海洋可控源电磁信号模拟发生器

1.本发明是关于海洋地球物理仪器开发技术领域，特别是关于一种海洋可控源电磁信号模拟发生器。


背景技术：

2.海洋可控源电磁法(controlled-source electromagnetic,csem)属于海洋电法的分支方法，面向深水油气勘探、水合物调查、地质构造研究等应用领域。其物性基础是高阻的油气或水合物等目标储层相比周边低阻沉积层介质具有较大的电阻率差异。其工作原理是采用船载可移动水平电偶极子源置于近海底发射电磁波，电磁波在非均匀的海底介质传播时发生折射或反射，阵列置于海底的电磁接收机测量来自海底地层的电磁场信号，该信号携带地层电性信息，通过对接收到的电磁场信号进行数据处理，反演解释得到海底地层的电阻率分布模型，借助电阻率与储层含油气饱和度的对应关系，用于直接探测海底地层下的含油气性，从而为油气藏井位布置提供电性依据。该方法相比传统的大地电磁方法具有高阻异常识别灵敏、分辨率高、抗干扰能力强等诸多优点，是近年来新兴的海洋地球物理勘探方法，在油气资源勘查领域取得显著成果。
3.海底电磁接收机用于海洋可控源电磁方法海上数据采集，主要由电场传感器、磁场传感器、数据采集舱、声学释放装置、玻璃浮球、水泥块和框架组成。海上作业过程如下：
4.1、当到达预定工区后，对接收机配置参数、gps授时，投放至水中；
5.2、自由下沉至海底采集可控源电磁信号；
6.3、采集结束后，发送水声信号，定位并释放装置熔断钢丝绳，甩掉水泥块的负重上浮；
7.4、上浮至水面后，打捞仪器并下载数据；
8.5、现场数据预处理；
⑥
室内资料处理及反演解释。
9.海底电磁接收机开发过程中，需经过室内测试、码头测试、海上测试三个步骤，其中室内测试主要评估仪器的信号采集功能和水声释放功能，信号采集功能包括本底噪声、功耗、带宽、量程、动态范围、时间同步精度、功耗等，释放功能包括测距、电腐蚀开关等功能；码头测试主要开展浮力配平、水声释放功能测试等；海上开展数据采集、释放回收等功能测试。受限于海上作业成本高，尽可能在室内条件下开展全部功能的评估与测试。然而室内条件下难以模拟海上实际条件，无法完成全部功能的测试。海上实测信号具有幅度调制、时间同步要求高、多频合成或单频、动态范围大的特征，现有的商用任意波形发生器虽可以编辑任意波形，但是在内部存储长度、动态范围、时间同步精度方面无法达到海洋可控源电磁信号测试要求。因此，结合海底电磁接收机室内测试要求，开发一种具备幅度调制、时间同步、多频合成或单频、动态范围大的信号发生器，模拟海上实际海洋可控源电磁信号特征，在室内条件下加速海底电磁接收机的功能评估。
10.以泰克的afg1022型号信号发生器为例，其内存深度为1m采样点，而实际可控源测试时，一般单循环工作时间长4小时，采样率150hz，采样点至少为2m以上；afg1022的信号幅
度分辨率为14位精度，而实际可控源测试为24位精度；afg1022仅支持外部同步信号，不支持gps时间同步。综上，在面对可控源电磁信号测试需求时，现有商用信号发生器在存储深度、动态范围、时间同步方面存在不足。
11.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

12.本发明的目的在于提供一种海洋可控源电磁信号模拟发生器，结构简单合理，可以输出精准时间戳、幅度调制、多频合成或单频电压波形，模拟海上可控源电磁信号，为海底电磁接收机的室内信号采集功能测试提供了解决办法。
13.为实现上述目的，本发明提供了一种海洋可控源电磁信号模拟发生器，包括：壳体、时间电路、控制电路、斩波电路、放大电路以及电源电路。时间电路设置于壳体内。控制电路设置于壳体内，且控制电路与时间电路电性连接。斩波电路设置于壳体内，且斩波电路与控制电路电性连接。放大电路设置于壳体内，且放大电路与斩波电路电性连接。以及电源电路设置于壳体内，电源电路分别与时间电路、控制电路、斩波电路和放大电路电性连接。其中，时间电路用以提供时间同步信息。其中，控制电路在时间电路的触发下，生成具有时间戳的斩波时钟信号，且斩波时钟信号驱动斩波模块，输出双极性电压。其中，放大电路用以对双极性电压进行放大或减小信号幅值，从而实现信号低阻抗输出。
14.在本发明的一实施方式中，电源电路用以分别向所述时间电路、所述控制电路、所述斩波电路和所述放大电路提供低噪声电源。
15.在本发明的一实施方式中，时间电路包括gps和tcxo温度补偿晶振，所述gps用以为所述时间电路提供时间信息及pps秒脉冲，且所述tcxo温度补偿晶振用以为所述gps提供系统时钟。
16.在本发明的一实施方式中，控制电路包括mcu和cpld，所述mcu在所述时间电路的所述gps的触发下控制所述cpld生成带有时间戳的斩波时钟信号并且进行信号分频、频率合成和pps触发。
17.在本发明的一实施方式中，控制电路还包括tf模块，所述tf模块与所述mcu电性连接，且所述tf模块用以存储工作参数，工作参数包括频率、波形、调幅幅度、调幅周期等。
18.在本发明的一实施方式中，斩波电路包括斩波模块和dac，所述斩波模块由所述cpld生成的带有时间戳的所述斩波时钟信号所驱动，且所述斩波时钟信号和dac产生的参考电压信号经所述斩波电路输出，从而得到与所述斩波时钟信号频率相同的双极性电压信号。
19.在本发明的一实施方式中，cpld用以配置所述dac，且所述dac用以控制所述参考电压信号的峰峰值。
20.在本发明的一实施方式中，电源电路包括锂电池和dc/dc转换器，所述锂电池经所述dc/dc转换器转换后分别向所述时间电路、所述控制电路、所述斩波电路和所述放大电路提供低噪声电源。
21.与现有技术相比，根据本发明的海洋可控源电磁信号模拟发生器，结构简单合理，可以输出精准时间戳、幅度调制、多频合成或单频电压波形，模拟海上可控源电磁信号，为
海底电磁接收机的室内信号采集功能测试提供了解决办法。
附图说明
22.图1是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的线框结构示意图；
23.图2是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的调幅波形示意图；
24.图3是图2的局部放大图；
25.图4是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的单频方波波形示意图；
26.图5是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的单频方波频谱示意图；
27.图6是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的多频合成波形1波形示意图；
28.图7是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的多频合成波形1频谱示意图；
29.图8是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的多频合成波形2波形示意图；
30.图9是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的多频合成波形2频谱示意图；
31.图10是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的信号经斩波器电路和放大电路的波形示意图；
32.图11是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的软件操作流程示意图。
33.主要附图标记说明：
34.1-时间电路，2-控制电路，3-斩波电路，4-放大电路，5-电源电路。
具体实施方式
35.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
36.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
37.图1是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的线框结构示意图。如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种海洋可控源电磁信号模拟发生器，包括：壳体、时间电路1、控制电路2、斩波电路3、放大电路4以及电源电路5。时间电路1设置于壳体内。控制电路2设置于壳体内，且控制电路2与时间电路1电性连接。斩波电路3设置于壳体内，且斩波电路3与控制电路2电性连接。放大电路4设置于壳体内，且放大电路4与斩波电路3电性连接。以及电源电路5设置于壳体内，电源电路5分别与时间电路1、控制电路2、斩波电
路3和放大电路4电性连接。其中，时间电路1用以提供时间同步信息。其中，控制电路2在时间电路1的触发下，生成具有时间戳的斩波时钟信号，且斩波时钟信号驱动斩波模块，输出双极性电压。其中，放大电路4用以对双极性电压进行放大或减小信号幅值，从而实现信号低阻抗输出。
38.在本发明的一实施方式中，电源电路5用以分别向所述时间电路1、所述控制电路2、所述斩波电路3和所述放大电路4提供低噪声电源。时间电路1包括gps和tcxo温度补偿晶振，所述gps用以为所述时间电路1提供时间信息及pps秒脉冲，且所述tcxo温度补偿晶振用以为所述gps提供系统时钟。
39.在本发明的一实施方式中，控制电路2包括mcu和cpld，所述mcu在所述时间电路1的所述gps的触发下控制所述cpld生成带有时间戳的斩波时钟信号并且进行信号分频、频率合成和pps触发。控制电路2还包括tf模块，所述tf模块与所述mcu电性连接，且所述tf模块用以存储工作参数，工作参数包括频率、波形、调幅幅度、调幅周期等。
40.在本发明的一实施方式中，斩波电路3包括斩波模块和dac，所述斩波模块由所述cpld生成的带有时间戳的所述斩波时钟信号所驱动，且所述斩波时钟信号和dac产生的参考电压信号经所述斩波电路3输出，从而得到与所述斩波时钟信号频率相同的双极性电压信号。
41.在本发明的一实施方式中，cpld用以配置所述dac，且所述dac用以控制所述参考电压信号的峰峰值。电源电路5包括锂电池和dc/dc转换器，所述锂电池经所述dc/dc转换器转换后分别向所述时间电路1、所述控制电路2、所述斩波电路3和所述放大电路4提供低噪声电源。
42.在实际应用中，本发明的海洋可控源电磁信号模拟发生器具有输出精确时间戳、幅度调制、多频合成或单频电压信号的功能。详细来说，海洋可控源电磁信号模拟发生器集成时间电路1、控制电路2、斩波电路3、放大电路4、电源电路5等模块组成。使用时，先设置模拟发生器的工作参数，包括信号输出幅值范围、波形频率选择、调幅时间常数等；时间电路1提供时间同步信息；控制电路2在时间电路1的触发下，生成具有时间戳的斩波时钟信号；斩波时钟信号驱动斩波模块，输出双极性电压；放大电路4进一步放大或减小信号幅值，实现信号低阻抗输出；电源电路5为各模块提供低噪声电源。
43.幅度调制方面：在设置信号的极值后，将输出单频方波或多频合成波的峰值进行调制，从最大值逐渐衰减到最小值，到达最小值再逐渐增大到最大值，循环往复。增大或衰减的时间间隔可设，根据循环周期计算得到。
44.时间同步方面：借助gps授时，自动根据当前时间和幅度调制循环时间表，计算得到当前幅度调制的幅值。
45.频率设计方面：单频信号即为方波信号，由基频和多个基次谐波组成，波形简单，不足是谐波成分能量低，高频成分衰减迅速，导致地层探测分辨率低。多频合成波形根据伪随机信号原理，在波形峰值不变的情况下，含有多个频率成分，且各频点能量分布均匀，具有探测分辨率高、作业效率高的优势。
46.在一优选实施例中，海洋可控源电磁信号模拟发生器由时间电路1、控制电路2、斩波电路3、放大电路4、电源电路5组成。时间电路1获取时间同步信息，其中gps为电路提供时间信息及pps秒脉冲，tcxo温度补偿晶振为gps提供系统时钟；控制电路2中mcu在时间电路1
中gps的触发下控制cpld生成带有时间戳的斩波时钟信号并且进行信号分频、频率合成、pps触发，cpld配置dac，mcu还具有tf卡存储功能，用于存储工作参数；斩波电路3中斩波模块由cpld生成的斩波时钟信号所驱动，斩波时钟信号和dac产生的参考电压信号经斩波器输出，得到与斩波时钟信号频率相同的双极性电压信号，dac控制ref信号的峰峰值；放大电路4进一步衰减信号幅值，实现信号低阻抗输出；电源电路5为各模块提供低噪声电源，其中锂电池经dc/dc转换器转换后给整个电路供电。
47.图2是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的调幅波形示意图。图3是图2的局部放大图。如图2至图3所示，以单频方波为例，用斩波时钟信号和参考电压信号叠加生成调幅波来模拟海洋电磁信号，通过改变参考电压来调整调幅波的峰峰值。假设设置调幅波最大为2vpp，最小为2μvpp，循环周期为4hr，上升时间为2hr。图2为调幅波，图3为局部放大图。
48.图4是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的单频方波波形示意图。图5是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的单频方波频谱示意图。图6是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的多频合成波形1波形示意图。图7是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的多频合成波形1频谱示意图。图8是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的多频合成波形2波形示意图。图9是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的多频合成波形2频谱示意图。
49.如图4至图9所示，给出了单频方波与多频合成波形的时域波形和频谱图，频点与幅值对比表见下述表1，可看出单频方波和多频合成的方波的频谱图比现有任意波形发生器所产生的电磁波信号的频点分布均匀，产生的按基频(f1,f2,f3,f4
…
)分布的频点；在总能量不变的情况下，各频点总幅值更大且分布更均匀。
50.表1单频方波与多频合成波形的频点与幅值对比表
51.[0052][0053]
图10是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的信号经斩波器电路和放大电路4的波形示意图。如图10所示，首先由斩波时钟信号驱动斩波模块，然后经cpld产生的具有时间戳的斩波时钟信号和经dac产生的参考电压信号通过斩波器输出得到与斩波时钟信号频率相同的双极性电压信号，并根据方法要求进行特定比例的幅度衰减与限带。
[0054]
图11是根据本发明一实施方式的海洋可控源电磁信号模拟发生器的软件操作流程示意图。如图11所示，开机启动后，进行gps同步，下一步读取tf卡中的工作参数，然后配置波形参数，包括选择频点、计算时间表(包括有多少个循环和循环时间以及选择波形)、设置dac、设置调幅参数，最后输出循环波形，循环输出。
[0055]
总之，本发明的海洋可控源电磁信号模拟发生器，结构简单合理，可以输出精准时间戳、幅度调制、多频合成或单频电压波形，模拟海上可控源电磁信号，为海底电磁接收机的室内信号采集功能测试提供了解决办法。
[0056]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0057]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程
图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0058]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0059]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0060]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。