本發(fā)明涉及一種地震檢波器，特別涉及一種閉環(huán)數(shù)字加速度檢波器，主要用于石油、天然氣、煤炭已經(jīng)其它礦物質(zhì)的勘探設(shè)備。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)動圈式檢波器已經(jīng)在地震勘探數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用幾十年了，然而，它在共振頻率以下每倍頻程有12db的衰減。如圖1中a曲線所示，以最為普遍應(yīng)用的10hz檢波器為例，當(dāng)頻率降到1hz時(shí)，已經(jīng)有40db的衰減；相位從35度變化到160度，存在嚴(yán)重的非線性。另外它有比較高的諧波失真（0.1%）。

為了克服以上的缺點(diǎn)，人們研發(fā)出了mems數(shù)字檢波器。mems檢波器有比較好的性能，比如通頻帶可以做到dc到375hz；比較小的諧波失真（-90db）。然而，mems數(shù)字檢波器價(jià)格昂貴，不能與第三方數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兼容以及易于損壞的缺點(diǎn)成為它不能被廣泛應(yīng)用不可跨越的障礙。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，為地震勘探提供一種性能指標(biāo)高，價(jià)格較低，工作穩(wěn)定可靠的閉環(huán)數(shù)字加速度檢波器。

本發(fā)明提到的一種閉環(huán)數(shù)字加速度檢波器，其技術(shù)方案是：包括40hz動圈式檢波器、前置放大器和四階積分器、反饋系統(tǒng)、數(shù)字降頻濾波，其中，40hz動圈式檢波器包括檢波器傳遞函數(shù)和動圈傳遞函數(shù)，檢波器傳遞函數(shù)是把振動的加速度信號變?yōu)樗俣刃盘?，是一個一階積分器；動圈傳遞函數(shù)是把速度信號轉(zhuǎn)換成電信號；

前置放大器是把輸入電信號調(diào)整到合適的大小來保證信噪比；

四階積分器的輸出是一個一位數(shù)字信號，作為反饋系統(tǒng)的控制開關(guān)同時(shí)也是數(shù)字濾波器的輸入信號；

反饋系統(tǒng)的輸入是一位數(shù)據(jù)流，輸出是加速度反饋輸出；

降頻數(shù)字濾波器包括多級濾波，經(jīng)過多級濾波處理后，輸出的低頻端可以到0.1nhz，而且在10nhz以上為零相位。

優(yōu)選的，上述的降頻數(shù)字濾波器包括三級：第一級為cic濾波器（cicdecimation），第二級(ti_filter_a)，第三級(ti_filter_b)和第四級fir濾波器。

優(yōu)選的，上述的第四級濾波器包括兩種：線性相位輸出(ti_filter_c和ti_filter_e)和最小相位輸出（ti_filter_d和ti_filter_f）。

優(yōu)選的，上述的反饋系統(tǒng)包括周期控制器（periodcontroller）,電壓控制器（voltagecontroller）,線圈等效電路（subsystem）,和反饋加速度輸出單元，反饋系統(tǒng)是一個分時(shí)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對檢波器線圈電壓、電流的平衡控制，在感知時(shí)間內(nèi)，反饋回路不會對感知電壓造成影響。

優(yōu)選的，上述的周期控制器的傳遞函數(shù)的輸入為一位數(shù)據(jù)流（bitstream）和一個計(jì)數(shù)器（counterlimited），傳遞函數(shù)的輸出是三個狀態(tài)控制信號，計(jì)數(shù)器的輸出為0到63反復(fù)循環(huán)，前10個狀態(tài)【0到9】為復(fù)位狀態(tài)，接下來的28個狀態(tài)【10到37】為電感充電狀態(tài)，剩下的26個狀態(tài)【38到63】為電感放電狀態(tài)。

優(yōu)選的，上述的電感線圈的電壓控制器有四個輸入，分別是復(fù)位狀態(tài)(p_rz=1)，前半個周期（p_firsthalf=1）（電感充電周期），后半個周期（p_secondhalf=1）（電感放電周期），和充放電電壓（vf）；在復(fù)位時(shí)間段，線圈兩端同時(shí)接地，在前半個周期，線圈的兩端分別接+vf和-vf,這時(shí)線圈內(nèi)的電流逐漸增大，在后半個周期，線圈兩端的電壓反向，這時(shí)線圈內(nèi)的電流逐漸減小。

優(yōu)選的，上述的線圈等效電路包括等效直流電阻r1、等效直流電阻r2，等效電感l(wèi)1、等效電感l(wèi)2，線圈各匝之間的分布電容c1，分布電容c2。

優(yōu)選的，上述的加速度反饋單元的輸入為流過檢波器線圈的電流，輸出為質(zhì)量塊的加速度。

優(yōu)選的，檢波器輸出的通頻帶寬主要取決于系統(tǒng)噪聲的要求，在幅值域從0.1nhz一直平坦到64khz，相位域從10nhz起為0相位。

優(yōu)選的，線圈位移和諧波失真仿真的整體諧波失真小至-160db，五階deltasigma的第二節(jié)點(diǎn)頻率在1200hz，在1500hz時(shí)，噪聲小于-170dbng/rthz。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于五階deltasigma模數(shù)轉(zhuǎn)換模型和傳統(tǒng)動圈檢波器的閉環(huán)數(shù)字檢波器；其中動圈檢波器為五階deltasigma模型中的一階；反饋回路是一個分時(shí)系統(tǒng)，在一個反饋周期內(nèi)反饋電壓反向。本發(fā)明閉環(huán)數(shù)字檢波器具有很高的各項(xiàng)指標(biāo)且成本大大下降，通頻帶寬主要取決于系統(tǒng)噪聲的要求，在幅值域從0.1nhz一直平坦到64khz，相位域從10nhz起為0相位；線圈位移和諧波失真仿真的整體諧波失真非常小（-160db），五階deltasigma的第二節(jié)點(diǎn)頻率在1200hz，在1500hz時(shí)，它的噪聲小于-170dbng/rthz（10ng/rthz）；

本發(fā)明為地震勘探提供一種性能指標(biāo)高，價(jià)格較低，工作穩(wěn)定可靠的閉環(huán)數(shù)字加速度檢波器。

附圖說明

附圖1是現(xiàn)有技術(shù)的檢波器的曲線圖；

附圖2是本發(fā)明的電路連接示意圖；

附圖3是動圈（coil）傳遞函數(shù)是把速度信號轉(zhuǎn)換成電信號的示意圖；

附圖4是降頻數(shù)字濾波器的連接示意圖；

附圖5是降頻數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)曲線圖；

附圖6是反饋控制系統(tǒng)的示意圖；

附圖7是線圈的等效電路圖；

附圖8是檢波器機(jī)芯線圈內(nèi)的電流變化波形圖；

附圖9是線圈位移結(jié)果示意圖；

附圖10是諧波失真仿真示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本新發(fā)明的閉環(huán)加速度檢波器結(jié)構(gòu)包括：

1.傳統(tǒng)40hz動圈式檢波器（geophonetransferfunction和coil）

geophonetransferfunction(檢波器傳遞函數(shù))是把振動的加速度信號變?yōu)樗俣刃盘枺且粋€一階積分器。它的頻率特征曲線如1所示。之所以選擇比較高的共振頻率是為了提高它的假頻，使之在通頻帶以外。另外可以保證檢波器適合野外的惡劣施工環(huán)境，保證它的使用壽命。

coil傳遞函數(shù)是把速度信號轉(zhuǎn)換成電信號

當(dāng)大地震動時(shí)，永久磁鐵隨大地一起振動。動圈因?yàn)閺椈傻挠绊懕３钟o止?fàn)顟B(tài)，這樣線圈和磁鐵之間產(chǎn)生相對運(yùn)動。檢波器內(nèi)的磁力線分布和磁場強(qiáng)度分別如下圖所示。線圈和磁鐵的相對運(yùn)動引起線圈切割磁力線，在線圈的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電動勢的大小由公式一得出。

（1）

v：感應(yīng)電動勢、b：檢波器內(nèi)的磁場強(qiáng)度、l：線圈導(dǎo)線長度、u：線圈和磁鐵之間的相對運(yùn)動速度

其中：被稱之為動圈式檢波器的靈敏度。靈敏度是業(yè)內(nèi)追求的一個重要指標(biāo)。從公式（1）可以看出，要提高靈敏度有兩種辦法：一是提高磁感應(yīng)強(qiáng)度，二是增加線圈的導(dǎo)線長度。不管怎樣，都會改變動圈質(zhì)量體的質(zhì)量，從而改變系統(tǒng)的其它參數(shù)。所以，要把檢波器看成一個系統(tǒng)，一個各項(xiàng)指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)的比較復(fù)雜的系統(tǒng)。

2.前置放大器（frontendamplifer）和四階積分器（rmod）

前置放大器（frontendamplifer）的作用是把輸入電信號調(diào)整到合適的大小來保證信噪比。四階積分器（romod）的輸出是一個一位數(shù)字信號，作為反饋系統(tǒng)的控制開關(guān)同時(shí)也是數(shù)字濾波器的輸入信號。

其具體參數(shù)如下：a1=28;a2=9;a3=.5;a4=.5;a5=1.66667;b0=.3;b1=.030303;k1=3.33334;k2=.1;k3=.01666667;計(jì)算方法參照deltasigmatoolbox。

3.反饋系統(tǒng)（feedbacksystem）

反饋系統(tǒng)的輸入是一位數(shù)據(jù)流，它的輸出是加速度反饋輸出。

4.數(shù)字降頻濾波（decimationdigitalfilter）

參照附圖4，降頻數(shù)字濾波器包括三級：第一級為cic濾波器（cicdecimation），第二級(ti_filter_a)，第三級(ti_filter_b)和第四級fir濾波器。第四級濾波器又包括兩種：線性相位輸出(ti_filter_c和ti_filter_e)和最小相位輸出（ti_filter_d和ti_filter_f）。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，整個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線如圖5所示，我們可以看出低頻端可以到非常低的0.1nhz，而且在10nhz以上為零相位。

本發(fā)明的閉環(huán)數(shù)字加速度檢波器就其整體結(jié)構(gòu)而言是一個基于五階deltasigma數(shù)學(xué)模型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其中一階是由檢波器的物理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，其它四階是用電路來實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明的第二方面在于閉環(huán)數(shù)字加速度檢波器的反饋控制系統(tǒng)。它是一個分時(shí)控制系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)對檢波器線圈電壓、電流的平衡控制。在感知時(shí)間內(nèi)，反饋回路不會對感知電壓造成影響。

反饋控制系統(tǒng)包括周期控制器（periodcontroller）,電壓控制器（voltagecontroller）,線圈等效電路（subsystem）,和反饋加速度輸出單元，如圖6所示。

周期控制器的傳遞函數(shù)的輸入為一位數(shù)據(jù)流（bitstream）和一個計(jì)數(shù)器（counterlimited）。它的輸出是三個狀態(tài)控制信號。計(jì)數(shù)器的輸出為0到63反復(fù)循環(huán)。前10個狀態(tài)（0到9）為復(fù)位狀態(tài)，接下來的28個狀態(tài)（10到37）為電感充電狀態(tài)，剩下的26個狀態(tài)（38到63）為電感放電狀態(tài)。前后兩個狀態(tài)周期不一樣是因?yàn)殡姼械某浞烹妳?shù)不同。

電感線圈的電壓控制器有四個輸入，分別是復(fù)位狀態(tài)(p_rz=1)，前半個周期（p_firsthalf=1）（電感充電周期），后半個周期（p_secondhalf=1）（電感放電周期），和充放電電壓（vf）。在復(fù)位時(shí)間段，線圈兩端同時(shí)接地。在前半個周期，線圈的兩端分別接+vf和-vf,這時(shí)線圈內(nèi)的電流逐漸增大。在后半個周期，線圈兩端的電壓反向。這時(shí)線圈內(nèi)的電流逐漸減小。線圈的等效電路如圖7所示。

r1,r2是線圈的等效直流電阻。l1，l2是線圈的等效電感。c1和c2是線圈各匝之間的分布電容。其值是根據(jù)傳統(tǒng)檢波器的測試獲得。r1=r2=375歐姆，l1=l2=17mh。c1=c2=400pf。r3只是為了消除系統(tǒng)的奇異而加入的。我們選擇r3=1n歐姆。

檢波器機(jī)芯線圈內(nèi)的電流變化波形如圖8所示，感知周期要設(shè)定在電流為零的時(shí)間段。

加速度反饋單元的輸入為流過檢波器線圈的電流，輸出為質(zhì)量塊的加速度。因?yàn)槁鍌惼澚Φ拇笮〉扔跈z波器的靈敏度乘以流過線圈的電流，加速度等于洛倫茲力除以質(zhì)量體的質(zhì)量。所以加速度反饋單元的為一固定增益：靈敏度/線圈的質(zhì)量。

本發(fā)明閉環(huán)數(shù)字檢波器具有很高的各項(xiàng)指標(biāo)：

通頻帶寬主要取決于系統(tǒng)噪聲的要求，在幅值域從0.1nhz一直平坦到64khz。相位域從10nhz起為0相位。

線圈位移和諧波失真仿真結(jié)果圖9和圖10所示。因?yàn)榫€圈的最大位移小于10nm,故它的整體諧波失真非常?。?160db）。五階deltasigma的第二節(jié)點(diǎn)頻率在1200hz，在1500hz時(shí)，它的噪聲小于-170dbng/rthz（10ng/rthz）。

以上所述，僅是本發(fā)明的部分較佳實(shí)施例，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員均可能利用上述闡述的技術(shù)方案加以修改或?qū)⑵湫薷臑榈韧募夹g(shù)方案。因此，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所進(jìn)行的任何簡單修改或等同置換，盡屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。