨识得到模型参数，具体可表示为式中A(z‑1)、B(z‑1)是na、nb阶多项式,na、nb取正整数，令C(z‑1)＝1，ξ(k)是随机噪声，z‑1为后移算子，Δ＝1‑z‑1为差分算子；l、求解震源预测相位差建立Diophantine方程式中，Ej、Fj是由A(z‑1)和预测长度j唯一确定的多项式，表示为j＝1,2...,N，N为大于nb的正整数，求得Gj、Ej、Fj，则震源预测相位差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刻相位差θ(k)出发，向零值光滑过渡曲线，即参考轨迹θr(k+j)，具体定义如下：α为柔化系数，0＜α＜1；n、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]+ΔΨTΓΔΨ}式中，Nu是控制时域，Nu取值为不大于N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：o、将c(t)移相得到信号m(t)；p、读取r(t)、当前时刻数据，判断该时刻r(t)是否为峰值，若是，则令r(t)峰值计数值v加1，flag2＝1，并记录该时刻为trpv；q、判断该时刻是否为峰值，若是，则令峰值计数值n加1，并记录该时刻为tspn；r、若v＝n，且flag2＝1，则令flag2＝0，Ap(v)为幅度误差；否则，返回步骤p重新进行峰值判断；s、设dp(v)是控制过程中对c(t)的幅度控制量，当v＝d，且取d≤0时，令dp(d)＝0，Ap(d)＝0；t、通过递推最小二乘法辨识得到震源幅度模型参数，具体可表示为令C1(z‑1)＝1式中A1(z‑1)、B1(z‑1)是na1、nb1阶多项式,na1、nb1取正整数；u、求解震源预测幅度差建立Diophantine方程其中，是由A1(z‑1)和幅度控制预测长度u唯一确定的多项式，表示为u＝1,2...,N*，N*为大于nb1的正整数，求得则震源预测幅度差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Ap(v)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，α1为柔化系数，0＜α1＜1；w、求解可控震源当前幅度控制量：建立性能指标函数minJ1＝E{[Y1‑Y1r]T[Y1‑Y1r]+ΔDTΓΔD}Y1=A^p(v+1)A^p(v+2)...A^p(v+N*)TY1r=A^p(v+1)A^p(v+2)...A^p(v+N*)TΔD=Δdp(v)Δdp(v+1)...Δdp(v+Nu*-1)TΓ1=γ1·I]]>式中，表示幅度广义预测控制算法的控制时域，取不大于N*的正整数，Γ1为幅度广义预测控制加权矩阵，用于限制控制量的幅度，γ1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‑1)+Δdp(v)＝dp(v‑1)+[1 0 … 0]·ΔD；x、对m(t)幅度补偿，得到p(t)＝m(t)*(1+dp(v))，p(t)用于控制可控震源对地激发地震波；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。