一种适用于地震勘探仪器的低运算量数字滤波器的设计与研究

论文摘要

石油是当前国际上最重要的资源,随着我国经济的不断发展,国内对于石油的需求量也逐步攀升,近年来我国消耗的石油有超过一半都来自国外进口。与石油需求增加相反的是,我国国内石油产量停滞不前,为了拓展石油储备,减少石油这种重要战略资源对国外的依存度,必须大力发展国内的石油勘探行业,以寻找新的油藏。目前已经很难在地质浅层发现易于开采的油气田,近年来陆续发现也不少储量客观的陆相海相油田,而地层深处的油藏以及分布在岩石缝隙的岩性储备依然还有很多未被发现。随着石油价格高涨,很多原来开采成本过高的油藏的价值也逐步显现出来,为了能够勘探出更深层的石油,同时加强对地下构造的精细结构的描绘,需要新一代的地震仪器肩负起高分辨高精度的任务。高分辨仪器的规模比常规仪器大了很多,采集节点数目会达到数十万个,此时系统野外部分的功耗成为了地震勘探仪器最重要的指标。基于地震法的勘探仪器是当今最重要的勘探手段,地震法的通过采用检波器采集地层中传播、反射、折射返回地表的人工震源产生的地震波,分析这些数据以得到地质的构造。当前国际主流的地震信号滤波器方案已经很成熟,性能优秀,广泛应用于万道量级及以下的勘探仪器中,能够满足采集需求。但当前地震勘探对于精细结构的勘测更加注重,采集节点众多,如何进一步通过设计降低芯片功耗是一个很有意义也是十分迫切的课题。我国近年在地震勘探仪器的设计方面已经取得了很多成绩,面临高分辨地震勘探仪器的设计时,如何设计出适合新需求的仪器是一项非常有实际意义的研究。数字滤波器是全数字地震勘探仪器采集节点中必不可少的一个组成部分,它的性能直接影响到采集到的地震信号的信噪比和谐波畸变等指标,设计出既能满足地震勘探数据分析和地震勘探仪器需求,又能兼顾数据运算量的地震数字滤波器是本文的设计目标。本论文的工作内容包括设计地震数字滤波器的结构和参数,并且初步实现和验证所提出的设计方案。文章主要分为五个部分:地震勘探的原理和地震仪器背景介绍、地震勘探分析和地震仪器对数字滤波器提出的要求、地震勘探仪器中的多级数字滤波器参数设计和仿真、实现方案的设计和分析、对本文的总结和在此滤波器设计基础上的后续工作展望。第一章从石油的战略意义出发,分析了国内外的石油需求,介绍了地震勘探的基本方法和原理,并阐述了当前最有效的地震勘探法和地震勘探仪器的发展历史和现状,说明了地震仪器中数字滤波器的作用。第二章的主要内容是通过对地震信号和地震仪器的分析来得出地震数字滤波器的设计需求。首先介绍了地层对地震波的影响,然后进一步介绍了地震子波的分类和性质,说明了地震信号中低频和高频部分的作用,最后分析了地震仪器的构造和及其发展方向。通过分析得出地震数字滤波器的高抽取、抗混叠、低功耗、低失真度等指标,并提出地震滤波器前端硬件抽取滤波和后端软件补偿滤波相结合的设计思路。第三章从前一章提出的地震数字滤波器的需求指标出发,提出了地震数字滤波器的多级结构,此系统的前端硬件抽取滤波器由5级CIC抽取滤波器、3级FIR抽取滤波器构成,后端软件补偿滤波器是一个高阶的FIR滤波器。前端滤波器的主要任务是高抽取和防混叠,后端滤波器的主要任务是补偿非平坦的通带响应,它们一起组成了线性相位的地震数字滤波器系统。通过计算了确定各级前端抽取滤波器参数,并通过幅频响应分析、正弦波仿真测试、脉冲响应测试验证前端抽取滤波器的性能;根据前端的通带响应特性,通过频率抽样法设计出后端补偿滤波器的系数。本章的最后通过与当前国外的设计方案的对比分析,说明了本文提出的设计在运算量方面的优势。第四章的内容是前端CIC滤波器和前端FIR滤波器的Verilog硬件描述语言的实现和仿真验证。为了能够尽可能低的降低运算量,前端FIR滤波器采用DSP结构实现基于多相分解的滤波算法,每一级FIR通过控制逻辑共用一个乘法器。乘法器设计采用中提出了一种可重载的CSD编码乘法器,能够大大降低单次乘法运算中的门翻转数。本章的最后通过FPGA验证了这个前端抽取滤波器系统的Verilog代码,并通过综合结果估算了滤波器所占用的资源面积。第五章是本论文内容的总结和展望,阐述了本论文的创新之处,并对在本论文基础上的后续工作提出建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地质勘探法和地震勘探仪器的发展
• 1.2.1 地质勘探法
• 1.2.2 地震勘探仪器的发展
• 1.3 地震勘探中的数字滤波器
• 1.4 论文的结构安排
• 第2章 地震勘探对滤波器的要求
• 2.1 地震信号的特点及其对滤波器设计的要求
• 2.1.1 地震波的传播
• 2.1.1.1 反射波法和地震波的基本方程
• 2.1.1.2 地震波的传播和球面扩散
• 2.1.1.3 体波和面波
• 2.1.2 地震分辨率准则
• 2.1.2.1 横向分辨率极限准则
• 2.1.2.2 纵向分辨率极限准则
• 2.1.3 地震子波
• 2.1.3.1 地震子波的分类
• 2.1.3.2 Ricker 子波
• 2.1.4 高分辨勘探的需求
• 2.1.4.1 不同频段信号对于地层的反映能力
• 2.1.4.2 信噪比和道检距对高分辨的影响
• 2.2 地震仪器对于滤波器设计的要求
• 2.2.1 地震仪器的结构
• 2.2.2 地震仪器中的采集节点
• 2.2.3 地震仪器中的传输设计
• 2.3 当前的地震数字滤波器实现方案分析
• 2.4 滤波器结构设计
• 2.4.1 地震信号和地震仪器的需求总结
• 2.4.2 地震勘探中的数字滤波器结构设计
• 第3章 地震信号滤波器设计
• 3.1 抽取滤波器的设计要点
• 3.1.1 抽取和插值
• 3.1.2 设计抽取滤波器时的考虑
• 3.1.3 地震抽取滤波器系统的结构设计
• 3.2 CIC 滤波器的结构与设计方法
• 3.2.1 CIC 滤波器的结构
• 3.2.2 前端五级CIC 滤波器的设计
• 3.2.2.1 前端CIC1 设计
• 3.2.2.2 前端CIC2 设计
• 3.2.2.3 前端CIC3 设计
• 3.2.2.4 前端CIC4 设计
• 3.2.2.5 前端CIC5 设计
• 3.3 FIR 滤波器的结构与设计方法
• 3.3.1 FIR 滤波器的结构
• 3.3.1.1 直接型FIR
• 3.3.1.2 级联型FIR
• 3.3.1.3 多相分解型FIR
• 3.3.1.4 线性相位FIR
• 3.3.2 地震FIR 滤波器设计方法
• 3.3.2.1 FIR 滤波器的窗函数设计法
• 3.3.2.2 FIR 滤波器的等同纹波设计法
• 3.3.2.3 FIR 滤波器的频率抽样设计法
• 3.4 地震FIR 滤波器的系数量化问题
• 3.5 前端抽取FIR 滤波器参数设计
• 3.5.1 抽取FIR1 滤波器系数设计
• 3.5.2 抽取FIR2 滤波器系数设计
• 3.5.3 抽取FIR3 滤波器系数设计
• 3.6 前端滤波器性能仿真
• 3.6.1 正弦波仿真测试
• 3.6.2 脉冲响应仿真测试
• 3.7 后端补偿滤波器FIR4 的设计
• 3.8 地震滤波器运算量分析
• 第4章 前端抽取滤波器的实现与分析
• 4.1 CIC 滤波器的实现
• 4.1.1 CIC 滤波器的实现结构和数据截断问题
• 4.1.2 CIC 实现结构
• 4.1.3 仿真结果
• 4.2 FIR 滤波器的实现
• 4.2.1 乘法器的实现方法
• 4.2.1.1 并行乘法器
• 4.2.1.2 迭代乘法器
• 4.2.1.3 Booth 编码乘法器
• 4.2.1.4 CSD 算法
• 4.2.2 可重载系数的CSD 编码乘法器的设计与实现
• 4.2.2.1 乘法器迭代结构
• 4.2.2.2 有符号的乘法器设计
• 4.2.3 FIR 中的数据截断和精度
• 4.2.3.1 增益设计和三级FIR 结构
• 4.2.3.2 乘法器输出的截断误差分析
• 4.2.4 DSP 方式的FIR 滤波器实现
• 4.2.4.1 基于多相分解法的DSP 算法设计
• 4.2.4.2 FIR 模块的实现
• 4.2.5 仿真结果
• 4.3 占用资源的分析与估计
• 4.3.1 FPGA 内部资源结构
• 4.3.2 设计的综合结果
• 4.3.3 综合结果的面积估算
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 工作中的创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与参与的科研项目