高分辨率無線分布式淺層地震儀的設(shè)計(jì)

?

高分辨率無線分布式淺層地震儀的設(shè)計(jì)

0引言

地震法是地球物理勘探中的重要方法之一，該方法基于地層和巖石的彈性差異，通過觀測(cè)人工震源發(fā)出的波在不同彈性分界面上產(chǎn)生的反射、折射和透射現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)地下地質(zhì)體的探測(cè)[1]。近年來，我國在高鐵、高速公路、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的投資，這使得淺層目標(biāo)的探測(cè)越來越受到重視。淺層地震法是該方法的主要探測(cè)手段[2,3]。

在淺層地震法中，由于受到人工震源功率的限制，遠(yuǎn)端檢波器所接收到的信號(hào)通常非常微弱，因此要求儀器具有大動(dòng)態(tài)范圍(大于100 dB)的特點(diǎn)。此外，高鐵地基的探查往往要求儀器具有較高的分辨率，故要求儀器具備多通道(48道、72道等)采集的能力，而目前大多數(shù)傳統(tǒng)淺層地震儀采用的是集中式有線測(cè)量形式，這一類儀器通常體積較大且笨重，難以實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量?；诖?，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種能夠?qū)Φ卣鸩ㄟM(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍高精度采集，并利用WiFi技術(shù),實(shí)現(xiàn)多通道無線分布式測(cè)量的淺層地震儀設(shè)計(jì)方案，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)淺層地震波信號(hào)的特點(diǎn)，儀器的整體方案如圖1所示，主要分為檢波器陣列、分布式采集站、控制終端、PC這4部分。檢波器陣列中的每4個(gè)檢波器由一個(gè)采集站控制，以進(jìn)行地震波信號(hào)的高精度同步采集，并通過內(nèi)置GPS模塊實(shí)現(xiàn)自定位，以便于后期數(shù)據(jù)的處理和反演，而采集站之間的同步是利用GPS和恒溫晶振來實(shí)現(xiàn)的。所有的采集站利用內(nèi)置的WiFi通信模塊和控制終端組建一個(gè)WiFi無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無線分布式測(cè)量。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是便于在不更改儀器硬件配置的情況下，靈活地根據(jù)探測(cè)需求進(jìn)行采集道數(shù)的調(diào)整。控制終端實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過USB接口上傳至PC，而PC主要完成整個(gè)儀器系統(tǒng)的控制，并實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW軟件的人機(jī)交互控制。

圖1　儀器整體結(jié)構(gòu)圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1檢波器

地震檢波器通常埋在地表，可將地震波的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電路可測(cè)的電信號(hào)[4]。檢波器一般分為動(dòng)圈式和壓電式。壓電式多用于海上地震勘探；動(dòng)圈式主要用于陸地探測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、靈敏度高等特點(diǎn)[5]。因此，本設(shè)計(jì)選擇動(dòng)圈式檢波器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)地面引起機(jī)械振動(dòng)時(shí)，磁鐵會(huì)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得線圈切割磁力線。這時(shí)，線圈中相應(yīng)地產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化電壓信

號(hào)。由于淺層的信息主要集中在聲波的高頻段，因此應(yīng)盡可能選用高頻檢波器。本設(shè)計(jì)采用重慶地質(zhì)儀器廠的CDJ-Z/P100型檢波器。

圖2　動(dòng)圈式檢波器結(jié)構(gòu)圖

2.2采集站

單個(gè)采集站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由數(shù)據(jù)采集板、控制與通信板、內(nèi)置電池組成。數(shù)據(jù)采集板完成信號(hào)的調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，控制與通信板主要實(shí)現(xiàn)采集站的控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳。

圖3　采集站結(jié)構(gòu)圖

2.2.1數(shù)據(jù)采集板

數(shù)據(jù)采集板由信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字隔離芯片、低噪聲電源組成。信號(hào)調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　采集站信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖

在野外進(jìn)行淺層地震信號(hào)的采集過程中，由于檢波器輸出的微弱信號(hào)容易受到通信電磁波、市電、雜散電流等各種因素的干擾，因此在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前應(yīng)進(jìn)行放大和濾波，以提高信號(hào)的信噪比。

由于檢波器輸出的信號(hào)較微弱，因此可首先利用TI公司的儀表放大器INA129作為前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。該放大器的優(yōu)點(diǎn)是不僅噪聲低，而且其輸入阻抗和共模抑制比均很高，因此非常適合將檢波器輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)，以便后續(xù)的進(jìn)一步信號(hào)處理。由于淺層地震波的頻率主要集中在100～150 Hz范圍內(nèi)，因此可利用截止頻率為150 Hz的低通濾波器來消除高頻信號(hào)的干擾。淺層地震儀在靠近居民區(qū)等人文干擾較大的地方進(jìn)行工程物探時(shí)，極其容易受到50 Hz市電的干擾，因此在本設(shè)計(jì)中設(shè)置了雙T型50 Hz陷波電路對(duì)干擾進(jìn)行抑制，并結(jié)合低導(dǎo)通電阻的模擬開關(guān)ADG1402實(shí)現(xiàn)陷波電路的接入控制，以便根據(jù)干擾情況進(jìn)行靈活選擇。程控放大器PGA204用于將濾波處理后的信號(hào)放大到合適的程度，以便提高后級(jí)ADC的動(dòng)態(tài)范圍，從而盡可能發(fā)揮其性能。為進(jìn)一步提高信號(hào)的共模抑制比，在將信號(hào)送入ADC之前進(jìn)行單端轉(zhuǎn)差分處理，在本設(shè)計(jì)中采用的是低噪聲差分放大器THS4130。此外，通過在電路的反饋電阻上并聯(lián)電容的形式，將該電路配置為低通濾波形式以實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波。

由于淺層地震波的頻率在音頻范圍內(nèi)，因此本文選用TI公司的Σ-Δ型24-bit音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1274進(jìn)行4路的同步轉(zhuǎn)換。該ADC的特點(diǎn)是信噪比可達(dá)111 dB，僅通過硬件引腳即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置，從而大大簡化了其控制程序。在設(shè)計(jì)中采用幀同步接口(Frame-Sync)進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式為高分辨率(High-Resolution)模式，且各個(gè)通道的輸出順序固定，其參數(shù)配置簡圖如圖5所示。當(dāng)輸入的基本時(shí)鐘為20 MHz時(shí)，此時(shí)的數(shù)據(jù)輸出率約為39 kHz。

圖5　ADS1274配置圖

由于控制與通信板自身存在大量的開關(guān)高頻噪聲，為避免這些噪聲對(duì)數(shù)據(jù)采集板中敏感模擬電路造成干擾，在兩部分電路板之間用隔離芯片ADUM3400/02進(jìn)行信號(hào)線和地線的完全隔離。該系列芯片采用最新的變壓器隔離技術(shù)，與傳統(tǒng)的光耦、電容隔離技術(shù)相比具有電平轉(zhuǎn)換選擇靈活、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此特別適合高頻數(shù)字信號(hào)的隔離。此外，控制與通信板也將使用鑫達(dá)飛公司的隔離型DFA(M)5-12D5，以實(shí)現(xiàn)電源的完全隔離。

要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集電路的大動(dòng)態(tài)范圍，模擬電路的電源性能是決定因素之一。為此，本設(shè)計(jì)中采用“內(nèi)置電池+低噪聲LDO+低噪聲DC-DC芯片”的模式進(jìn)行供電，該方案雖然犧牲一部分供電效率，但提供了噪聲極低的模擬電路電源。其中正電源由LDO芯片TPS7A4901提供，負(fù)電源由DC-DC芯片LT1931、LDO芯片TPS7A3001提供。

2.2.2控制與通信板

控制與通信板由FPGA及外設(shè)、控制器、WiFi模塊、GPS模塊組成。其中，F(xiàn)PGA采用EP3C40Q240，用于完成ADC輸出的高速大容量數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字處理、存儲(chǔ)；控制器采用低功耗ARM-Cotex芯片STM32F103ZET；為保證控制器讀取的數(shù)據(jù)能夠快速進(jìn)行本地存儲(chǔ)，在設(shè)計(jì)中選用高速型SD卡作為存儲(chǔ)器，并采用比傳統(tǒng)SPI接口傳輸速度更快的SDIO接口。當(dāng)ADS1274的采樣率為39 kHz，根據(jù)當(dāng)前的配置，此時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出速度如式(1)所示：

39 kS/s×12 B/S=468 kB/s

(1)

顯然，通過控制器自帶的硬件SPI接口，很難在數(shù)據(jù)包不丟失的情況下直接讀取這樣的高速數(shù)據(jù)。因此，本設(shè)計(jì)采用了如圖6所示的架構(gòu)，來解決這一關(guān)鍵問題。首先，利用FIFO將數(shù)據(jù)緩存至SDRAM中，與此同時(shí)，利用FPGA的并行特性在STM32F103ZET內(nèi)部建立SDRAM、FIFO與高速SD卡之間的DMA通道。通過這種兩級(jí)緩存架構(gòu)，能夠有效解決高速ADC與低速控制器之間的速度匹配問題。

圖6　ADS1274高速數(shù)據(jù)緩存與存儲(chǔ)示意圖

WiFi是一種基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與規(guī)范，在開放空間里，其傳輸距離可以達(dá)到200～300 m，傳輸速率為54 Mbit/s[6-7]，因此非常適用于野外地震數(shù)據(jù)分布式采集。為降低開發(fā)難度，本設(shè)計(jì)選用USI公司的WM-G-MR-09模塊[8]。該模塊的待機(jī)功耗僅為7 μA，且屏蔽了具體的基帶協(xié)議，用戶僅需通過SPI接口即可實(shí)現(xiàn)控制。WM-G-MR-09通信電路示意圖如圖7所示。利用STM32的硬件SPI接口進(jìn)行控制：G-SPI_ClK、G-SPI_SDO、G-SPI_SDI、G_SPI_SCSn分別為模塊SPI接口的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入、片選引腳；PDn則為整個(gè)模塊的使能引腳，用于開啟或關(guān)閉該模塊；RF_PORT為天線的輸出接口。

圖7　通信電路示意圖

在本設(shè)計(jì)中進(jìn)行WiFi局域網(wǎng)搭建時(shí)，采用基礎(chǔ)模式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]。當(dāng)各采集站數(shù)據(jù)采集完畢后，通過各自的WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至控制終端中的接入點(diǎn)設(shè)備(access point,AP)，最后由AP將數(shù)據(jù)傳至PC機(jī)。

3軟件設(shè)計(jì)

儀器軟件主要包括采集站W(wǎng)iFi通信軟件和上位機(jī)軟件。采集站W(wǎng)iFi通信流程圖如圖8所示。

圖8　采集站W(wǎng)iFi通信流程圖

WiFi通信軟件主要完成WiFi模塊控制，其流程如下。①控制器首先初始化其自身的SPI接口，以便對(duì)模塊進(jìn)行控制。②控制器通過使能信號(hào)PDn使模塊上電開始工作；然后配置模塊的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如IP地址、網(wǎng)關(guān)、監(jiān)聽端口號(hào)等，使其在局域網(wǎng)絡(luò)中具有唯一地址，以便控制終端下傳的命令能夠轉(zhuǎn)發(fā)到正確的采集站。③當(dāng)模塊搜索到控制終端的中心網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)出握手請(qǐng)求，當(dāng)握手成功并加入網(wǎng)絡(luò)后，模塊所在采集站開始發(fā)送狀態(tài)參數(shù)，如數(shù)據(jù)采集板自檢參數(shù)、供電狀態(tài)等。④待控制終端確認(rèn)站點(diǎn)狀態(tài)正常后，采集站將處于正常工作狀態(tài)，可以接收PC命令或發(fā)送采集數(shù)據(jù)。

當(dāng)淺層地震儀長時(shí)間在野外工作時(shí)，要求儀器盡可能降低功耗，而WiFi模塊長時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)會(huì)消耗大量電池能量。因此，在儀器中設(shè)計(jì)了以“心跳監(jiān)測(cè)”為核心的省電策略。當(dāng)采集站處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，WiFi模塊定時(shí)開啟并向上位機(jī)發(fā)送包含當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)的心跳包，收到確認(rèn)回復(fù)后自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，從而可以大大降低功耗，提高整個(gè)儀器的待機(jī)時(shí)間。

上位機(jī)軟件采用LabVIEW軟件進(jìn)行編寫，該軟件的特點(diǎn)是開發(fā)難度小、周期短、界面直觀[10]。該軟件可實(shí)現(xiàn)儀器的狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、采集站控制、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示等功能。

4測(cè)試

室內(nèi)測(cè)試主要進(jìn)行儀器本底噪聲、動(dòng)態(tài)范圍、通道一致性的測(cè)試。儀器本底噪聲測(cè)試采用72通道采集通道輸入端短路的形式進(jìn)行。其中，10通道的結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明噪聲水平低于10 μV。

圖9　數(shù)據(jù)采集電路噪聲水平示意圖

儀器的動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試采用輸入頻率為100 Hz正弦波的形式進(jìn)行，系統(tǒng)測(cè)到的最大和最小信號(hào)幅度分別為12 μV和2.48 V，則動(dòng)態(tài)范圍為106 dB。通道的一致性測(cè)試采用72個(gè)通道分組同時(shí)接入頻率為100 Hz的正弦波信號(hào)進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果表明幅度的一致性優(yōu)于1.2%，相位一致性優(yōu)于1%。

野外測(cè)試主要進(jìn)行儀器整體性能測(cè)試，圖10是儀器在廣西某油庫建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)開展地震折射法(24道)的探測(cè)結(jié)果，分別為地震波成像圖和反演結(jié)果。觀察結(jié)果可知，該區(qū)域分層信息明顯：第一層為覆蓋層，中間層為中等分化基巖，底層為基巖層。該結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)鉆探結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了儀器測(cè)量結(jié)果的有效性。

圖10　某地探測(cè)結(jié)果示意圖

5結(jié)束語

本文在淺層地震法原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于WiFi的高分辨率無線分布式淺層地震儀，并分別經(jīng)過了室內(nèi)電路和野外探測(cè)性能測(cè)試。結(jié)果表明，儀器通過采用Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震信號(hào)的高精度采集：噪聲水平低于10 μV，動(dòng)態(tài)范圍為106 dB，幅度的一致性優(yōu)于1.2%，相位一致性優(yōu)于1%；利用WiFi技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多達(dá)72道數(shù)據(jù)的同步高分辨率采集，大大減小了儀器體積，適用于多種場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

[1] 王有新.應(yīng)用地震數(shù)據(jù)處理方法[M].北京: 石油工業(yè)出版社,2009:15-17.

[2] 劉天佑.應(yīng)用地球物理數(shù)據(jù)采集與處理[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2004:190-192.

[3] 李懷良,庹先國,劉明哲.無線遙測(cè)式數(shù)字地震儀關(guān)鍵技術(shù)[J].地球物理學(xué)報(bào),2013,56(11):3673-3682.

[4] 張林行,裴利然,孫自超,等.淺層地震勘探中的無線同步裝置研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2013,31(5):464-469.

[5] 李曉旭.48道集中式地震儀的研制[D].長春: 吉林大學(xué),2006.

[6] 邢磊.海洋小多道地震高精度探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島: 中國海洋大學(xué),2012.

[7] 何鵬舉,張捷,張亮亮.基于WiFi的超低功耗溫濕度網(wǎng)絡(luò)傳感器設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2013,32(2):81-86.

[8] 吳靜然,李秀鳳,吳倩.基于WiFi的煤礦井下智能終端設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2013,39(4):5-8.

[9] 張曉輝.串口轉(zhuǎn)WiFi/GPRS數(shù)據(jù)雙網(wǎng)模塊開發(fā)[D].西安: 西安科技大學(xué),2011.

[10]劉軍良.WiFi技術(shù)在溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2014,35(6):79-82.

Design of the Wireless Distributed Shallow Seismograph with High Resolution

李旭1,2童喬凌2

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院1，湖北 武漢430074；華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院2，湖北 武漢430074)

摘要：針對(duì)淺層地震法中傳統(tǒng)集中式儀器存在的問題，設(shè)計(jì)了高分辨率無線分布式淺層地震儀。儀器硬件由動(dòng)圈式檢波器陣列、分布式采集站、控制終端、PC組成。測(cè)試結(jié)果表明，儀器實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱地震波信號(hào)的高分辨率采集，且能通過WiFi局域網(wǎng)將多達(dá)72道的數(shù)據(jù)上傳至PC，并利用LabVIEW軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。該儀器具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、采集道數(shù)多等特點(diǎn)，特別適合在高鐵、高速公路、機(jī)場(chǎng)等熱點(diǎn)基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域中使用。

關(guān)鍵詞：地震儀測(cè)量信號(hào)采集檢波器無線網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)數(shù)據(jù)控制軟硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路

Abstract：Aimed at the problems existing in the traditional centralized instrument for measurement method of superficial seismic,a wireless distributed superficial seismograph with high resolution is designed.The hardware of the instrument consists of moving-coil geophone array,distributed acquisition station,controlling terminal and PC.The test results indicate that the instrument realizes high resolution acquisition of weak seismic wave signals,and uploads as much as 72-channel data to PC via WiFi LAN,furthermore,it proceeds real-time display by means of LabVIEW software.The instrument has prominent characteristics such as small volume,large dynamic range,more channels of data acquisition ,and so on,which is particularly suitable for applications of high-speed railway,highway,airport and other current popular infrastructure.

Keywords:SeismographMeasurementSignal acquisitionDetectorWireless networkLocal area network (LAN)DataControlThe hardware and software designConversion circuit

中圖分類號(hào)：TP216；TH6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604021

國家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：40727001)；

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：CUG110822)。

修改稿收到日期：2015-05-21。

第一作者李旭(1961-)，男，1991年畢業(yè)于華中理工大學(xué)電子應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，副教授；主要從事通信儀器的研究。