一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系統及其方法

2023-09-24 01:49:50

專利名稱：一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲波發射和接收檢測裝置及其方法，尤其涉及一種在實 驗室條件下模擬野外地震勘探時對地質模型進行超聲波探測和檢測的實驗室採 集裝置及其方法，屬於超聲波檢測領域。
背景技術：
地震物理模擬是石油勘探開發的一種有效的實驗技術。它是根據模型介質 在其幾何參數和物理參數滿足相似比原理和對應原則的基礎上開展的一種科學研究方法。現代的地震物理模擬是在實驗室內將野外的地質構造和地質體按照 一定的模擬比製作成物理模型，並利用超聲波等方法對野外地震勘探方法進行 模擬的一種地震模擬方法，它一方面探索研究新的波動理論和現象，比如各向 異性的物理模擬研究等；另一方面還可以用來驗證方法技術的可行性和解釋結 果的可信度，例如三維地震勘探的有效性的驗證等。目前在地球物理實驗室中 經常用超聲波檢測裝置對地質模型進行超聲波檢測，該裝置主要部分有1、 激勵源(脈衝發生器)輸出高電壓窄脈衝驅動超聲波發射探頭；2、 超聲波發射探頭它將高電壓窄脈衝信號轉換為超聲波信號發射給被測 物體。在地質上通常一個發射位置稱為一個炮點；3、 超聲波接收探頭它將接收到的超聲波信號轉換為電壓信號。地質上一個接收點位置通常稱為一道，每一道通常要在0. 3毫秒內採集6000個數據，每個數據通常為24位； 4、 放大器將超聲波接收探頭送出的微弱電壓信號放大後送給模數轉換器。 超聲波檢測過程是這樣的超聲波發射探頭髮出超聲波信號，該信號到達 地質模型的反射界面後，部分信號被反射，由超聲波接收探頭接收後經放大和 模數轉換送給計算機處理。檢測系統的主要結構如附圖l所示。現有的超聲波檢測裝置在進行數據採集時，在信號發射端的輸出高電壓窄 脈衝的幅度和信號接收端的放大器的放大倍數在測量過程中都是固定死的，不 能進行定量化地改變。因此，在對模型特別是複雜模型進行超聲波採集時，產 生了以下的技術問題1、激勵源中脈沖發生器無法定量控制脈衝信號發射的高低幅度，造成精確度低 以及失真的技術問題對於不同道信號，為了使較遠道的反射信號能反映出來， 需要將信號源輸出信號調大，但此時近炮道反射過強，輸出被削頂即產生飽和 畸變-失真。而當信號源輸出信號較小時，近炮道反射正常了，但遠炮道的反 射由於信號太小，不能反映出來。即無法根據實際需要定量控制在信號發射端 輸出高電壓窄脈衝的幅度。2 、接收端中的放大器無法具體根據各個地層對能量吸收及反射的不同變化放大 倍數，造成精確度低以及接收信號失真的技術問題對於同一道信號，深層和 淺層的發射信號是不一樣的，通常情況下，深層反射信號弱而淺層反射信號強。 為了讓深層的反射足夠大，需要將放大器的放大倍數調大，但此時會出現淺層 反射信號太強，輸出被削頂-失真；反之將放大器的放大倍數降低則深層的信 號出不來-失真。由於前置放大器輸出通過長線送給模數轉換器，當放大器輸出信號較弱時，很容易受到環境噪音的幹擾，有時小的有效信號被淹沒在噪音 中。

發明內容
由於現有技術中存在因為激勵源中脈衝發生器無法定量控制脈衝信號發射 的高低幅度、以及接收端中的放大器無法具體根據各個地層對能量吸收及反射本發明，對發射能量和接收增益進行定量化控制以滿足實驗室複雜多層物理模 型觀測的需要。本發明中一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系統的技術方案是 所述系統包括激勵源、超聲波發射探頭、超聲波接收探頭、模數轉換器、 放大器、中央信號處理和控制單元以及輸入/輸出外設單元；所述激勵源用於輸 出高電壓窄脈衝驅動超聲波信號；所述超聲波發射探頭用於將高電壓窄脈沖信 號轉換為超聲波信號發射給被測物體；所述超聲波接收探頭用於將接收到的超 聲波信號轉換為電壓信號；所述放大器用於將超聲波接收探頭送出的電壓信號 放大後輸入至模數轉換器轉換成數位訊號，然後輸入到中央信號處理和控制單 元進行數據處理；所述系統還包括設置在信號激勵源中的可控調壓控制單元和設置在信號 接收端的接收信號的增益控制單元；所述可控調壓控制單元用於根據不同的信 號道集調節控制輸出脈衝信號的幅度大小；所述接收信號的增益控制單元用於 對進入所述放大器中的接收到的不同反射信號進行信號增益調節和時序控制， 並將增益放大後的接收信號通過所述模數轉換器變換成數位訊號後傳輸給中央信號處理及控制單元。上述的超聲波發射探頭和超聲波接收探頭是超聲波換能器，用於將通過模數/數模轉換後的信號發射或接收；所述激勵源包含高電壓窄脈沖驅動信號發生 器。在實際的應用中，所述設置在信號激勵源中的可控調壓控制單元包括脈寬 控制模塊、MCU模塊、高壓產生電路模塊、開關電路以及時鐘和電源模塊；所述脈寬控制模塊採用CPLD對高速時鐘源的精確計數，控制脈寬寬度以 10ns精度為單位連續可調；包含RS232接口的所述MCU模塊接收中央信號處理和控制單元傳來的脈寬 數據和幅度數據，並且輸出控制信號給高壓產生電路模塊和脈寬控制模塊，控 制發射脈衝的幅度和寬度；所述高壓產生電路模塊用於產生連續可調的高壓；所述開關電路用於根據脈寬控制模塊輸出的時間寬度，控制輸出，與所述 超聲波發射探頭的頻率和阻抗等匹配；所述時鐘和電源^^莫塊產生系統所需要的MCU驅動時鐘和CPLD計數時鐘；電源模塊提供系統需要的全部低壓電源。在實際的應用中所述設置在信號接收端的接收信號的增益控制單元包括 模擬通道模塊和數字控制模塊；所述模擬通道模塊包括模擬放大器組和多路開關組；所述接收信號經過超 聲波換能器後先經前置放大器Ain初步放大後輸入至多路開關，通過第一道多路開關(1 )根據要求選擇導通具有不同放大增益效能的放大器Al到An中的一 個，後經過第二道多路開關(2)根據要求選擇導通輸出放大器，由輸出放大器將放大後的信號送給所述模數轉換器；所述數字控制模塊包括RS232接口的控制單元、鎖存器、可預置數計數器及一組邏輯控制電路組成；當中央信號處理和控制單元將分段延遲時間、增益數通過2 3 2接口傳輸給所述數字控制模塊中的控制單元，所述控制單元通過增益計算選擇輸出鎖存並控制第一道多路開關(1)和第二道多路開關(2)選擇起始的信號放大增益，同時所述控制單元將第一延遲時間值和第二延遲時間值通過第一輸出鎖存器 (1 )和第二輸出鎖存器(2 )分別送給第一可預置數計數器(1 )和第二可預置數計數器(2 )。上述所述放大器Al到An的放大增益從1到1024; 當放大器選擇好後，放大電路總的放大增益為 Ain增益x Aout增益x (Al到An中選擇的放大器的增益) 所述數字控制模塊除控制單元和2 3 2接口外，可包含在編程邏輯晶片，控制單元為D S P或單片機晶片。本發明還包括一種模擬超聲波地震信號物理激發和接收方法，技術方案是 所述方法包括激勵源產生步驟、超聲波發射步驟、超聲波接收步驟、模數 轉換步驟、信號放大步驟、中央信號處理和控制步驟以及輸入/輸出步驟；所述 激勵源產生步驟用於輸出高電壓窄脈衝驅動超聲波信號；所述超聲波發射步驟 用於將高電壓窄脈衝信號轉換為超聲波信號發射給被測物體；所述超聲波接收步驟用於將接收到的超聲波信號轉換為電壓信號；所述信號放大步驟和模數轉 換步驟用於將超聲波接收步驟送出的電壓信號放大後輸入至模數轉換器；經過 信號放大步驟和模數轉換步驟後的信號進入中央信號處理和控制步驟進行數據 處理；所述方法中還包括在所述的激勵源步驟中還包括可控調壓控制步驟和在 所述超聲波接收步驟前的接收信號的增益控制步驟；所述可控調壓控制步驟用 於根據不同的信號道集調節控制輸出脈沖信號的幅度大小；所述接收信號的增 益控制步驟用於對進入所述放大器中的接收到的不同反射信號進行信號增益調 節和時序控制，並將增益後的接收信號通過所述模數轉換步驟傳輸給中央信號 處理及控制步驟中進行數據處理。在上述步驟中激勵源產生步驟中包括高電壓窄脈沖驅動信號發生器；所述 的超聲波發射步驟和超聲波接收步驟中均包含超聲波換能器，用於將通過模數/ 數模轉換後的信號發射或接收；所述模數轉換步驟中包含模數轉換器；信號放 大步驟中包含信號放大器、中央信號處理和控制步驟中包含信號處理晶片；輸 入/輸出步驟包含輸入/輸入外設。在實際的方法中，所述可控調壓控制步驟包括脈寬控制過程、MCU控制過程、 高壓產生過程、開關控制過程以及時鐘和電源控制過程；所述脈寬控制過程採用CPLD對高速時鐘源的精確計數，控制脈寬寬度以 10ns精度為單位連續可調；包含RS232接口的所述MCU控制過程接收中央信號處理和控制步驟傳來的脈寬數據和幅度數據，並且輸出控制信號給高壓產生過程和脈寬控制過程，控制發射脈沖的幅度和寬度；所述高壓產生控制過程用於產生連續可調的高壓；所述開關控制過程用於經過脈寬控制過程輸出的時間寬度，控制輸出，與所述超聲波發射探頭頻率和阻抗等匹配；所述時鐘控制過程用於產生系統所需要的MCU驅動時鐘和CPLD計數時鐘； 電源控制過程提供系統需要的全部低壓電源。在實際的方法中所述接收信號的增益控制步驟包括模擬通道過程和數字 控制過程；所述模擬通道過程包含模擬放大器組和多路開關組；所述接收信號經過超 聲波換能器後先經前置放大器Ain初步放大後輸入至多路開關，通過第一道多 路開關(1 )根據要求選擇導通具有不同放大增益效能的放大器Al到An中的一 個，後經過第二道多路開關(2)根據要求選擇導通輸出放大器，由輸出放大器將放大後的信號送給所述模數轉換器；所述數字控制過程包括RS232接口的控制單元、鎖存器、可預置數計數器 及一組邏輯控制電路組成；當中央信號處理和控制步驟將分段延遲時間、增益數通過2 3 2接口傳輸 給所述數字控制過程中的控制單元，所述控制單元通過增益計算選擇輸出鎖存 並控制第一道多路開關(1)和第二道多路開關(2)選擇起始的信號放大增益，同時所述控制單元將第一延遲時間值和第二延遲時間值通過第一輸出鎖存器 (l)和第二輸出鎖存器(2)分別送給第一可預置數計數器(1)和第二可預置數計數器(2 )。上述放大器Al到An的放大增益比例從1到1024; 當放大器選擇好後，放大電路總的放大增益為 Ain增益x Aout增益x (Al到An中選擇的放大器的增益) 所述控制單元為D S P或單片機晶片。本發明對發射能量和接收增益進行定量化控制，以滿足實驗室複雜多層物 理模型觀測的需要。即本發明一方面在激勵源中增加了定量控制脈衝信號發射 步驟和結構，使得對發射能量的大小加以定量化控制，對於不同道信號，具體 進行定量設定對遠道的反射信號將信號源輸出信號調大，對近炮道的反射信 號進行定量控制達到高保真的效果。另 一方面在接收端中的放大器中增加了定 量控制放大倍數的步驟和結構，解決了現有技術中精確度低以及接收信號失真 的技術問題對於深層信號設定大的放大倍數，對於淺層信號設定小的放大倍 數或採取不放大的方法使得接收到的各個地層的信號精度高，減少失真。本發明使採集質量大為改善，淺、深層和近、遠道的顯示效果大為提高， 對石油勘探和其他礦產的勘探的研究工作有巨大幫助，具有非常顯著的經濟效 益和糹土會效益。


圖l為現有技術中超聲波發射/接收檢測系統的主要結構示意圖;圖2為本發明系統才莫塊框圖；圖3為本發明方法步驟示意圖；圖4為本發明可控調壓控制單元的電路結構示意圖；圖5為本發明接收信號的增益控制單元示意圖。 各附圖中具體的技術內容將結合具體實施方式
加以說明。
具體實施例方式圖1為現有技術中超聲波發射/接收檢測系統的主要結構示意圖 目前在地球物理實驗室中經常用超聲波檢測裝置對地質模型進行超聲波檢 測，該裝置主要部分有1、 激勵源(脈衝發生器)輸出高電壓窄脈沖驅動超聲波發射探頭；2、 超聲波發射探頭它將高電壓窄脈衝信號轉換為超聲波信號發射給被測 物體。在地質上通常一個發射位置稱為一個炮點；3、 超聲波接收探頭它將接收到的超聲波信號轉換為電壓信號。地質上一 個接收點位置通常稱為一道，每一道通常要在O. 3毫秒內釆集6000個數據，每 個數據通常為24位；4、 放大器將超聲波接收探頭送出的微弱電壓信號放大後送給模數轉換器。 超聲波檢測過程是這樣的超聲波發射探頭髮出超聲波信號，該信號到達地質模型的反射界面後，部分信號被反射，由超聲波接收探頭接收後經放大 和模數轉換送給計算機處理。檢測系統的主要結構如附圖l所示。圖2為本發明系統模塊框圖。本發明中一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系統的技術方案是 所述系統包括激勵源、超聲波發射探頭、超聲波接收探頭、模數轉換器、 放大器、中央信號處理和控制單元以及輸入/輸出外設單元；所述激勵源用於輸 出高電壓窄脈沖驅動超聲波信號；所述超聲波發射探頭用於將高電壓窄脈衝信號轉換為超聲波信號發射給被測物體；所述超聲波接收探頭用於將接收到的超 聲波信號轉換為電壓信號；所述放大器用於將超聲波接收探頭送出的電壓信號 放大後輸入至模數轉換器；經放大器放大和模數轉換器轉換後的信號輸入到中 央信號處理和控制單元進行數據處理；所述系統還包括設置在信號激勵源中的可控調壓控制單元和設置在信號 接收端的接收信號的增益控制單元；所述可控調壓控制單元用於根據不同的信 號道集調節控制輸出脈衝信號的幅度大小；所述接收信號的增益控制單元用於 對進入所述放大器中的接收到的不同的反射信號進行信號增益調節和時序控 制，並將增益放大後的接收信號通過所述模數轉換器傳輸給中央信號處理及控 制單元。上述的超聲波發射探頭和超聲波接收探頭是超聲波換能器，用於將通過模 數/數模轉換後的信號發射或接收；所述激勵源包括高電壓窄脈沖驅動信號發生 器。圖3為本發明方法步驟示意圖。本發明還包括一種模擬超聲波地震信號物理激發和接收方法，技術方案是 所述方法包括激勵源產生步驟、超聲波發射步驟、超聲波接收步驟、模數 轉換步驟、信號放大步驟、中央信號處理和控制步驟以及輸入/輸出步驟；所述 激勵源產生步驟用於輸出高電壓窄脈沖驅動超聲波信號；所述超聲波發射步驟 用於將高電壓窄脈衝信號轉換為超聲波信號發射給被測物體；所述超聲波接收 步驟用於將接收到的超聲波信號轉換為電壓信號；所述信號放大步驟和模數轉 換步驟用於將超聲波接收步驟送出的電壓信號放大後輸入至模數轉換器；經過信號放大步驟和模數轉換步驟後的信號進入中央信號處理和控制步驟進行數據處理；所述方法中還包括在所述的激勵源產生步驟中還包括可控調壓控制步驟 和在所述超聲波接收步驟前的接收信號的增益控制步驟；所述可控調壓控制步 驟用於根據不同的信號道集調節控制輸出脈衝信號的幅度大小；所述接收信號 的增益控制步驟用於對進入所述放大器中的接收到的不同反射信號進行信號增 益調節和時序控制，並將增益後的接收信號通過所述模數轉換步驟傳輸給中央 信號處理及控制步驟中進行數據處理。在上述步驟中激勵源產生步驟包括高電壓窄脈沖驅動信號發生器；所述的 超聲波發射步驟和超聲波接收步驟中均包含超聲波換能器，用於將通過模數/數 模轉換後的信號發射或接收；所述模數轉換步驟中包含模數轉換器；信號放大 步驟中包含信號放大器、中央信號處理和控制步驟中包含信號處理晶片；輸入/ 輸出步驟包含輸入/輸入外設。具體的步驟採取① 預先採集被測模型近遠道對超聲波反射的能量分布數據；② 對其進行自動分析處理得到能量分布曲線；③ 然後根據能量分布曲線採用可控調壓控制步驟對電壓窄脈衝驅動信號發生 器的輸出根據近遠道進行分段調整。④ 將調整後的信號輸出給電壓窄脈沖驅動信號發生器；⑤ 一方面電壓窄脈衝驅動信號發生器將信號通過所述的超聲波發射步驟對信 號進行轉換後發射；發射過程結束⑥ 另一方面電壓窄脈沖驅動信號發生器將信號通過模數轉換步驟傳輸給中央信號處理控制單元；⑦ 中央信號處理控制單元計算出放大器增益曲線；⑧ 從超聲波接收步驟中得到的接收信號和中央信號處理控制單元計算出放大 器增益曲線數據輸入進接收信號的增益步驟中進行操作，對輸入放大器的放 大增益進行分段、動態調整；◎將分段、調整後的信號輸出給模數轉換步驟，並傳遞給中央信號處理和控制 步驟； 輸出步驟接收信號過程結束，輸出結果。其中，對固體模型進行檢測時，發送能量的或增益的調節在探頭提起時進行，此時不進行數據採集，為了提高信噪比，可以在探頭固定後，對同一點進 行多次變發送能量或變放大增益的採集，然後按權進行疊加；當在液體中對模 型進行檢測時，對一條線可進行多次變發送能量或變放大增益的採集，然後按 權進行疊加。例如對強信號淺層、近炮的權輕，深層、遠炮的權重。採取以上措施採集得到數據後，根據能量分布曲線和增益曲線對數據進行 各種處理，以得到真實的數據。圖4為本發明可控調壓控制單元的電路結構示意圖。如所示的發射電路，帶有RS232接口，可以通過PC設置發射脈衝的寬度和 幅度。所述設置在信號激勵源中的可控調壓控制單元包括脈寬控制模塊、MCU模 塊、高壓產生電路模塊、開關電路以及時鐘和電源模塊；脈寬控制模塊該模塊通過採用CPLD (複雜可編程邏輯器件)對100Mhz高 速時鐘源的精確計數，控制脈寬寬度以10ns精度為單位連續可調。MCU (微處理器單元)模塊該模塊帶有和PC連接的RS232接口，能夠接 收PC傳來的脈寬數據和幅度數據，並且輸出控制信號給高壓產生模塊和脈寬控 制模塊，控制發射脈衝的幅度和寬度高壓產生電路產生電壓連續可調的高壓。開關電路由脈寬控制電路控制高壓輸出的時間寬度，輸出電路設計和上 述發射換能器頻率和阻抗等匹配。時鐘和電源模塊產生系統所需要的MCU驅 動時鐘和100MhzCPLD計數時鐘。電源模塊提供系統需要的所有低壓電源。圖5為本發明接收信號的增益控制單元示意圖。該電路分為兩大部分模擬通道模塊和數字控制模塊模擬通道模塊主要由模擬放大器和多路開關組成。圖中前置放大器Ain 將超聲波換能器送來的信號進行初步放大，通過第一多路開關1選擇送給具有 不同放大增益的放大器Al到An中的一個，然後經過第二多路開關2選擇送給 輸出放大器，再由輸出放大器將放大後的信號送給模數轉換器。上述所述放大 器Al到An的放大增益從1到1024;當放大器選擇好後，放大電路總的放大增 益為Ain增益x Aout增益x (Al到An中選擇的;^文大器的增益) 數字控制模塊主要由控制單元、鎖存器、可預置數計數器及其他一些邏 輯控制電路組成。除控制單元和2 3 2接口外，其他部分電路可集成在一片F PGA即現場可編程邏輯晶片中。控制單元可以是D S P (數位訊號處理器) 或單片機晶片。整個增益控制電路的工作過程是這樣的計算機將分段延遲時間、增益數通過2 3 2接口送給控制單元，控制單元首先通過增益選擇輸出鎖存控制多路 開關1和2選擇起始的信號放大增益，同時將第一延遲時間值和第二延遲時間 值通過輸出鎖存器1和輸出鎖存器2分別送給可預置數計數器1和可預置數計 數器2。系統啟動數據採集後的同時，外界同步脈衝送到。此脈衝啟動計數器 l減計數工作，延遲時間為10納秒x時間值，當延遲時間到後，計數器l發出 歸零信號。歸零信號有幾個作用，首先它通過控制單元將下時段的一個增益值 打入增益選擇輸出，同時啟動計數器2，通過控制單元的中斷信號，通知它將下 一延遲時間值送給計數器1並將下一增益值準備好送給輸出鎖存控制的輸入端。 這樣以此類推，繼續下一個控制過程。當一道採集過程結束後，控制單元等待 下一個命令，以重複上面的過程。由於採樣速度達到20M即在50納秒內完成一 個樣點的採集，為了保證在IO納秒內完成放大器放大增益的切換，採用雙計數 器切換的方法進行定時控制，同時除了起始的信號放大增益值由控制單元打入 外，其餘的增益值都由計數器打入。
權利要求
1. 一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系統，所述系統包括激勵源、超聲波發射探頭、超聲波接收探頭、模數轉換器、放大器、中央信號處理和控制單元以及輸入/輸出外設單元；所述激勵源用於輸出高電壓窄脈衝驅動超聲波信號；所述超聲波發射探頭用於將高電壓窄脈衝信號轉換為超聲波信號發射給被測物體；所述超聲波接收探頭用於將接收到的超聲波信號轉換為電壓信號；所述放大器用於將超聲波接收探頭送出的電壓信號放大後輸入至模數轉換器變為數位訊號後輸入到中央信號處理和控制單元進行數據處理；其特徵在於所述系統還包括設置在信號激勵源中的可控調壓控制單元和設置在信號接收端的接收信號的增益控制單元；所述可控調壓控制單元用於根據不同的信號道集調節控制輸出脈衝信號的幅度大小；所述接收信號的增益控制單元用於對進入所述放大器中的接收到的不同的反射信號進行信號增益調節和時序控制，並將增益調節後的信號通過所述模數轉換器傳輸給中央信號處理及控制單元。
2. 根據權利要求1所述的一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系統，其 特徵在於所述的超聲波發射探頭和超聲波接收探頭是超聲波換能器，用於將 通過模數/數模轉換後的信號發射或接收；所述激勵源包括高電壓窄脈衝驅動信 號發生器。
3. 根據權利要求1所述的一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系統，其 特徵在於所述設置在信號激勵源中的可控調壓控制單元包括脈寬控制模塊、MCU模塊、高壓產生電路模塊、開關電路以及時鐘和電源模塊；所述脈寬控制模塊採用CPLD對高速時鐘源的精確計數，控制脈寬寬度以10ns精度為單位連續可調；包含RS232接口的所述MCU模塊接收中央信號處理和控制單元傳來的脈寬數據和幅度數據，並且輸出控制信號給高壓產生電路模塊和脈寬控制模塊，控制發射脈衝的幅度和寬度；所述高壓產生電路模塊用於產生連續可調的高壓；所述開關電路用於根據脈寬控制模塊輸出的時間寬度，控制輸出，與所述 超聲波發射探頭的頻率及阻抗等匹配；所述時鐘和電源模塊產生系統所需要的MCU驅動時鐘和CPLD計數時鐘； 電源模塊提供系統需要的全部低壓電源。
4. 根據權利要求1 - 3之一所述的一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系 統，其特徵在於所述設置在信號接收端的接收信號的增益控制單元包括模 擬通道模塊和數字控制模塊；所述模擬通道模塊包括模擬放大器組和多路開關組；所述接收信號經過超 聲波換能器後先經前置放大器Ain初步放大後輸入至多路開關，通過第一道多 路開關(1)根據要求選擇導通具有不同放大增益效能的放大器Al到An中的一 個，後經過第二道多路開關(2)根據要求選擇導通輸出放大器，由輸出放大器 A0UT將放大後的信號送給所述模數轉換器；所述數字控制模塊包括RS232接口的控制單元、鎖存器、可預置數計數器 及一組邏輯控制電路組成；當中央信號處理和控制單元將分段延遲時間、增益數通過2 3 2接口傳輸 給所述數字控制模塊中的控制單元，所述控制單元通過增益計算選擇輸出鎖存 並控制第一道多路開關(1)和第二道多路開關(2)選擇起始的信號放大增益， 同時所述控制單元將第一延遲時間值和第二延遲時間值通過第一輸出鎖存器 (1)和第二輸出鎖存器(2)分別送給第一可預置數計數器(1)和第二可 預置數計數器(2 )。
5. 根據權利要求4所述的一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系統，其 特徵在於所述放大器Al到An的放大增益比例從1到1024; 當放大器選擇好後，放大電路總的放大增益為 Ain增益x Aout增益x (Al到An中選擇的放大器的增益) 所述數字控制模塊除控制單元和2 3 2接口外，可包含在編程邏輯晶片中， 控制單元為D S P或單片機晶片。所述數字控制模塊除控制單元和2 3 2接口 外，可包含在編程邏輯晶片中，控制單元為D S P或單片機晶片。
6. 根據權利要求1 - 5所述的一種模擬超聲波地震信號物理激發和接收方法， 所述方法包括激勵源產生步驟、超聲波發射步驟、超聲波接收步驟、模數轉換 步驟、信號放大步驟、中央信號處理和控制步驟以及輸入/輸出步驟；所述激勵 源產生步驟用於輸出高電壓窄脈衝驅動超聲波信號；所述超聲波發射步驟用於 將高電壓窄脈衝信號轉換為超聲波信號發射給被測物體；所述超聲波接收步驟 用於將接收到的超聲波信號轉換為電壓信號；所述信號放大步驟和模數轉換步驟用於將超聲波接收步驟送出的電壓信號放大後輸入至模數轉換器變為數位訊號，然後輸入到中央信號處理和控制單元進行數據處理；其特徵在於所述方法中還包括在所述的激勵步驟中還包括可控調壓控 制步驟和在所述超聲波接收步驟前的接收信號的增益控制步驟；所述可控調壓 控制步驟用於根據不同的信號道集調節控制輸出脈衝信號的能量；所述接收信 號的增益控制步驟用於對進入所述放大器中的接收到的不同反射信號進行信號 增益調節和時序控制，並將增益調節後的信號通過所述模數轉換步驟傳輸給中央信號處理及控制步驟中進行數據處理。
7. 根據權利要求6所述的一種模擬超聲波地震信號物理激發和接收方法，其 特徵在於所述激勵源產生步驟包含高電壓窄脈衝驅動信號發生器；所述的超聲波發 射步驟和超聲波接收步驟中均包含超聲波換能器，用於將通過模數/數模轉換後 的信號發射或接收；所述模數轉換步驟中包含模數轉換器；信號放大步驟中包 含信號放大器、中央信號處理和控制步驟中包含的信號處理晶片；輸入/輸出步 驟包含輸入/輸入外設。
8. 根據權利要求6所述的一種模擬超聲波地震信號物理激發和接收方法，其 特徵在於所述可控調壓控制步驟包括脈寬控制過程、MCU控制過程、高壓產生過程、 開關控制過程以及時鐘和電源控制過程；所述脈寬控制過程採用CPLD對高速時鐘源的精確計數，控制脈寬寬度以10ns精度為單位連續可調；包含RS232接口的所述MCU控制過程接收中央信號處理和控制步驟傳來的 脈寬數據和幅度數據，並且輸出控制信號給高壓產生過程和脈寬控制過程，控 制發射脈衝的幅度和寬度；所述高壓產生控制過程用於產生連續可調的高壓；所述開關控制過程用於經過脈寬控制過程輸出的時間寬度，控制輸出，與 所述超聲波發射探頭的頻率及阻抗等匹配；所述時鐘控制過程用於產生系統所需要的MCU驅動時鐘和CPLD計數時鐘； 電源控制過程提供系統需要的全部低壓電源。
9. 根據權利要求6 - 8之一所述的一種模擬超聲波地震信號物理激發和接收方 法，其特徵在於所述接收信號的增益控制步驟包括模擬通道過程和數字控制過程；所述模擬通道過程包含模擬放大器組和多路開關組；所述接收信號經過超 聲波換能器後先經前置放大器Ain初步放大後輸入至多路開關，通過第一道多 路開關(1)根據要求選擇導通具有不同放大增益效能的放大器Al到An中的一 個，後經過第二道多路開關(2)根據要求選擇導通輸出放大器，由輸出放大器 將放大後的信號送給所述才莫數轉換器；所述數字控制過程包括RS232接口的控制單元、鎖存器、可預置數計數器 及一組邏輯控制電路組成；根據中央信號處理和控制步驟將分段延遲時間、增益數通過2 3 2接口傳 輸給所述數字控制過程中的控制單元，所述控制單元通過增益計算選擇輸出鎖存並控制第一道多路開關(1)和第二道多路開關(2)選擇起始的信號放大增 益，同時所述控制單元將第一延遲時間值和第二延遲時間值通過笫一輸出鎖存 器(1)和第二輸出鎖存器(2)分別送給第一可預置數計數器(1)和第二 可預置數計數器(2 )。
10.根據權利要求9所述的一種模擬超聲波地震信號物理激發和接收方法，其 特徵在於所述放大器Al到An的放大增益比例從1到1024; 當放大器選擇好後，放大電路總的放大增益為 Ain增益x Aout增益x (Al到An中選擇的放大器的增益) 所述控制單元為D S P或單片機晶片。
全文摘要
本發明一種模擬超聲波地震信號物理激發、接收系統及其方法。包括激勵源、超聲波發射探頭、超聲波接收探頭、模數轉換器、放大器、中央信號處理和控制單元以及輸入/輸出外設單元；還包括設置在信號激勵源中的可控調壓控制單元和設置在信號接收端的接收信號的增益控制單元。本發明對發射能量和接收增益進行定量化控制，以滿足實驗室複雜多層物理模型觀測的需要。即本發明一方面在激勵源中的增加了定量控制脈衝信號發射步驟和結構，使得對發射能量的高低幅度得以定量化控制，對於不同道信號，具體進行定量設定，另一方面在接收端中的放大器中增加了定量控制放大倍數的步驟和結構，解決了現有技術中精確度低以及接收信號失真的技術問題。
文檔編號G01V1/22GK101246640SQ20071006395
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月15日 優先權日2007年2月15日
發明者宗遐齡, 群 趙, 馬國慶 申請人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院