一种可控编码波形电性源发射系统及控制方法

本技术属于地球物理勘探领域，具体而言为一种可控编码波形电性源发射系统及控制方法。

背景技术：

1、电震效应是一种基于动电耦合机制的地球物理效应，其起源于孔隙介质中固液界面的双电层结构。当外加电场作用在孔隙介质时，会牵引孔隙流体中带电离子的定向运动；由于带电离子与流体之间存在粘滞作用，将引发孔隙流体与岩石骨架的相对运动，从而产生地震波；这种转换过程称为电震转换；

2、在油气藏与地下水勘探中，电磁勘探方法可以识别界面的电性变化，然而其空间分辨率较低；地震勘探具有较高的空间分辨率，但是仅对界面的弹性波阻抗差异敏感；电震转换同时对界面的弹性和电性差异敏感，因此适用于油气藏、地下水的高分辨率探测；需要明确的是，基于电震效应的勘探方法是通过电震转换这一物理过程实现地下勘探的，该方法与电震联合勘探有所不同，后者相当于地震勘探与电磁勘探的结合；

3、野外实际勘探场景中，电震转换的信噪比低，有效信号极易淹没在环境噪声中；通过发射编码电流波形，将接收的电震响应与编码发射波形进行互相关运算，可以实现低信噪比数据中信号的提取；此外，编码电流波形可用于分别激发电震的线性与非线性响应，其中非线性电震响应包括二阶电致伸缩等非线性机制；

4、现有方法采用电磁发射模块向探测区域发射一次电磁脉冲信号，结合电磁采集模块与地震采集模块获取探测信号。仅发射常规电磁脉冲，无法区分、分离电震线性与非线性响应；且在低信噪比环境中，难以提取电震响应信号。

5、对于电震效应野外测量信噪比低、无法单独激励线性与非线性电震响应的问题，国内外并未设计专门的仪器系统与控制方法，因此可控编码波形电性源发射系统及控制方法，能够有效提升电震响应的信噪比，实现线性和非线性电震响应的分别激励。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种可控编码波形电性源发射系统及控制方法，解决电震效应野外测量信噪比低、无法单独激励线性与非线性电震响应的问题。

2、本技术第一方面实施例提供一种可控编码波形电性源发射系统，包括：

3、直流电源、逆变电路、阻抗匹配电路和控制器，其中，逆变电路与阻抗匹配电路并联，通过直流电源提供直流电压；

4、所述控制器用于根据目标探测深度确定发射频率，根据探测模式确定编码序列类型，根据发射频率确定码元周期，按编码序列中各码元取值确定每个码元的输出状态，形成目标电流波形；

5、根据当前码元取值切换控制所述逆变电路与所述阻抗匹配电路接入发射回路，码元为正或负时，接通逆变电路并切断阻抗匹配电路；码元为0时，切断逆变电路并接通阻抗匹配电路；

6、逆变电路接通时，根据目标电流波形及发射回路电阻值和电感值计算目标电压波形，将目标电压波形与固定频率的三角载波进行幅度比较，生成前馈占空比；

7、获取实际发射电流，并与目标电流比较得到误差信号；

8、根据所述误差信号，按照比例-积分控制算法计算占空比修正量，并叠加至前馈占空比，形成最终占空比，分配至逆变电路中开关器件的控制端，使实际发射电流的编码电流波形跟踪目标电流波形。

9、进一步地，当所述码元取值为正时，所述控制器控制所述逆变电路输出一个正向的正弦波片段；

10、当所述码元取值为负时，所述控制器控制所述逆变电路输出一个反向的正弦波片段；

11、当所述码元取值为0时，所述控制器控制所述逆变电路输出为0。

12、进一步地，所述正弦波片段在时间轴上首尾拼接，形成编码电流波形，每个正弦波片段对应一个码元，所有正弦波片段的持续时间相同且每个正弦波片段均从0值开始到0值结束。

13、进一步地，控制器根据预定的目标探测深度确定每个正弦波片段的持续时间，包括：

14、根据地下介质电阻率和目标探测深度，按照趋肤深度公式确定所需的发射频率；

15、根据发射频率确定每个正弦波片段的持续时间，所述持续时间等于发射频率对应周期的完整长度，确保每个正弦波片段恰好为一个完整周期的正弦波。

16、进一步地，所述控制器被配置为根据目标激发的电震响应类型确定所述编码序列：当目标激发线性电震响应时，所述控制器生成一对互补的双极性格雷码序列作为所述编码序列，分别控制所述逆变电路先后输出两轮编码电流波形，用于实现响应的互相关旁瓣抑制；当目标激发非线性电震响应时，所述控制器生成单极性伪随机序列作为所述编码序列，控制所述逆变电路输出包含0电平间隔的编码电流波形。

17、进一步地，所述控制器根据预先确定的目标电流波形以及发射回路所带负载的电阻值和电感值，预先计算出为产生目标电流波形所需的目标电压波形；

18、将目标电压波形作为一个连续变化的调制信号，与一个固定频率的三角载波信号进行实时幅值比较：当所述目标电压波形的幅值大于或等于所述三角波信号的幅值时输出高电平，否则输出低电平，由此生成用于控制逆变电路开关器件的前馈占空比。

19、进一步地，所述控制器通过霍尔传感器获取实际发射电流，将目标电流与所述实际发射电流进行比较，得到误差信号；

20、所述比例-积分控制算法，将当前时刻的误差信号乘以一个比例系数，再加上历史上所有时刻误差信号的累积值乘以一个积分系数和采样周期的乘积，得到占空比修正量。

21、本技术第二方面实施例提供一种可控编码波形电性源发射系统的控制方法，包括：

22、根据目标探测深度确定发射频率，根据探测模式确定编码序列类型，根据发射频率确定码元周期，按编码序列中各码元取值确定每个码元的输出状态，形成目标电流波形；

23、根据当前码元取值切换发射回路连接，码元为正或负时，接通逆变电路并切断阻抗匹配电路；码元为0时，切断逆变电路并接通阻抗匹配电路；

24、逆变电路接通时，根据目标电流波形及发射回路电阻值和电感值计算目标电压波形，将目标电压波形与固定频率的三角载波进行幅度比较，生成前馈占空比；

25、通过霍尔传感器获取实际发射电流，与目标电流比较得到误差信号；

26、根据所述误差信号，按照比例-积分控制算法计算占空比修正量，并叠加至前馈占空比，形成最终占空比，分配至逆变电路中开关器件的控制端，使实际发射电流的编码电流波形跟踪目标电流波形。

27、进一步地，根据探测模式确定编码序列类型，包括：

28、当目标激发线性电震响应时，生成一对互补的双极性格雷码序列作为所述编码序列，分别控制逆变电路先后输出两轮编码电流波形，用于实现响应的互相关旁瓣抑制；

29、当目标激发非线性电震响应时，生成单极性伪随机序列作为所述编码序列，控制所述逆变电路输出包含0电平间隔的编码电流波形。

30、进一步地，当所述码元取值为正时，控制所述逆变电路输出一个正向的正弦波片段；

31、当所述码元取值为负时，控制所述逆变电路输出一个反向的正弦波片段；

32、当所述码元取值为0时，控制所述逆变电路输出为0；

33、所述正弦波片段在时间轴上首尾拼接，形成编码电流波形，每个正弦波片段对应一个码元，所有正弦波片段的持续时间相同且每个正弦波片段均从0值开始到0值结束。

34、本技术与现有技术相比，至少具有如下的有益效果：

35、本技术突破了电震勘探中电震响应低信噪比的限制，针对电震响应在野外环境中信噪比低难以观测，以及电震线性和非线性响应难以分辨的问题，基于可控编码电流波形设计了用于电震勘探的电性源发射系统。根据预先设置的线性和非线性激发模式，得到相应的可控编码序列控制的目标电流波形。根据目标电流波形得到输出电压，以及前馈控制信号。通过霍尔传感器采集实际发射电流，经过闭环控制算法修正控制信号的占空比，实现实际发射电流的编码电流波形跟踪目标电流波形。本技术有利于提高电震响应勘探的信噪比，实现电震线性和非线性响应的靶向激励。